崔 科,趙進(jìn)良，付曉飛

(1.百度在線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(北京)有限公司,北京 100000;2.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530000; 3.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院,河南 鄭州 450000)

0 引言

近年來,隨著信息化的高度發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)、云計算及移動互聯(lián)概念的推出，數(shù)據(jù)中心也加快了建設(shè)步伐，向著高功率高密度前進(jìn)，數(shù)據(jù)中心所使用的服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備將高品位電能轉(zhuǎn)化為低品位熱能，最終被空調(diào)系統(tǒng)散到室外環(huán)境中，沒有被充分利用，造成極大的損失。

國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心冷卻大多采用冷卻塔+水冷冷水機(jī)組供冷系統(tǒng)、風(fēng)冷冷水機(jī)組供冷系統(tǒng)、直接新風(fēng)或間接新風(fēng)冷卻系統(tǒng)、地表水冷卻系統(tǒng)+水冷冷水機(jī)組供冷系統(tǒng)、閉式冷卻塔+液冷冷卻系統(tǒng)及熱管背板冷卻系統(tǒng)等，它們的共同點是均未回收IT設(shè)備余熱，而部分和辦公樓或酒店合建的數(shù)據(jù)中心通常設(shè)計了熱泵機(jī)組，為辦公樓或酒店提供空調(diào)和生活熱水，由于受到季節(jié)和人員數(shù)量等因素的限制，余熱回收量相對較少。本文提出一種新型數(shù)據(jù)中心冷卻和余熱回收方案，可把數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備散發(fā)的余熱全年不間斷的回收至居民生活熱水中，并對該方案進(jìn)行技術(shù)分析。

1 背景情況

2018年中國數(shù)據(jù)中心總耗電量超過1 608億kWh[6]，占全國總用電量的2.35%左右[6]，總電耗每年還以11%左右的速度增長[6]，數(shù)據(jù)中心不僅消耗大量的電能還消耗大量的水，因此數(shù)據(jù)中心行業(yè)節(jié)能、節(jié)水、減排勢在必行。

以北京某互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心為例：總IT功率約為：11 000 kW,全年耗電量約1.1億kWh，全年實際耗水量約為176 000 t，全年P(guān)UE[5](電力使用效率)約為：1.28，WUE[5](水資源使用效率)約為：1.83 L/kWh。而現(xiàn)階段數(shù)據(jù)中心設(shè)計者僅考慮降低數(shù)據(jù)中心PUE，未考慮數(shù)據(jù)中心余熱利用，如把IT設(shè)備余熱全部或部分回收可有效減少數(shù)據(jù)中心電耗、水耗和碳排放。

2 新型冷卻熱回收系統(tǒng)方案

2.1 方案簡述

在全國大部分地區(qū)，自來水溫度都較低，尤其是嚴(yán)寒、寒冷及夏熱冬冷地區(qū)，較低的自來水中蘊(yùn)藏著巨大的冷量，居民在生活中對生活熱水又有很大的需求，如兩者結(jié)合使數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備余熱回收至自來水中，則減少了居民對生活熱水用電和燃?xì)庀?，而?shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)為了節(jié)能一般控制冷凍水供水溫度在15～18 ℃之間，因此為采用自來水源水作為數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)冷源和電制冷機(jī)組冷卻水創(chuàng)造了有利條件。

以北京為例,全年自來水溫度在6～27 ℃之間變化，而自來水源水溫度和自來水溫度基本相同，甚至更低，因此自來水源水可作為數(shù)據(jù)中心冷源或冷卻水，冬季和過渡季可把水廠中經(jīng)過混凝、絮凝、沉淀過濾后的中間過程源水通過板換和冷凍水換熱，為數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)供冷，實現(xiàn)免費冷卻，而吸收機(jī)房余熱的源水進(jìn)入自來水廠制備自來水，可把數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備余熱回收到自來水中，夜間自來水供應(yīng)量較小時，由冷卻塔自然冷卻為空調(diào)系統(tǒng)補(bǔ)充供冷。在夏季自來水溫度較高時，把處理后的中間過程源水供入電制冷冷機(jī)冷疑器作為冷機(jī)冷卻水，源水升溫后再進(jìn)入自來水廠制備自來水，夜間自來水供應(yīng)量較小時，由冷卻塔補(bǔ)充為電制冷冷機(jī)提供冷卻水，此方案中冷卻塔僅是輔助供冷設(shè)備，使用時間較短，因此降低冷卻塔電耗水耗，提高數(shù)據(jù)中心能源使用效率。

2.2 數(shù)據(jù)中心選址

采用自來水源水對空調(diào)系統(tǒng)冷卻的數(shù)據(jù)中心，需要把數(shù)據(jù)中心和自來水廠貼建，可減少管道長度、降低源水冷卻水泵能耗、降低系統(tǒng)投資及管道施工難度。

2.3 方案設(shè)計

源水現(xiàn)經(jīng)過水廠預(yù)處理后，供入數(shù)據(jù)中心對空調(diào)系統(tǒng)冷卻，回收IT設(shè)備余熱后再供至水廠處理成自來水，最后接入市政自來水管網(wǎng)供至用戶，系統(tǒng)流程如圖1所示。

2.4 方案分析

圖1所示方案在節(jié)能和運行管理方面有如下優(yōu)勢：

(1)自來水廠位于數(shù)據(jù)中心下游，自來水源水在水廠經(jīng)過混凝、沉淀、澄清、過濾等預(yù)處理后進(jìn)入數(shù)據(jù)中心冷卻回收IT設(shè)備余熱再供回水廠進(jìn)行后過濾、消毒殺菌等水處理，因此不會污染自來水，空調(diào)換熱設(shè)備初投資低，運行管理簡單，水廠熱損失較少，回收IT設(shè)備余熱較多。

(2)由于自來水源水冬季和過渡季水溫較低，可作為數(shù)據(jù)中心免費冷源，取代采用冷卻塔自然冷卻的運行方法，極大縮短了冷卻塔和冷機(jī)使用時間，降低系統(tǒng)電耗和水耗。

(3)由于對數(shù)據(jù)中心冷卻后的中間過程源水直接被供至水廠處理成自來水而不排至河流，不影響河流的溫度場，不破壞河流生態(tài)環(huán)境。

2.5 設(shè)備選型分析

如圖1所示新增源水冷卻泵需克服自來水廠至數(shù)據(jù)中心園區(qū)源水換熱器和制冷機(jī)組供回水管線及設(shè)備阻力，因此揚(yáng)程需要依此部分管線設(shè)備總阻力計算，而數(shù)據(jù)中心供冷系統(tǒng)設(shè)備按照實際需求選型，方法和不采用此方案選型方法相同，自來水廠一二級泵及中間水泵揚(yáng)程按照實際水廠處理系統(tǒng)需求選型，其方法也與不采用此方案相同，本次冷卻采用水廠中間處理過程水，因此不會影響居民供水壓力。

圖1 數(shù)據(jù)中心余熱回收系統(tǒng)流程示意圖其中:1-自來水水源；2-級泵；3-自來水廠預(yù)處理系統(tǒng)；4-源水冷卻泵；5-源水和冷凍水換熱器；6-冷凍水泵；7-數(shù)據(jù)中心末端設(shè)備；8-冷水機(jī)組；9-冷卻水泵；10-冷卻塔；11-水廠中間加壓水泵;12-終過濾處理;13-消毒殺菌處理;14-清水池;15-二級泵

3 自來水源水條件

3.1 自來水溫度參數(shù)分析

自來水水源一般取自地表水，因此水溫較低，以北京地區(qū)為例，全年自來水溫度在6到27℃變化，如下表一所示。

表1 北京某水廠自來水全年月平均溫度

3.2 自來水供應(yīng)量分析

自來水廠日供水量逐時變化曲線如下圖2所示。

圖2 城市自來水用水量隨時刻的變化曲線[3]

自來水供應(yīng)在夜間20點至凌晨5點之間為一天中的最小時段，共9 h，平均供應(yīng)量約為日供水量的1.65%，在凌晨5點到晚上20點之間為供應(yīng)最大時段，共15 h，平均供應(yīng)量約為日用水量的5%，白天最大用水量約為夜間最小用水量的3～4倍，因此數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻水系統(tǒng)需依據(jù)上述特點進(jìn)行設(shè)計，可在全天最大限度利用自來水源水供冷。

4 數(shù)據(jù)中心應(yīng)用分析

4.1 設(shè)計舉例

以日產(chǎn)自來水量10萬t的水廠為例：由上圖2可知：夜間20點到凌晨5點時的小時用水量最小，約為：100 000×1.65%=1 650 t/h，凌晨5點到晚上20點的小時用水量較大,約為：100 000×5%=5 000 t/h。

以北京某數(shù)據(jù)中心園區(qū)為例，設(shè)計總機(jī)柜數(shù)為4 500個，設(shè)計單機(jī)柜功率為8.0 kW，IT設(shè)備平均負(fù)荷率為：0.85；總IT負(fù)荷為：30 600 kW；空調(diào)總冷負(fù)荷約為：39 000 kW。數(shù)據(jù)中心園區(qū)空調(diào)冷凍水循環(huán)水量為：39 000×3.6/(4.187×7)=4 790 t/h；式中：3.6為單位換算系數(shù)；4.187為水的比熱/kJ·kg-1；7為冷凍水設(shè)計供回水溫差/℃；數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷凍水設(shè)計供回水溫度15/22 ℃。

設(shè)計自來水源水自由卻時供回水溫度設(shè)計為：13/20 ℃；由表1可知：一年中1～3月和11～12月份(共計151天)自來水源水月平均溫度小于等于13 ℃，空調(diào)系統(tǒng)冷源可由自來水源水提供；而4至10月的月平均自來水溫度大于13 kWh(共計214天)，空調(diào)系統(tǒng)需開啟電制冷冷機(jī)補(bǔ)充制冷或者完全由電制冷冷機(jī)供冷，此時自來水源水作為冷機(jī)的冷卻水，在自來水源水供水量較小時段，由冷卻塔補(bǔ)充為電制冷冷機(jī)提供冷卻水，在自來水源水供應(yīng)量較大時段，電制冷冷機(jī)冷卻水全部由自來水源水提供。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計

如下圖3所示，系統(tǒng)設(shè)計4套空調(diào)冷凍水自來水源水換熱供冷單元(換熱供冷單元包含水水換熱器和源水冷卻水泵)、4套電制冷冷機(jī)供冷單元(電制冷冷機(jī)供冷單元包括冷機(jī)、冷卻塔、冷卻塔自由冷卻板換、源水冷卻水泵、冷卻水泵、冷凍水一次泵)、4套二次泵和連續(xù)供冷蓄冷罐，其中均包含1套備用供冷單元。

圖3 數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻系統(tǒng)即余熱回收系統(tǒng)其中：1-自來水源水泵；2-過濾器；3-自來水源水與冷凍水換熱器；4-電制冷冷水機(jī)組；5-冷凍水一次泵；6-冷凍水二次泵；7-冷卻水泵；8-冷卻塔；9-冷卻塔自由冷卻板換；10-蓄冷罐；11-過濾設(shè)備;12-消毒殺菌;13-清水池;14-二級泵;15-一級泵；V1-V8電動開關(guān)閥

4.3 運行策略

空調(diào)系統(tǒng)全年運行時，根據(jù)白天和夜間不同時段自來水供水量不同，調(diào)節(jié)自來水源水換熱單元和電制冷冷機(jī)供冷單元運行臺數(shù)，冬季過渡季自然冷卻時，由自來水源水換熱系統(tǒng)和冷卻塔自然冷卻代替電制冷冷機(jī)供冷；夏季電制冷冷機(jī)供冷運行時，自來水源水作為電制冷冷機(jī)冷卻水運行。根據(jù)圖3系統(tǒng)在自然冷卻和電制冷冷機(jī)供冷時兩種運行模式見表2。

表2 運行策略

由于北京地區(qū)冬季源水溫度遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷凍水設(shè)計供回水溫度，因此自來水源水側(cè)可采用7/20 ℃運行，不僅能提高余熱回收量，還可減少夜間冷卻塔自由冷卻運行時間，降低冷卻塔電耗水耗，進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)中心PUE和WUE，空調(diào)系統(tǒng)全年運行還應(yīng)盡可能提高冷凍水供回水溫度，延長源水自然冷卻時間，從而提高余熱回收率和冷機(jī)COP，當(dāng)冷凍水供回水溫度提高至18/24 ℃時，全年計算PUE小于1.20。

5 節(jié)能計算

5.1 自由冷卻運行時熱回收計算

當(dāng)自來水源水溫度小于等于13 ℃時，系統(tǒng)自然冷卻運行，余熱回收分兩個時段計算。

在夜間20點到凌晨5點時(共計9 h)，自來水供應(yīng)量約為：1 650 t/h，僅1套源水換熱單元供冷運行，每小時回收熱量q1為：

q1=m1cpΔt/3.6=13 410 kW

(1)

式中m1——自來水供應(yīng)量，1 650t/h；

cp——水的定壓比熱，4.18 kJ/(kg·℃)；

Δt1——冷卻和冷凍水供回水溫差，取7 ℃。

在凌晨5點到20點時(共計15 h)，自來水供水量約為5 000 t/h大于空調(diào)系統(tǒng)總循環(huán)水量：此時段小時回收熱量為全部數(shù)據(jù)中心余熱，即為數(shù)據(jù)中心的空調(diào)總冷負(fù)荷：q2=39 000 kW;

全天余熱回收量Q為：

Q=9q1+15q2=705 690 kWh

(2)

式中 9——夜間自由冷卻運行小時數(shù)；

15——白天自由冷卻運行小時數(shù)。

5.2 電制冷機(jī)運行時熱回收計算

電制冷冷機(jī)供冷(即自來水源水溫度大于13℃時)全天可回收余熱量Q′為：

Q′=kQ=776 259 kWh

(3)

注:k——制冷機(jī)制冷時耗功的熱量系數(shù)[2]，宜取1.10～1.30，高溫冷機(jī)取小值，低溫冷機(jī)取大值；由于在源水溫度大于13℃小于冷機(jī)最低冷卻水進(jìn)水溫度時，源水自由冷卻供冷單元和冷機(jī)+冷卻塔供冷單元混合運行，故k取1.10。

5.3 全年有效回收余熱計算

(1)全年總回收數(shù)據(jù)中心余熱為：

Q0=151Q+214Q′=981 643 GJ

(4)

式中 151——完全自由冷卻的天數(shù)；

214——電制冷冷機(jī)運行的天數(shù)。

(5)

注：n1——居民生活用熱水占生活用水的比例:一般為0.4～0.5[1]，n1取0.45；n2——自來水廠及市政管網(wǎng)熱量損失率，一般為0.1～0.5，n2取0.5，當(dāng)新建自來水廠清水池管道及市政給水管網(wǎng)設(shè)置保溫則可取小值,沒有保溫取大值。

5.4 全年余熱回收可節(jié)省標(biāo)煤計算

(6)

式中α——每GJ熱量的折標(biāo)煤系數(shù)，一般取0.034 1 t/GJ[4]。

采用上述方案全年減少居民生活熱水用熱所節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤約7 531 t。

5.5 全年耗水量和WUE計算：

(1)冷卻塔輔助散熱量計算

自由冷卻運行時夜間20點到凌晨5點需要冷卻塔輔助散熱量Q3為：

Q3=(q2-q1)h=(39 000-13 410)×9

=230 310 kWh

電制冷冷機(jī)運行時夜間20點到凌晨5點需要冷卻塔輔助散熱量Q4為：

Q4=(q2-q1)×1.10×h=(39 000-13 410)

×1.10×9=253 341 kWh

冷卻塔全年輔助總散熱量為：Qs=151×Q3+214×Q4=151×230 310+214×253 341=88 991 784 kWh

冷卻塔全年散熱量占數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)總散熱量的百分比η2為：

η2=88 991 784/(39 000×1.10×24×365)=23.68%

數(shù)據(jù)中心的全年平均WUE約為：23.68%×1.83=0.433 L/kWh

注：1.10——制冷機(jī)制冷時耗功的熱量系數(shù)[2]；1.83——北京某互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的全年運行WUE；

(2)采用傳統(tǒng)冷卻塔+電制冷冷機(jī)供冷技術(shù)方案全年總耗水量為：

G1=30 600×24×365×1.83/1 000=490 542 t/a

(3)采用源水冷卻余熱回收方案全年總耗水量約為：

G2=0.433×30 600×24×365/1 000=116 068 t/a

因此全年可節(jié)約用水量約為：490 542-116 068=374 474 t/a，約為240～250萬居民一天的用水量，較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心水冷空調(diào)系統(tǒng)節(jié)水率為：374 474/490 542=76.3%，因節(jié)約用水而減少標(biāo)煤約為32 t/a。

5.6 全年運行PUE計算：

空調(diào)冷凍水設(shè)計供回水溫度為15/22 ℃時，根據(jù)表1可知，北京地區(qū)全年完全自然冷卻運行時間約為5～6個月，全年P(guān)UE計算如表3所示。

全年回收至居民生活熱水中的有效余熱占全年耗電量的百分比η為:

365×3.6×106×10-9)=18.4%

(7)

6 經(jīng)濟(jì)性分析

6.1 節(jié)能減排分析

采用本方案后，數(shù)據(jù)中心每年可節(jié)約的自來水量和標(biāo)煤量、節(jié)省的水費以及為居民節(jié)省的天然氣費用如表4、表5所示，表6按照居民使用燃?xì)鉄崴鬟M(jìn)行計算的結(jié)果，而部分家庭還使用電熱水器，因此每年節(jié)省的標(biāo)煤和為居民節(jié)省的生活熱水加熱費用遠(yuǎn)大于表4計算值。

表4 居民節(jié)約天然氣用量計算

表5 年節(jié)約水費計算

表6 年節(jié)能減排計算

2018年全國數(shù)據(jù)中心總用電量超過1 608億kWh，以18.4%的熱回收效率計算，每年回收余熱約為：1 608×18.4%×3.6×106×10-9=8 589萬GJ，節(jié)約1.6億t自來水、節(jié)省363.6萬t標(biāo)煤、減少碳排放945.5萬t、二氧化硫8.7萬t和氮氧化合物2.5萬t，而數(shù)據(jù)中心總用電量每年增長率約為11%，因此節(jié)能減排和經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

6.2 投資估算

圖3方案比獨立的自來水廠水處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心供冷系統(tǒng)僅增加了水廠至數(shù)據(jù)中心冷源中心供回水管道、水水換熱器、供冷水泵和源水冷卻泵,其余各自的管道系統(tǒng)、設(shè)備均和現(xiàn)有水廠或者數(shù)據(jù)中心不無差別，投資回收期見表7。

表7 投資回收期估算

7 結(jié)論

(1)大型數(shù)據(jù)中心和自來水廠貼建，采用自來水中間處理過程的源水對數(shù)據(jù)中心冷卻不僅可全年回收IT設(shè)備余熱，用來提高自來水溫度減少居民生活熱水用熱消耗，提高能源利用效率，還能減少空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)冷卻用水量，極大的降低了數(shù)據(jù)中心的PUE和WUE，降低運行成本，當(dāng)冷凍水供回水溫度提高至18/24 ℃時，全年P(guān)UE低于1.20。

(2)經(jīng)計算可知采用本方案后數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備全年有效余熱回收率可達(dá)18.4%，如新建市政自來水管網(wǎng)、水廠管道及清水池等設(shè)置保溫減少熱損失，有效余熱回收率可提高至30%以上，極大減少了居民對生活熱水用熱的需求。