肖彪，常華偉，趙樹男，舒水明

（1.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 珠海 519070；2.華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，湖北武漢 430074）

0 引言

近年來，數(shù)據(jù)中心激增的能耗問題越來越受到社會的關(guān)注。數(shù)據(jù)中心IT服務(wù)器在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的廢熱，經(jīng)冷卻后的數(shù)據(jù)中心廢熱品位相對較低，這部分的低品位余熱難以利用，幾乎全部被浪費(fèi)掉了。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心高效用能的目標(biāo)，數(shù)據(jù)中心的這一部分余熱必須加以回收利用。

空氣源熱泵可通過消耗少量電能實(shí)現(xiàn)低品位熱能向高品位熱能的轉(zhuǎn)移，具有高效、環(huán)保等特點(diǎn)，并且可與可再生能源相結(jié)合，在低品位余熱高效回收利用系統(tǒng)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢[1]，[2]。例如，空氣源熱泵與太陽能復(fù)合的供暖系統(tǒng)在高效利用太陽能的同時(shí)，可顯著提高空氣源熱泵在低溫環(huán)境下的運(yùn)行穩(wěn)定性和制熱效率[3]～[5]，其中太陽能集熱器的出口溫度可以低至10～60℃[6]，與數(shù)據(jù)中心余熱品位相當(dāng)。然而，目前在空氣源熱泵回收數(shù)據(jù)中心低品位余熱方面的研究明顯不足。已有的研究中，Davies[7]提出了一種基于空氣源熱泵的數(shù)據(jù)中心余熱回收供暖系統(tǒng)。研究表明，對于一個(gè)3.5 MW的數(shù)據(jù)中心，采用該系統(tǒng)后每年可以節(jié)約100萬英鎊，減少CO2排放4000t以上。Wahlroos[8]調(diào)研了數(shù)據(jù)中心余熱回收利用過程中存在的困難，并通過分析能源效率、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能等指標(biāo)，研究了利用數(shù)據(jù)中心余熱進(jìn)行集中供暖的可行性。Mahdi和Sajad[9]通過對伊朗馬什哈德市一個(gè)數(shù)據(jù)中心的余熱及其附屬辦公建筑用能特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出了一種空氣源熱泵回收數(shù)據(jù)中心余熱的系統(tǒng)，研究了不同工況下系統(tǒng)的熱力性能、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能。結(jié)果表明，采用空氣源熱泵回收數(shù)據(jù)中心余熱后，每年可節(jié)約35 000 m3的天然氣和20.8 MW·h的電能，同時(shí)減少CO2排放約121 t。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國的氣象特點(diǎn)，針對小型數(shù)據(jù)中心機(jī)房余熱回收問題，提出了一種基于空氣源熱泵的數(shù)據(jù)中心能量回收系統(tǒng)，為其鄰近的一個(gè)建筑面積為500 m2的辦公樓進(jìn)行供暖。通過建立其數(shù)值仿真模型，重點(diǎn)分析了數(shù)據(jù)中心回風(fēng)溫度對能量回收系統(tǒng)的節(jié)能減排效果的影響。

1 基于空氣源熱泵的數(shù)據(jù)中心能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及描述

基于空氣源熱泵的數(shù)據(jù)中心能量回收系統(tǒng)原理如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)中心機(jī)房、機(jī)房空調(diào)機(jī)組和空氣源熱泵系統(tǒng)構(gòu)成。數(shù)據(jù)中心空氣冷卻形式采用封閉冷通道的方法，將來自空調(diào)機(jī)組的冷空氣限制在冷池內(nèi)，回風(fēng)溫度一般低于24℃[10]。空氣源熱泵的蒸發(fā)器置于數(shù)據(jù)中心的回風(fēng)通道中，制冷劑直接利用數(shù)據(jù)中心的余熱實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)；并通過壓縮機(jī)的壓縮形成高溫高壓制冷劑蒸氣，然后進(jìn)入冷凝器進(jìn)行冷凝，并生產(chǎn)所需的55℃熱水；冷凝后的制冷劑經(jīng)過節(jié)流機(jī)構(gòu)節(jié)流，變成低壓的制冷劑液體或氣液兩相混合物再次進(jìn)入蒸發(fā)器，從而完成整個(gè)熱泵循環(huán)。經(jīng)空氣源熱泵蒸發(fā)器吸熱后的空氣進(jìn)一步與數(shù)據(jù)中心空調(diào)機(jī)組換熱，冷卻到14℃左右后，通過循環(huán)風(fēng)機(jī)向數(shù)據(jù)中心送風(fēng)，實(shí)現(xiàn)空氣循環(huán)。

圖1 基于空氣源熱泵的數(shù)據(jù)中心能量回收系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the energy recovery system in data center based on air source heat pump

該能量回收系統(tǒng)工作過程中，一方面，數(shù)據(jù)中心24℃左右的回風(fēng)提高了空氣源熱泵的蒸發(fā)溫度，實(shí)現(xiàn)了辦公場所采暖過程的節(jié)能；另一方面，空氣源熱泵蒸發(fā)器的蒸發(fā)吸熱作用降低數(shù)據(jù)中心的回風(fēng)溫度，從而降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)機(jī)組的冷負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心機(jī)房冷卻過程的節(jié)能，具有較好的節(jié)能減排效果。

武漢地區(qū)采暖季的逐時(shí)環(huán)境溫度如圖2所示。

圖2 武漢地區(qū)采暖季逐時(shí)環(huán)境溫度Fig.2 Hourly ambient temperature in heating seasons in Wuhan

本文以武漢為例，研究了該能量回收系統(tǒng)在整個(gè)采暖季的能耗及節(jié)能效果。武漢地區(qū)的采暖季為11月15日-次年3月15日，共計(jì)2 904 h。由于辦公場所的供暖設(shè)備間歇性工作，假設(shè)采暖季空氣源熱泵每天運(yùn)行12 h，運(yùn)行時(shí)間為8：00-20：00，則由圖2可知，系統(tǒng)運(yùn)行期間最低氣溫為-2.78℃，最高氣溫為17.22℃，平均氣溫為6.73℃。

2 基于空氣源熱泵的數(shù)據(jù)中心能量回收系統(tǒng)建模

本研究中的空氣源熱泵蒸發(fā)器直接置于數(shù)據(jù)中心回風(fēng)通道中，蒸發(fā)溫度較高，因此采用一級壓縮循環(huán)。空氣源熱泵系統(tǒng)的壓焓圖如圖3所示。

圖3 空氣源熱泵系統(tǒng)壓焓圖Fig.3 Pressure-enthalpy diagram of the air source heat pump system

在進(jìn)行建模時(shí)作如下合理假設(shè)：①由于制冷劑在換熱器及管道中的壓降遠(yuǎn)小于整個(gè)系統(tǒng)的壓力，因此忽略制冷劑在換熱器及管道中的壓降；②忽略整個(gè)系統(tǒng)（含蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)及管道等）向環(huán)境中的漏熱；③設(shè)置壓縮機(jī)的吸氣溫度比蒸發(fā)溫度高5℃，冷凝溫度比生產(chǎn)的熱水溫度高5℃。循環(huán)中各狀態(tài)點(diǎn)如圖3所示。制冷劑流量m˙r可根據(jù)壓縮機(jī)排氣量V、轉(zhuǎn)速f、壓縮機(jī)出口制冷劑蒸氣的比容v2計(jì)算獲得，計(jì)算式為

在節(jié)流過程中，節(jié)流前后制冷劑焓值保持不變，因此節(jié)流機(jī)構(gòu)出口（狀態(tài)點(diǎn)4）的焓值h4等于冷凝器出口（狀態(tài)點(diǎn)3）制冷劑的焓值h3。其中，h3可由冷凝壓力及冷凝溫度計(jì)算獲得。至此，循環(huán)各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)計(jì)算完畢。

根據(jù)上述各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)即可計(jì)算獲得壓縮機(jī)耗功Pcom和空氣源熱泵的制熱量Q。

式中：t為采暖時(shí)間；Wt′為相同空氣源熱泵直接從室外環(huán)境中吸熱時(shí)的采暖季能耗，其計(jì)算方法與Wt相同。

空氣源熱泵的蒸發(fā)器吸熱降低了數(shù)據(jù)中心空調(diào)機(jī)組的負(fù)荷，因此數(shù)據(jù)中心機(jī)房冷卻過程中制冷機(jī)組能源節(jié)約量ΔWc等于空氣源熱泵的蒸發(fā)吸熱量，其計(jì)算公式為

本文提出的數(shù)據(jù)中心能量回收系統(tǒng)在節(jié)約電能消耗的同時(shí)，也具有良好的環(huán)保性能，因此分別采用空氣源熱泵總等效溫室效應(yīng)指標(biāo)TEWI和CO2減排量mCO2來進(jìn)行評價(jià)。其中，空氣源熱泵的總等效溫室效應(yīng)主要包括由泄漏、維修或報(bào)廢時(shí)排放的制冷劑而直接產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，以及空氣源熱泵運(yùn)行過程中由于耗能而間接產(chǎn)生的溫室效應(yīng)兩部分構(gòu)成，其計(jì)算公式為[12]

式中：GWP（Global Warming Potential）為制冷工質(zhì)的全球變暖潛能值，χa為制冷劑年平均泄漏率，取值5%[11]；L0為初始制冷劑充注量；n為系統(tǒng)使用壽命；β為單位電能CO2排放量。

基于空氣源熱泵的數(shù)據(jù)中心能量回收系統(tǒng)的總CO2減排量計(jì)算公式為

根據(jù)辦公場所采暖面積及節(jié)能型辦公建筑的熱負(fù)荷指標(biāo)計(jì)算壓縮機(jī)的相關(guān)參數(shù)，選擇谷輪熱泵熱水專用渦旋壓縮機(jī)ZW108KSE，壓縮機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 空氣源熱泵壓縮機(jī)參數(shù)Table 1 Parameters of the compressor in the air source heat pump

3 結(jié)果討論與分析

R404A，R407C，R410A和R417A等混合工質(zhì)具有清潔、低毒或無毒、不燃、制冷/熱效果好等特點(diǎn)，是替代R22的幾種家用空調(diào)/熱泵的制冷劑。R22及4種替代工質(zhì)主要的物性參數(shù)及環(huán)保性能參數(shù)見表2[13]～[16]。比較它們的性能有利于促進(jìn)本文提出的能量回收系統(tǒng)的發(fā)展和推廣應(yīng)用。

表2 各工質(zhì)的基本性質(zhì)Table 2 Basic properties of different working fluids

3.1 空氣源熱泵循環(huán)性能分析

正如前文所述，封閉冷通道的數(shù)據(jù)中心回風(fēng)溫度一般不超過24℃，送風(fēng)溫度一般在14℃左右，因此本文主要研究了回風(fēng)溫度在16～24℃內(nèi)變化時(shí)，空氣源熱泵及能量回收系統(tǒng)的性能變化規(guī)律。圖4為采用5種不同工質(zhì)的空氣源熱泵COP隨數(shù)據(jù)中心回風(fēng)溫度的變化關(guān)系。隨著回風(fēng)溫度的升高，空氣源熱泵的蒸發(fā)溫度逐漸升高，因此系統(tǒng)COP也隨之增大。當(dāng)回風(fēng)溫度從16℃升高到24℃時(shí)，R22的COP值增加了約24.1%，而R404A，R407C，R410A和R417A的COP值分別增加22.0%，25.2%，24.0%和23.9%。另外，從圖4可以看出，4種混合工質(zhì)在相同的回風(fēng)溫度下，R410A的COP值相對最高，R404A和R417A次之，R407C的COP值最低，其COP值與R22相比降低了8.4%～13.3%。因此，在用上述混合工質(zhì)替代R22時(shí)將耗費(fèi)更大的壓縮功。

圖4 空氣源熱泵COP隨回風(fēng)溫度的變化關(guān)系Fig.4 Variations of COP of the air source heat pump in terms of return air temperature

3.2 基于空氣源熱泵的數(shù)據(jù)中心能量回收系統(tǒng)能耗分析

在對整個(gè)能量回收系統(tǒng)的能耗及節(jié)能效果進(jìn)行分析時(shí)，采用圖2所示的逐時(shí)室外環(huán)境溫度。圖5為整個(gè)采暖季空氣源熱泵系統(tǒng)總能耗隨回風(fēng)溫度的變化關(guān)系。由圖5可知，隨著回風(fēng)溫度的升高，采暖能耗逐漸降低，這也和圖4相同，空氣源熱泵系統(tǒng)COP值隨回風(fēng)溫度升高而升高?；仫L(fēng)溫度每升高1℃，空氣源熱泵系統(tǒng)的采暖季總能耗降低2.6%～2.9%。通過對比5種工質(zhì)可以發(fā)現(xiàn)，相同回風(fēng)溫度下采用R22的系統(tǒng)總能耗最低，而采用4種替代工質(zhì)的系統(tǒng)總能耗從低到高表現(xiàn)為R410A

圖5 采暖季空氣源熱泵總能耗隨回風(fēng)溫度的變化關(guān)系Fig.5 Variations of annual heating energy consumption of the air source heat pump in terms of return air temperature

在研究該能量回收系統(tǒng)采暖季節(jié)能效果時(shí)，分別分析了空氣源熱泵系統(tǒng)和機(jī)房空調(diào)機(jī)組節(jié)能量，結(jié)果如圖6所示。

圖6 能量回收系統(tǒng)年節(jié)電量隨回風(fēng)溫度變化關(guān)系Fig.6 Variations of COP of the air source heat pump in terms of return air temperature

由圖6可見，隨著數(shù)據(jù)中心回風(fēng)溫度的升高，空氣源熱泵系統(tǒng)和機(jī)房空調(diào)機(jī)組的節(jié)能量均逐漸增加，且空氣源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能量變化更為顯著。在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于回風(fēng)溫度受數(shù)據(jù)中心空氣冷卻形式以及設(shè)備冷卻需求的限制，提高回風(fēng)溫度將增大機(jī)房空調(diào)機(jī)組的能耗，因此對于一個(gè)特定的數(shù)據(jù)中心，其回風(fēng)溫度一般不會大幅度波動。在相同回風(fēng)溫度下，除R407C的系統(tǒng)節(jié)能量小于R22系統(tǒng)外，其他3種替代工質(zhì)的系統(tǒng)節(jié)能量均大于R22，其中R404A的系統(tǒng)節(jié)能量最大，比R22系統(tǒng)多節(jié)能2.3%～5.3%，R417A和R410A系統(tǒng)的節(jié)能效果接近，比R22系統(tǒng)高1.0%～2.9%。

3.3 基于空氣源熱泵的數(shù)據(jù)中心能量回收系統(tǒng)環(huán)保性能分析

不同回風(fēng)溫度下，空氣源熱泵的年均等效CO2排放量如圖7所示。

圖7 空氣源熱泵年均等效CO2排放量隨回風(fēng)溫度的變化關(guān)系Fig.7 Variations of annual average equivalent CO2 emission of air source heat pump in terms of return air temperature

如前文所述，空氣源熱泵總等效CO2排放量包括由制冷劑帶來的直接CO2排放和由耗能而帶來的間接CO2排放，但系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行時(shí)，由耗能而產(chǎn)生的間接CO2排放量會遠(yuǎn)大于由制冷劑本身而帶來的直接CO2排放量。因此，與圖5對比分析可見，采暖季總能耗低的系統(tǒng)，其總的等效CO2排放量也相對較低。另外，隨著回風(fēng)溫度的升高，空氣源熱泵的采暖季總能耗降低，年均等效CO2排放量量也逐漸降低。

圖8顯示了該能量回收系統(tǒng)的CO2減排量隨回風(fēng)溫度的變化規(guī)律，包括空氣源熱泵的CO2減排量和機(jī)房空調(diào)機(jī)組CO2減排量。由于這兩部分的CO2減排量均是由于節(jié)約電能消耗而帶來的，因此圖中各回風(fēng)溫度的CO2減排量與圖6中能量回收系統(tǒng)年電能節(jié)約量成正相關(guān)的關(guān)系。另外，結(jié)合圖6和圖7可以看出，隨著回風(fēng)溫度的升高，空氣源熱泵的節(jié)電量逐漸增加，而年均等效CO2排放量逐漸降低。當(dāng)回風(fēng)溫度為16℃時(shí)，空氣源熱泵的CO2減排量約占其年均等效CO2排放量的20%，而當(dāng)回風(fēng)溫度升高至24℃時(shí)約占44%。因此，就空氣源熱泵自身而言，較高的回風(fēng)溫度在提高其熱力性能和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，也更有助于提高其環(huán)保性能。

圖8 能量回收系統(tǒng)CO2減排量隨回風(fēng)溫度的變化關(guān)系Fig.8 Variations of annual CO2 emission reduction of the energy recovery system in terms of return air temperature

4 結(jié)論

本文針對數(shù)據(jù)中心能耗逐年攀升及數(shù)據(jù)中心低品位余熱難以回收利用的問題，提出了一種基于空氣源熱泵的數(shù)據(jù)中心能量回收系統(tǒng)，并采用常用的4種替代R22的混合工質(zhì)（R407C，R404A，R410A和R417A），分析了數(shù)據(jù)中心回風(fēng)溫度對空氣源熱泵循環(huán)性能、采暖季能耗、能量回收系統(tǒng)總能耗及CO2排放量的影響。主要研究結(jié)論如下。

①根據(jù)數(shù)據(jù)中心低品位余熱的特點(diǎn)，提出了一種基于空氣源熱泵的數(shù)據(jù)中心能量回收系統(tǒng)，其中空氣源熱泵的蒸發(fā)器直接置于數(shù)據(jù)中心的回風(fēng)通道中。

②在研究的溫度范圍內(nèi)，4種替代工質(zhì)的COP比較接近，但均略小于R22。隨著數(shù)據(jù)中心回風(fēng)溫度的升高，空氣源熱泵的COP值逐漸升高，在所研究的溫度范圍內(nèi)，回風(fēng)溫度每升高1℃，空氣源熱泵的采暖季總能耗降低2.6%～2.9%。

③該能量回收系統(tǒng)在提高空氣源熱泵蒸發(fā)溫度的同時(shí)，降低了機(jī)房空調(diào)機(jī)組的冷負(fù)荷，具有較好的節(jié)能效果。在相同回風(fēng)溫度下，除采用R407C的系統(tǒng)節(jié)能量略小于R22系統(tǒng)外，采用其他3種替代工質(zhì)的節(jié)能量比R22高1.0%～5.3%。

④隨著數(shù)據(jù)中心回風(fēng)溫度的升高，系統(tǒng)CO2減排量逐漸升高，其中空氣源熱泵的CO2減排效果更為顯著。當(dāng)回風(fēng)溫度從16℃升高到24℃時(shí)，空氣源熱泵的CO2減排率約從20%提高到44%。