陳姝伊, 張泉*, 鄒思凱, 王加強, 雷建軍, 孟凡希, 鄒鑫鵬

(1.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院, 長沙 410000; 2. 華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院, 南昌 330000;3.中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院, 長沙 410000; 4. 湖南云巢科技有限公司, 郴州 423000)

隨著數(shù)字經(jīng)濟的加速發(fā)展,數(shù)據(jù)中心已成為不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施。據(jù)統(tǒng)計[1],2021年中國數(shù)據(jù)中心總耗電量達到2 166億kW·h,約占全國總用電量的2.6%,其高耗能問題受到了社會的廣泛關(guān)注。數(shù)據(jù)中心全年8 760 h不間斷運行,冷卻系統(tǒng)能耗約占數(shù)據(jù)中心總能耗的40%左右[2],降低冷卻系統(tǒng)能耗對于提升數(shù)據(jù)中心能效至關(guān)重要。

研究者們提出了多種數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)節(jié)能技術(shù),其中節(jié)能效果尤為突出的是自然冷卻技術(shù)[3],主要包括風(fēng)側(cè)自然冷卻[4]和水側(cè)自然冷卻[5]。相比于風(fēng)側(cè)自然冷卻,水側(cè)自然冷卻技術(shù)不受空氣品質(zhì)影響,冷量傳輸效率高,是應(yīng)用最廣泛的自然冷卻技術(shù)。東江湖數(shù)據(jù)中心采用湖水作為自然冷源,全年平均能源使用效率(power usage effectiveness,PUE)可達到1.14,遠優(yōu)于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心[6]。然而,冷卻系統(tǒng)將數(shù)據(jù)中心運行過程中產(chǎn)生的大量余熱直接排入湖水中,減少了自然水體的可用冷量,余熱回收可以有效減少熱排放,同時進一步降低冷卻系統(tǒng)能耗,提高機房能效,因此,如何高效回收余熱已成為數(shù)據(jù)中心節(jié)能的重點突破方向。

目前數(shù)據(jù)中心余熱回收主要采用區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)技術(shù),通過熱泵消耗少量電能提高余熱的溫度水平,再由供熱網(wǎng)絡(luò)接入用熱建筑[7],平衡了數(shù)據(jù)中心園區(qū)的冷熱負荷,提高系統(tǒng)能效比[8],部分研究者對其應(yīng)用進行了理論研究:He等[9]提出采用17.5～20.8 ℃的冷凍水作為分布式冷卻數(shù)據(jù)中心余熱回收的熱源,與燃煤鍋爐供暖相比,每年可節(jié)約1.8萬t標準煤,節(jié)能率約10%。景淼等[10]重點研究了水環(huán)熱泵多聯(lián)機余熱回收技術(shù)的應(yīng)用,從風(fēng)冷冷水機組15 ℃冷凍水回水中提取熱量,與風(fēng)冷多聯(lián)機系統(tǒng)相比全年用電量減少31%。崔科等[11]利用自來水廠源水冷卻數(shù)據(jù)中心,并回收余熱用于制備生活熱水,結(jié)果表明,當(dāng)自來水源水回水溫度為20 ℃時,全年有效余熱回收效率可達18.4%,節(jié)省生活熱水燃氣費1 767萬元。目前多數(shù)研究將余熱回收系統(tǒng)與傳統(tǒng)機械制冷系統(tǒng)耦合,然而對于湖水源自然冷卻系統(tǒng),冷卻水回水溫度為21～23 ℃,從冷卻水回水側(cè)取熱,熱源溫度更高,有利于提高余熱回收效率,系統(tǒng)節(jié)能效果更好。

余熱回收系統(tǒng)在實際工程應(yīng)用時,由于區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)用能特點,熱泵供熱在時間上存在供需不平衡現(xiàn)象。為解決供需矛盾,研究者通常在系統(tǒng)中加入柔性儲能手段解決其不匹配問題[12-13],Knudsen等[14]提出利用蓄熱罐實現(xiàn)余熱回收系統(tǒng)的負荷調(diào)峰,并通過動態(tài)模擬和模型預(yù)測控制相結(jié)合的方法分析其效果,結(jié)果表明,體積為1 500 m3的蓄熱罐可在6個月內(nèi)削減系統(tǒng)12%的峰值熱負荷。尹亮[15]基于對某數(shù)據(jù)中心園區(qū)人員加班情況的調(diào)查,采用水蓄冷技術(shù)削峰填谷,優(yōu)化設(shè)備運行策略,優(yōu)化結(jié)果表明,余熱回收系統(tǒng)能耗降低了12%,同時降低了9%的經(jīng)營成本。上述研究主要利用儲能手段實現(xiàn)負荷削峰,考慮節(jié)能性的同時未注重地區(qū)階梯電價的經(jīng)濟性。對于數(shù)據(jù)中心,運行費用受到電價的影響比對外銷售的熱價更大,受資金限制,余熱回收技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用仍具備一定挑戰(zhàn)。

針對以上問題,現(xiàn)以東江湖大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)園為研究對象,基于夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑動態(tài)負荷特性,利用水源熱泵回收數(shù)據(jù)中心冷卻回水的熱量,用于建筑冬季空調(diào)供熱,并增設(shè)蓄熱水箱獲取峰谷電價差效益。通過建立湖水冷卻耦合余熱回收系統(tǒng)動態(tài)仿真模型,與傳統(tǒng)風(fēng)冷熱泵供熱及水源熱泵余熱回收系統(tǒng)對比,探究該系統(tǒng)的節(jié)能降費潛力,為數(shù)據(jù)中心余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 概況

東江湖位于湖南省郴州市,是中國中南地區(qū)最大的人工湖泊,流量充沛,水位穩(wěn)定,全年水溫處于11.5～16 ℃范圍內(nèi)[16]。東江湖數(shù)據(jù)中心目前實際安裝機架數(shù)約1 200個,單機架滿載功耗4 kW[11]。數(shù)據(jù)中心全年冷負荷處于4 700～5 200 kW,波動范圍小,作為余熱回收熱源可靠性較高。

選取數(shù)據(jù)中心園區(qū)內(nèi)某辦公建筑(圖1)為供熱對象,回收余熱為該建筑提供冬季空調(diào)熱源。利用EnergyPlus軟件模擬該建筑動態(tài)熱需求,空調(diào)系統(tǒng)僅在工作日的7:00—18:00開啟運行,冬季空調(diào)室內(nèi)設(shè)計溫度20 ℃,送風(fēng)設(shè)計溫度40 ℃,建筑物外墻、維護結(jié)構(gòu)及空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定均符合《公共建筑節(jié)能設(shè)計規(guī)范》GB50189—2015要求。該建筑全年逐時空調(diào)熱負荷如圖2所示,逐時熱負荷峰值僅為數(shù)據(jù)中心最小冷負荷的17.2%,余熱利用量較小。

圖1 東江湖數(shù)據(jù)中心園區(qū)規(guī)劃圖Fig.1 Construction plan of Dongjiang Lake data center campus

圖2 辦公建筑全年逐時空調(diào)熱負荷Fig.2 Hourly air conditioning heat demand of office buildings throughout the year

2 方案與建模

為有效回收機房余熱,本文研究提出了基于移峰填谷策略的余熱回收系統(tǒng),通過TRNSYS平臺建立動態(tài)仿真模型如圖3所示,該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)中心冷卻和末端供熱兩個子系統(tǒng)組成,冷卻系統(tǒng)采用湖水作為獨立冷源,與機房空調(diào)空氣處理末端(computer room air handling,CRAH)換熱,帶走服務(wù)器散發(fā)的熱量;供熱系統(tǒng)主要由水源熱泵機組和蓄熱水箱構(gòu)成。系統(tǒng)運行過程中,設(shè)定溫度參數(shù)均由設(shè)備內(nèi)置的反饋控制器(Type22)調(diào)節(jié),主要控制策略如下。

EC風(fēng)機指采用數(shù)字化無刷直流外轉(zhuǎn)子電機的離心式風(fēng)機;V4、V8為截止閥模塊,變頻模塊為迭代反饋控制器;Ys為需要控制的輸入量;Y為迭代反饋控制信號;U為調(diào)節(jié)后的輸出量圖3 湖水源數(shù)據(jù)中心余熱回收系統(tǒng)仿真模型Fig.3 Simulation model of waste heat recovery system in lake water source data center

(1)送回風(fēng)溫差控制:CRAH風(fēng)機變頻運行,控制風(fēng)機風(fēng)量使機房送回風(fēng)溫差處于設(shè)計范圍內(nèi)。

(2)CRAH送風(fēng)溫度控制:冷卻水泵變頻運行,當(dāng)CRAH送風(fēng)溫度偏離設(shè)定值時,調(diào)節(jié)冷卻水流量使送風(fēng)溫度保持在設(shè)定值。

(3)冷卻水供水溫度控制:湖水泵變頻運行,當(dāng)供水溫度偏離設(shè)定值時,反饋控制器控制湖水流量直至溫度達到設(shè)定值或湖水泵處于滿載(或最小負載)運行狀態(tài)。

擬采用兩種供熱方案與移峰填谷策略下水源熱泵聯(lián)合蓄熱水箱余熱回收系統(tǒng)進行對比分析,探究其節(jié)能降費潛力。

(1)方案1:獨立風(fēng)冷熱泵供熱。數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)與供熱系統(tǒng)相互獨立,互不影響,當(dāng)建筑存在熱需求時,風(fēng)冷熱泵開啟運行。

(2)方案2:水源熱泵余熱回收供熱。系統(tǒng)原理如圖4(a)所示。水源熱泵從冷卻水回水側(cè)回收數(shù)據(jù)中心余熱,部分冷卻水回水經(jīng)分流后進入機組蒸發(fā)器,經(jīng)循環(huán)后余熱轉(zhuǎn)移至供熱系統(tǒng),被冷卻的冷卻水回水混合后進入湖水側(cè)換熱器與湖水換熱。

圖4 余熱回收方案系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of waste heat recovery system

(3)方案3:水源熱泵聯(lián)合水箱供熱。系統(tǒng)原理如圖4(b)所示。為充分利用低谷電,最大限度節(jié)省運行費用,系統(tǒng)分為熱泵邊供邊蓄(模式1)和水箱直接供熱(模式2)兩種運行模式,利用閥門開閉控制模式切換,具體策略如表1所示。

表1 系統(tǒng)運行策略Table 1 System operating strategy

3 能耗分析

根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》GB50174—2017相關(guān)規(guī)定,從數(shù)據(jù)中心常用運行參數(shù)中選取CRAH送風(fēng)溫度23 ℃,冷卻水供水溫度17 ℃作為輸入條件進行運行能耗模擬。余熱回收系統(tǒng)總能耗由數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)能耗和供熱系統(tǒng)能耗組成,為評估不同供熱方案對于數(shù)據(jù)中心能效的影響,采用PUE評價機房節(jié)能效果,PUE越低,用于確保IT設(shè)備運行消耗的能源越少,數(shù)據(jù)中心越節(jié)能。PUE計算方式為

Precovery=Pcooling+Pheating

(1)

Pcooling=Pfan+Pchp+Plp

(2)

Pheating=Pheatpump+Phsp+Prp

(3)

(4)

式中:Precovery為余熱回收系統(tǒng)能耗,kW·h;Pcooling與Pheating分別為冷卻系統(tǒng)與供熱系統(tǒng)能耗,kW·h;Pfan為風(fēng)機能耗,kW·h;Pheatpump為熱泵機組能耗,kW·h;Plp、Pchp、Prp、Phsp分別為湖水泵、冷卻水泵、循環(huán)泵、熱水泵能耗,kW·h;PIT為IT設(shè)備能耗,kW·h;Pothers為配電設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、照明設(shè)備等其他設(shè)備能耗,kW·h。

各方案余熱回收系統(tǒng)全年總能耗及數(shù)據(jù)機房PUE模擬結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明,與方案1相比,方案2余熱回收系統(tǒng)全年總能耗降低了18.4%;在方案2的基礎(chǔ)上,方案3系統(tǒng)總能耗進一步降低了4.1%。

圖5 不同方案余熱回收系統(tǒng)全年總能耗及機房PUEFig.5 Total annual energy consumption and PUE for different waste heat recovery systems

不同方案供熱系統(tǒng)設(shè)備全年運行時間如表2所示。以方案1為基礎(chǔ),采用方案2后,供熱系統(tǒng)全年總能耗降低了46.1%,由于風(fēng)冷熱泵性能受環(huán)境溫度影響較大,相同制熱量循環(huán)性能系數(shù)(coefficient of performance,COP)僅為3.4,而水源熱泵制熱COP為5.2,因此風(fēng)冷熱泵運行能耗遠高于水源熱泵。相比于方案2,通過在余熱回收系統(tǒng)中增設(shè)蓄熱水箱,方案3供熱系統(tǒng)能耗進一步降低了41.9%。根據(jù)峰谷電價制定供熱系統(tǒng)設(shè)備運行策略后,方案3僅在谷價時段開啟熱泵機組為水箱蓄熱,減少了熱泵機組和循環(huán)泵的運行時間,進而降低了設(shè)備能耗。

表2 不同方案供熱系統(tǒng)設(shè)備全年運行時間Table 2 Full-year running time of heating system

此外,在分析時發(fā)現(xiàn),余熱回收一定程度上可以提高冷卻系統(tǒng)能效。與方案1相比,方案2和方案3采用水源熱泵回收數(shù)據(jù)中心余熱,冷卻系統(tǒng)能耗降低13.1%,PUE由1.131降至1.111。能耗降低的主要原因是:①水源熱泵回收余熱降低了冷卻水回水溫度,湖水需提供的冷量減少,湖水泵能耗明顯下降;②冷卻水回水溫度降低,冷卻水供水溫度同樣存在降低趨勢,為保持系統(tǒng)動態(tài)平衡,CRAH水側(cè)換熱溫差增大,冷卻水泵流量減小,能耗隨之降低;③CRAH風(fēng)側(cè)運行狀態(tài)不變,能耗波動僅由系統(tǒng)響應(yīng)引起,可認為不同方案下風(fēng)機能耗不變。

通過對不同方案的能耗分析可知,采用水源熱泵余熱回收相比獨立風(fēng)冷熱泵供熱具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢,根據(jù)峰谷電價制定設(shè)備運行策略并利用水箱蓄熱可以進一步降低系統(tǒng)運行能耗。

4 經(jīng)濟性分析

余熱回收系統(tǒng)總耗費主要包括初投資、運行消耗的水電費用和維護成本,計算方法如式(5)～式(8)所示[17-18]。由于數(shù)據(jù)中心采用湖水自然冷卻系統(tǒng),在計算時忽略水費。

(5)

(6)

(7)

Cop=EwQw,total+EePsystem,total

(8)

式中:Ctotal為余熱回收系統(tǒng)總耗費;Cinv為冷卻系統(tǒng)的年均投資費用;Cop,n為第n年系統(tǒng)運行消耗的水電費用;Cma,n為第n年系統(tǒng)的運維費用;CRF為資金回收系數(shù);IC為安裝費用;Zk為單類設(shè)備的初投資費用;i為平均年利率;tn為系統(tǒng)生命周期;Ew為水費單價,元/t;Qw,total為全年冷水總流量,t;Ee為電費單價,元/(kW·h);Psystem,total為全年系統(tǒng)耗電量,kW·h。

根據(jù)市場調(diào)研數(shù)據(jù),余熱回收系統(tǒng)各設(shè)備初投資價格如表3所示,平均年利率及系統(tǒng)運維費用如表4所示,湖南省峰谷電費價格如表5所示。數(shù)據(jù)中心平均壽命約為15 a,假設(shè)余熱回收系統(tǒng)生命周期與數(shù)據(jù)中心同步。對不同方案的動態(tài)回收投資期進行計算,結(jié)果如圖6所示。若以方案1為基礎(chǔ),采用方案2對數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)進行余熱回收改造,動態(tài)回收期為1.88 a,運行過程中方案2每年可節(jié)省19.7%的運行電費;若在方案2的基礎(chǔ)上,采用方案3對系統(tǒng)進一步改造,動態(tài)回收期為5.91年,相比方案2,供熱系統(tǒng)年節(jié)費率為64.4%,進一步提高了余熱回收系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

表3 余熱回收設(shè)備初投資價格Table 3 Initial investment price of waste heat recovery equipment

表4 平均年利率及系統(tǒng)運維費用Table 4 Average APR and system O&M costs

表5 湖南省峰谷電價Table 5 Peak and valley electricity price in Hunan Province

圖6 不同方案的動態(tài)回收期Fig.6 Dynamic payback period for different schemes

方案3初投資較大,但加入移峰填谷策略后系統(tǒng)設(shè)備在高峰及平段運行的時間減少,運行電費降低,且數(shù)據(jù)中心運行時間越長,節(jié)費效果越顯著。可見,移峰填谷策略下數(shù)據(jù)中心水源熱泵聯(lián)合蓄熱水箱余熱回收系統(tǒng)具有較高的經(jīng)濟性。

5 結(jié)論

以東江湖數(shù)據(jù)中心湖水源自然冷卻系統(tǒng)為對象,模擬分析了移峰填谷策略下水源熱泵余熱回收聯(lián)合蓄熱水箱供熱系統(tǒng)的運行性能,并討論其節(jié)能性與經(jīng)濟性,旨在為數(shù)據(jù)中心余熱利用方案設(shè)計與系統(tǒng)節(jié)能運行提供理論支撐,得出如下結(jié)論。

(1)利用水源熱泵回收數(shù)據(jù)中心余熱用于辦公建筑供熱,當(dāng)余熱利用率為17.2%時,與傳統(tǒng)風(fēng)冷熱泵供熱相比,供熱系統(tǒng)節(jié)能率為46.1%;根據(jù)峰谷電價策略,增設(shè)蓄熱水箱與水源熱泵聯(lián)合供熱,供熱系統(tǒng)節(jié)能率相比水源熱泵余熱回收系統(tǒng)進一步提高了41.9%,節(jié)能效果顯著。

(2)回收數(shù)據(jù)中心余熱有利于提高冷卻系統(tǒng)能效。當(dāng)CRAH送風(fēng)溫度23 ℃、供水溫度17 ℃、余熱利用率為17.2%時,從湖水冷卻系統(tǒng)冷卻水回水側(cè)取熱,冷卻系統(tǒng)能耗降低了13.1%,機房PUE由1.131降至1.111。

(3)以傳統(tǒng)風(fēng)冷熱泵供熱為基礎(chǔ),采用水源熱泵余熱回收每年可節(jié)省19.7%的運行電費,動態(tài)回收期為1.88 a;在水源熱泵余熱回收方案上增設(shè)蓄熱水箱,減少了熱泵在高峰電價的運行時間,供熱系統(tǒng)節(jié)費率進一步提高了64.4%,動態(tài)回收期為5.91 a,社會經(jīng)濟效益顯著。