數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻及余熱回收系統(tǒng)技術(shù)分析

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(cè)研究院,河南 鄭州 450000)

0 引言

近年來(lái),隨著信息化的高度發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算及移動(dòng)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(méi)有被充分利用，造成極大的損失。

國(guó)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(diǎn)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(jì)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(duì)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(duì)該方案進(jìn)行技術(shù)分析。

1 背景情況

2018年中國(guó)數(shù)據(jù)中心總耗電量超過(guò)1 608億kWh[6]，占全國(guó)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(zhǎng)[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(shì)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(shí)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(jì)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(jiǎn)述

在全國(guó)大部分地區(qū)，自來(lái)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(lái)水中蘊(yùn)藏著巨大的冷量，居民在生活中對(duì)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(lái)水中，則減少了居民對(duì)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(lái)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(lái)水溫度在6～27 ℃之間變化，而自來(lái)水源水溫度和自來(lái)水溫度基本相同，甚至更低，因此自來(lái)水源水可作為數(shù)據(jù)中心冷源或冷卻水，冬季和過(guò)渡季可把水廠中經(jīng)過(guò)混凝、絮凝、沉淀過(guò)濾后的中間過(guò)程源水通過(guò)板換和冷凍水換熱，為數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)供冷，實(shí)現(xiàn)免費(fèi)冷卻，而吸收機(jī)房余熱的源水進(jìn)入自來(lái)水廠制備自來(lái)水，可把數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備余熱回收到自來(lái)水中，夜間自來(lái)水供應(yīng)量較小時(shí)，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(lái)水溫度較高時(shí)，把處理后的中間過(guò)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(lái)水廠制備自來(lái)水，夜間自來(lái)水供應(yīng)量較小時(shí)，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(shí)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(lái)水源水對(duì)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(lái)水廠貼建，可減少管道長(zhǎng)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(jì)

源水現(xiàn)經(jīng)過(guò)水廠預(yù)處理后，供入數(shù)據(jù)中心對(duì)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(lái)水，最后接入市政自來(lái)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(yùn)行管理方面有如下優(yōu)勢(shì)：

(1)自來(lái)水廠位于數(shù)據(jù)中心下游，自來(lái)水源水在水廠經(jīng)過(guò)混凝、沉淀、澄清、過(guò)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(guò)濾、消毒殺菌等水處理，因此不會(huì)污染自來(lái)水，空調(diào)換熱設(shè)備初投資低，運(yùn)行管理簡(jiǎn)單，水廠熱損失較少，回收IT設(shè)備余熱較多。

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

(3)由于對(duì)數(shù)據(jù)中心冷卻后的中間過(guò)程源水直接被供至水廠處理成自來(lái)水而不排至河流，不影響河流的溫度場(chǎng)，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(lái)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(jì)算，而數(shù)據(jù)中心供冷系統(tǒng)設(shè)備按照實(shí)際需求選型，方法和不采用此方案選型方法相同，自來(lái)水廠一二級(jí)泵及中間水泵揚(yáng)程按照實(shí)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(guò)程水，因此不會(huì)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(lái)水水源；2-級(jí)泵；3-自來(lái)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(guò)濾處理;13-消毒殺菌處理;14-清水池;15-二級(jí)泵

3 自來(lái)水源水條件

3.1 自來(lái)水溫度參數(shù)分析

自來(lái)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(lái)水溫度在6到27℃變化，如下表一所示。

表1 北京某水廠自來(lái)水全年月平均溫度

3.2 自來(lái)水供應(yīng)量分析

自來(lái)水廠日供水量逐時(shí)變化曲線如下圖2所示。

圖2 城市自來(lái)水用水量隨時(shí)刻的變化曲線[3]

自來(lái)水供應(yīng)在夜間20點(diǎn)至凌晨5點(diǎn)之間為一天中的最小時(shí)段，共9 h，平均供應(yīng)量約為日供水量的1.65%，在凌晨5點(diǎn)到晚上20點(diǎn)之間為供應(yīng)最大時(shí)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(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可在全天最大限度利用自來(lái)水源水供冷。

4 數(shù)據(jù)中心應(yīng)用分析

4.1 設(shè)計(jì)舉例

以日產(chǎn)自來(lái)水量10萬(wàn)t的水廠為例：由上圖2可知：夜間20點(diǎn)到凌晨5點(diǎn)時(shí)的小時(shí)用水量最小，約為：100 000×1.65%=1 650 t/h，凌晨5點(diǎn)到晚上20點(diǎn)的小時(shí)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(jì)總機(jī)柜數(shù)為4 500個(gè)，設(shè)計(jì)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(jì)供回水溫差/℃；數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷凍水設(shè)計(jì)供回水溫度15/22 ℃。

設(shè)計(jì)自來(lái)水源水自由卻時(shí)供回水溫度設(shè)計(jì)為：13/20 ℃；由表1可知：一年中1～3月和11～12月份(共計(jì)151天)自來(lái)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(lái)水源水提供；而4至10月的月平均自來(lái)水溫度大于13 kWh(共計(jì)214天)，空調(diào)系統(tǒng)需開(kāi)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(shí)自來(lái)水源水作為冷機(jī)的冷卻水，在自來(lái)水源水供水量較小時(shí)段，由冷卻塔補(bǔ)充為電制冷冷機(jī)提供冷卻水，在自來(lái)水源水供應(yīng)量較大時(shí)段，電制冷冷機(jī)冷卻水全部由自來(lái)水源水提供。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如下圖3所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)4套空調(diào)冷凍水自來(lái)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(lái)水源水泵；2-過(guò)濾器；3-自來(lái)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(guò)濾設(shè)備;12-消毒殺菌;13-清水池;14-二級(jí)泵;15-一級(jí)泵；V1-V8電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥

4.3 運(yùn)行策略

空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)，根據(jù)白天和夜間不同時(shí)段自來(lái)水供水量不同，調(diào)節(jié)自來(lái)水源水換熱單元和電制冷冷機(jī)供冷單元運(yùn)行臺(tái)數(shù)，冬季過(guò)渡季自然冷卻時(shí)，由自來(lái)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(yùn)行時(shí)，自來(lái)水源水作為電制冷冷機(jī)冷卻水運(yùn)行。根據(jù)圖3系統(tǒng)在自然冷卻和電制冷冷機(jī)供冷時(shí)兩種運(yùn)行模式見(jiàn)表2。

表2 運(yùn)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(jì)供回水溫度，因此自來(lái)水源水側(cè)可采用7/20 ℃運(yùn)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(yùn)行時(shí)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(yùn)行還應(yīng)盡可能提高冷凍水供回水溫度，延長(zhǎng)源水自然冷卻時(shí)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(shí)，全年計(jì)算PUE小于1.20。

5 節(jié)能計(jì)算

5.1 自由冷卻運(yùn)行時(shí)熱回收計(jì)算

當(dāng)自來(lái)水源水溫度小于等于13 ℃時(shí)，系統(tǒng)自然冷卻運(yùn)行，余熱回收分兩個(gè)時(shí)段計(jì)算。

在夜間20點(diǎn)到凌晨5點(diǎn)時(shí)(共計(jì)9 h)，自來(lái)水供應(yīng)量約為：1 650 t/h，僅1套源水換熱單元供冷運(yùn)行，每小時(shí)回收熱量q1為：

q1=m1cpΔt/3.6=13 410 kW

(1)

式中m1——自來(lái)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(diǎn)到20點(diǎn)時(shí)(共計(jì)15 h)，自來(lái)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(shí)段小時(shí)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(yùn)行小時(shí)數(shù)；

15——白天自由冷卻運(yùn)行小時(shí)數(shù)。

5.2 電制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)熱回收計(jì)算

電制冷冷機(jī)供冷(即自來(lái)水源水溫度大于13℃時(shí))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(shí)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(shí)，源水自由冷卻供冷單元和冷機(jī)+冷卻塔供冷單元混合運(yùn)行，故k取1.10。

5.3 全年有效回收余熱計(jì)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(yùn)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(lái)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(lái)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(méi)有保溫取大值。

5.4 全年余熱回收可節(jié)省標(biāo)煤計(jì)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(jì)算：

(1)冷卻塔輔助散熱量計(jì)算

自由冷卻運(yùn)行時(shí)夜間20點(diǎn)到凌晨5點(diǎn)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(yùn)行時(shí)夜間20點(diǎn)到凌晨5點(diǎn)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(shí)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(yùn)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(wàn)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(yùn)行PUE計(jì)算：

空調(diào)冷凍水設(shè)計(jì)供回水溫度為15/22 ℃時(shí)，根據(jù)表1可知，北京地區(qū)全年完全自然冷卻運(yùn)行時(shí)間約為5～6個(gè)月，全年P(guān)UE計(jì)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(lái)水量和標(biāo)煤量、節(jié)省的水費(fèi)以及為居民節(jié)省的天然氣費(fèi)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(jì)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(fèi)用遠(yuǎn)大于表4計(jì)算值。

表4 居民節(jié)約天然氣用量計(jì)算

表5 年節(jié)約水費(fèi)計(jì)算

表6 年節(jié)能減排計(jì)算

2018年全國(guó)數(shù)據(jù)中心總用電量超過(guò)1 608億kWh，以18.4%的熱回收效率計(jì)算，每年回收余熱約為：1 608×18.4%×3.6×106×10-9=8 589萬(wàn)GJ，節(jié)約1.6億t自來(lái)水、節(jié)省363.6萬(wàn)t標(biāo)煤、減少碳排放945.5萬(wàn)t、二氧化硫8.7萬(wàn)t和氮氧化合物2.5萬(wàn)t，而數(shù)據(jù)中心總用電量每年增長(zhǎng)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(dú)立的自來(lái)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(wú)差別，投資回收期見(jiàn)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(lái)水廠貼建，采用自來(lái)水中間處理過(guò)程的源水對(duì)數(shù)據(jù)中心冷卻不僅可全年回收IT設(shè)備余熱，用來(lái)提高自來(lái)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(yùn)行成本，當(dāng)冷凍水供回水溫度提高至18/24 ℃時(shí)，全年P(guān)UE低于1.20。

(2)經(jīng)計(jì)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(lái)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(duì)生活熱水用熱的需求。