数据中心余热在城镇供热中的应用研究.pdf

74No.7 in 2023(Total Vol.51.No.389)HV.&ACJournal of BEE2023年第7 期（总第51卷第3 8 9 期）暖通空调建筑节能（中英文）doi:10.3969/j.issn.2096-9422.2023.07.012数据中心余热在城镇供热中的应用研究崔科，马长明，村檀志恒，蒋凯，谢若怡（阿里巴巴集团，杭州311100)摘要：数据中心IT设备产生的余热具有总量大、品位低、稳定性好等特点，但是采用常规余热回收方案时存在供热温度低、供热半径小等问题，仅能给数据中心辅助区域供热而不能对市政供热，因此余热回收利用率极低。基于目前数据中心余热利用存在的问题，提出一种“回收数据中心余热+市政锅炉补热”的联合供热设计方案。即先利用高温水源热泵机组回收机房余热，对市政一次热网回水进行加热，再通过市政锅炉二次加热提升供水温度后供至城镇热用户。该联合供热方案能最大限度利用数据中心余热，实现能源的梯级利用，节能减排，同时具有良好的经济效益。以北京某数据中心为例，实施此供热方案，每年将减少3 2 8 6.7 t标煤消耗、3.9 3 万t水资源消耗和8 0 8 5t碳排放，并且系统的实际投资回收期小于3 年。关键词：数据中心；余热回收；高温水源热泵；城镇供热；节能减排中图分类号：TU831文献标志码：A文章编号：2096-9422(2023)07-0074-05Application of Waste Heat of Data Center in Urban HeatingCUI Ke,MA Changming,TAN Zhiheng,JIANG Kai,XIE Ruoyi(Alibaba Group,Hangzhou 311100,China)Abstract:The waste heat generated by IT equipment in data center has the characteristics of largeamount,low grade and high stability.However,when using conventional waste heat recovery plan,thereare problems such as low heating temperature and small heating range,which can only be used to heat theauxiliary area of the data center instead of municipal administration.Therefore,the recycling rate of thewaste heat is extremely low.Based on the current problems of the reuse of waste heat in data center,thispaper proposes a joint heating design plan of recovering the waste heat of the data center and thesupplementary heat of the municipal boiler.In other words,firstly the high-temperature water source heatpump unit is used to recover the waste heat in the data center,heating the return water from the municipalprimary heat supply network,and then the temperature of water supply is increased by the secondaryheating of the municipal boiler before it is supplied to the urban heat users.This joint heating plan canmaximize the usage of the waste heat of the data center,realize the cascade utilization of energy,saveenergy,reduce emissions,and has sound economic benefits.Taking a data center in Beijing for example,this heating solution can reduce 3286.7 tons of standard coal consumption,39300 tons of waterconsumption and 8085 tons of carbon emissions per year.Besides,the actual payback period of the systemis less than three years.Keywords:data center;waste heat recovery;high temperature water-source heat pump;urbanheating;energy conservation and emission reduction0引言随着大数据、云计算、人工智能的快速发展，数据中心建设迎来新的热潮。截至2 0 2 0 年3 月底，环北收稿日期：2 0 2 2-0 2-2 4；修回日期：2 0 2 3-0 7-19京区域数据中心投运机柜达17.3 5万个，在建机柜32.55万个，规划机柜2 7.6 2 万个 。同时，数据中心作为能耗大户，电力消耗逐年攀升，截至2 0 19 年，全国数据中心耗电量超16 0 0 亿kWh，占社会总用电量75崔科，等：数据！热在城镇供热中的应用研究的 2.2%2 数据中心7 2 4h不间断运行，需要全年供冷，IT设备耗电产生的热量由空调系统直接散发到室外环境中，造成大量的能源浪费。数据中心余热具有总量大、品位低、稳定性好等特点，将这部分低品位余热回收利用，供给周边居民或办公使用在欧洲、美国、日本和中国均有相关案例 3-7 。但是，由于数据中心余热温度低仅为2 1 2 6，普通水源热泵仅能把余热温度提升到50，导致供热半径小、回收难度大、余热利用率低，数据中心余热回收技术应用十分有限。故本文提出一种利用高温水源热泵回收数据中心余热+市政锅炉补热的联合供热设计方案，可使数据中心冬季产生的余热全部供至市政热网，极大地降低供暖能耗和碳排放，并以北京某数据中心为例，探讨此余热回收方案的系统设计和收益，为实际工程中数据中心余热回收利用提供参考。1#热泵供热原理热泵是采用逆卡诺循环将能量从低温热源转移到高温热源的设备，由于其仅消耗少量电能就能获得较大的供热量，节能效果十分显著，因此被广泛应用于工业和居民供热系统。热泵机组主要由四大部件组成：压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器，如图1所示。热泵机组的能效水平用制热能效比COP（C o e f f i c i e n tOfPerformance）来衡量，其计算公式见式（1），当低温热源温度越高、高温热源温度越低时，制热能效比COP越高，节能性越好。由于单级压缩能力受限制，目前高温水源热泵机组大多采用双级压缩形式，其工作原理如图1所示。低压级压缩机排气直接和来自中间冷却器的干饱和制冷剂蒸汽混合后，再由高压级压缩机压缩成高温高压制冷剂蒸汽后进入冷凝器，在冷凝器内制冷剂被冷凝成液态制冷剂对外供热。从冷凝器流出的一部分制冷剂经膨胀阀1节流后在中间冷却器中对另一部分液态制冷剂进行再冷却，这部分制冷剂变成干饱和气态制冷剂，再与低压级压缩机排气混合后进人高压压缩机再压缩，而被再冷却的另一部分制冷剂经过膨胀阀2 后进人蒸发器吸收数据中心空调系统余热，再进人低压级压缩机加压后完成一次供热循环，压烩图如图2 所示。由于增加了一级压缩，可以减少高压比带来的能耗损失，节能性更好，且能获得更高的供热温度。QkQo+WCOP(1)WW式中：Qk为单位时间内向高温热源释放的热量，kW；Q。为单位时间内从低温热源吸收的热量，kW；W为压缩机消耗的总功率，kW,即W,+Wz；W，为低压级压缩机消耗的功率，kW；Wz为高压级压缩机消耗的功率，kW。高压级压缩机低压级压缩机4321热水冷凝器蒸发器冷水385膨胀阀1膨胀阀2三7中间冷却器图1双级压缩热泵供热工作流程Igp7Q43263WQ8h图2双级压缩理论循环1gp-h图 8 2数据中心余热供至市政一次热力网分析2.1数据中心空调水系统温度大中型数据中心空调冷冻水供回水温度一般设计为15/2 1或18/2 4，部分数据中心空调冷冻水运行温度已提高至2 0/2 6 9 。随着冷板式液冷服务器和浸没式液冷服务器的广泛应用，液冷服务器冷却水供回水温度提高至3 3/3 8 或35/40。对热泵机组而言，水源侧回水温度越高,机组COP就越高，相应热水出水温度也越高，投资回收期也越短，数据中心余热利用价值更高。2.2市政供热现状现阶段我国北方城镇集中供热主要采用热电厂作为基础热源，市政区域锅炉房作为调峰热源，根据规范要求市政热源设计供水温度一般为110 150，回水温度不高于7 0，而实际运行供回水温度低于设计值10 。以北京亦庄开发区集中供热为例，市政一次热网设计供回水温度分别为12 0/6 0，而热网实际运行月平均供回水温度如图3 所示。由图3 可知，热网运行平均回水温度约53，这为采用高温水源热泵机组回收数据中心空调系统余热来提升市政热网回水温度创造了有利条件。76CUl Ke,et al.Application of Waste Heat of Data Center in Urban Heating90一8075.381471.865.167.2706050.253.655.153.452.1504030一一热水供水温度20一热水回水温度1001112123月份图3北京亦庄开发区市政一次热网运行供回水温度2.3系统方案设计利用高温水源热泵回收数据中心空调系统余热向市政一次热网回水供热，再由市政区域锅炉房继续加热至热网供水温度后供至用户，即热泵机组水源侧从机房空调冷冻回水中取热向空调系统供冷，热源侧向市政供热，使热网回水温度提升10 2 0 后再进入市政区域锅炉房继续加热，从而实现机房低温余热阶梯利用，极大提高了能源利用效率，数据中心余热回收系统流程如图4所示数据中心冷冻水系统数据中心余热市政热网供热系统接至/自机房空调接至/自机房空调水源侧冷水循环泵热泵机组热水循环水泵次东接至/自薪冷罐水源侧冷水循环泵热泵机组热水循环水刹电制冷机+自然冷印供冷单元冷却塔接全自！265-70.T冷冻水一次泵冷却泉市政一次热网回水50-55市政一次热网供水7 0-9 0电制冷机+自然60-65:冷却供冷单元冷邦塔接至/冷冻水一次菜冷却聚供暖用店市政热水循环泵冷水回水2 5市政锅炉冷水供水18 T图4数据中心余热回收系统流程图由图4可知，热泵机组热源侧热水循环泵引市政热网回水至热泵机组被加热后再供至热网回水，因此热水循环泵仅克服这部分管道和设备的局部及沿程阻力，水源侧冷冻水循环泵同数据中心空调系统一次泵，因此扬程计算同一次泵计算方法。2.4设备选型以北京亦庄某数据中心为例，年平均小时余热负荷约12 0 0 0 kW，机房空调冷冻水供回水运行温度为18/2 5。由图3 可知，亦庄一次热网回水平均温度约53，故水源热泵及循环水泵选型如表1所示，热泵机组水源侧设计供回水温度为18/2 5，热源侧设计供回水温度为6 5/53（由于多数厂家水源热泵最高出水温度为6 5，而少数厂家水源热泵出水温度可做到7 0 8 0 甚至更高，故本次热泵热源侧热水供水按照6 5设计和分析）2.5分期建设及市政热源规划建议数据中心可用余热与服务器上架率及IT设备实际运行功率有关，数据中心服务器上架率达到设计值一般需要2 3 年。由于所承载业务类型不同，IT机柜平均负载率也有差别，一般为50%8 5%，在投产初期服务器上架率及负载率较低，余热量也较小，因此余热回收系统可根据服务器上架节奏及实际IT负载率分期建设，建设原则为主管一次施工完成，热回收设备分期实施降低初投资和提高灵活性。表1主要设备选型序号设备名称型号规格数量/台制热量：3 2 50 kW；输入功率：1热泵机组5774kW;COP:4.2流量：2 6 0 m/h;扬程：2 5m;2水源侧循环水泵5电机功率：3 0 kW流量：3 2 0 m/h;扬程：3热源侧循环水泵525m电机功率：3 7 kW大型、超大型数据中心园区规划机房楼栋较多，用电负荷也较大，一般可达50 10 0 MW或更高，而数据中心全年负荷稳定，可做为市政供热基础热源，区域锅炉房作为调峰热源。如能将区域锅炉房规划在数据中心旁边，可减少数据中心和锅炉房之间余热管道初投资和敷设难度。3收益和节能减排计算3.1采暖季余热回收量及收益计算上述某数据中心月平均小时余热负荷变化如图5所示，可以看出全年负荷稳定，年均小时总余热。=12000kW，由表1可知热泵机组制热COP=4.2故采用热泵回收后小时供热量见式（2）：11Qo=qo(1+=12000 (1+=15750kWCOP_4.2-(2)采暖季总回收余热见式（3）：Q=Q。Nh 3.6 10 -3 =16 3 2 9 6 G J(3)式中：N为采暖季天数，北京为12 0 d；h为全天小时数，2 4h。采暖季供热收益：91.661632961041496.8万元。北京地区工业商业热水供暖热计量费为91.66元/GJ（热水供暖费由两部分组成：热计量费（9 1.6 6 元/GJ）和基础热费（18 元/m），本次供热收益计算仅按照热计量费测算且不考虑基础热费）。3.2热泵系统运行成本计算热泵机组小时总功耗见式（4）：Q15750N=3750kW(4)COP4.2采暖季热泵运行总耗电量见式（5）：N总=Nnh10-4=37501202410-4=1080万kW.h(5)77能源利用率：12000+3750)x365 x24 x3.=496692 GJ数掂中儿十忘耗电里：崔科，等：数据！热在城镇供热中的应用研究式中：n为采暖季天数，北京为12 0 d；h为全天小时数，2 4h。全年供热电费支出：10800.78=842.4万元（电费为0.7 8 元/kWh）需要说明的是，在采暖季数据中心原空调系统采用自然冷却供冷，余热回收系统运行后热泵机组水源侧及热源侧循环泵等同于原空调自然冷却系统冷却水泵和冷冻水泵，故计算余热回收系统运行电耗和能耗时仅需考虑热泵机组运行电耗和能耗。140001200010000800060004000200001234567891011112月份图5北京亦庄某数据中心月平均小时余热负荷3.3数据中心全年降低运营成本计算采暖季室外空气干球温度较低，因此冷却塔运行耗水量低于夏季，约为夏季的50%。以上述北京某数据中心为例，实测采暖季冷却塔耗水量为3 9 3 56 t，北京工商业用户自来水单价为9 元/t，因此节省水费为35.4万元。余热回收系统运行时热泵机组作为数据中心的冷源，还减少了原系统冷却塔风机和补水泵的电耗，实测采暖季冷却塔风机和补水泵耗电约113250kWh，因此节省电费约8.8 万元，故数据中心全年净收益约为：149 6.8+3 5.4+8.8-8 42.4=698.6万元。3.4节能减排计算采暖季回收总余热折标煤见式（6）：M,=Q 0.0401 10-36548.2 t(6)式中：Q为采暖季总回收余热，16 3 2 9 6 GJ。采暖季热泵总耗电折标煤，按照等价折标计算见式(7):Mz=N总0.3 0 5510-3=3 2 9 9.4t(7)式中：N总为采暖季热泵运行总耗电量，10 8 0 万kWh。减少水耗折标煤：M,=39365 0.0857 10-33.4 t减少冷却塔风机和补水泵耗电折标煤：M4=1132500.305510-334.6 t采暖季减少标煤消耗：M=M+M,+M4-M2=3286.8 t采暖季减少碳排放计算：Mco,=M 2.46=3286.8 2.46 8086 t需要说明的是：电力等价折标系数0.3 0 55kg/kWh，水折标煤系数0.0 8 57 kg/t，热力等价折标系数0.0401t/GJ,每吨标煤碳排放因子2.46 V/tl1,2O4数据中心能源利用率现行国内外数据中心设计评价标准及国家节能政策仅对电力利用率（PUE，Po w e r U s a g e Ef f e c t i v e n e s s）和水资源利用率（WUE，W a t e r U s a g e Ef f e c t i v e n e s s）有严格要求，忽视了对数据中心能源利用率的要求。PUE是数据中心总用电量和IT设备用电量的比值，其大小仅表示IT设备之外的辅助空调设备、配电设备效率高低及配电损耗的大小。PUE值高，则辅助空调及配电设备能效低，配电损耗大；反之，则空调及配电设备能效高，配电损耗小。而PUE无法表示数据中心IT设备把电能全部转化成热能的利用率，故要全面衡量一个数据中心能效高低不仅要考核PUE和WUE,还需考核能源利用效率（EUE，En e r g y U s a g eEffectiveness）。而对于采用冷却塔系统冷却的数据中心，EUE高，则WUE低，当EUE等于1时，则WUE趋近于0,能源利用效率计算公式见式（8）：EUE100%(8)W式中：Q为数据中心利用余热量,GJ；W为数据中心总耗电量即总余热量，GJ以上述余热回收方案计算北京某数据中心能源利用率：米EUE=Q=W=163296:49669233%而目前数据中心仅自身辅助用房及办公区需供热，一般利用机房余热供热，由于供热量小，因此能源效率极低，以上述北京某数据中心为例，冬季辅助用房及办公区供暖热负荷约6 7 0 kW，则采暖全年耗热量见式(9)10(t;-Q=0.0864 N Qh(t-ta)18-(-7.6)0.0864 120 670 9510GJ(9)18 (-0.7)式中：Q为采暖全年耗热量，GJ；N为采暖期天数,d;Qh为采暖设计负荷,kW；t；为室内设计温度,；t。为采暖期室外平均温度，；toh为供暖室外计算温度，。能源回收效率仅为EUE=9510=4966922%,因此利用数据中心余热向市政热网供热后数据中心能78CUI Ke,et al.Application of Waste Heat of Data Center in Urban Heating源利用率提高约16.5倍。5政策及投资回收期分析5.1相关政策分析国家发改委及北京、河北、浙江等地相继出台政策鼓励利用数据中心余热给周边热用户供热。北京市对余热热泵供热项目热源设备和一次管网投资给予3 0%资金支持 13 ；河北省对数据中心余热项目提供政策及税收等相关支持 14；浙江省要求开展数据中心余热创新应用，要求新建大型、超大型数据中心必须预留余热应用接口 155.2投资回收期分析对于采用高温水源热泵回收数据中心余热+市政锅炉补热的联合供热方案，市政管道及调峰锅炉一般由热力公司或合作单位投资，数据中心园区仅投资水源热泵、水源侧循环泵、热水侧循环泵、辅助配电及控制系统，此部分工作也可由热力公司或合作单位投资。静态投资回收期估算如表2 所示。表2静态投资回收期估算依据名称单价数量合计热泵机组1505台750万元冷热水循环泵1010台100万元供配电及弱电系统和设备7001套700万元管道系统及辅助设备4701套470万元土地及土建费用6751份675万元管理费、利润及税金3001份300万元总投资2995万元节约运营费698.6万元投资回收期4.3年由表2 可知，采用此联合供热方案，以北京某数据中心为例，方案总投资额约2 9 9 5万，年节省运营费用6 9 8.6 万，静态投资回收期为4.3 年。如结合国家发改委及各地方政府节能补贴政策，投资回收期会更短，以北京市对于热泵余热回收补贴固定资产总投资额的3 0%为例，方案的投资回收期缩短至3 年。未来随着数据中心被纳入碳排放交易市场，热回收在减碳方面的收益会逐步凸显，将进一步缩短余热回收投资回收期，具有较好的经济性。6结论和建议针对数据中心余热回收难度大、供热半径小的问题，以北京某数据中心为例，设计了一种利用高温水源热泵回收数据中心余热+市政锅炉补热的联合供热方案，基于分析结果，可得出如下结论：（1)数据中心余热回收利用具有十分显著的经济价值和社会价值，本案例数据中心将节省运营费用698.6万元/年，实际投资回收期小于3 年，每年还将减少3 2 8 6.8 t标煤消耗和3.9 3 万t水资源消耗，减少碳排放8 0 8 5t/a。（2)采用此联合供热方案能最大限度回收利用数据中心余热，数据中心余热通过高温水源热泵提升后作为基础热源，叠加区域锅炉房作为高峰时期补充热源，能实现能源的梯级利用。此时，数据中心能源利用率EUE高达3 3%此外,针对余热回收利用，数据中心规划选址在满足规范要求前提下，建议靠近生物医药等全年用热企业或区域锅炉房。一方面，可以全年最大限度利用数据中心余热；另一方面，可节省市政供暖管道投资。参考文献：1DCmap.2020中国IDC市场发展现状及趋势研究报告 R.2020.2】国家能源局.2 0 19 年全国电力工业统计数据 R.2020.3 Wahiroosa M,Parssinen M,Rinnea S.Future Views on Waste HeatUtilization-case of Data Centers in Northern Europe J.Renewable andSustainable Energy Reviews.2018,2(82):1749-1764.4 Qionghai H,Shuangquan S,Hainan Z,et al.Development andComposition of a Data Center Heat Recovery System and Evaluation ofAnnual Operation Performance J.Energy,2019,189(C):116200.5JE Y.Japan wants to take the Heat of Data Centers with the Help ofSnowN.Bloomberg,2020-10-29.6李金苡.浅谈利用济南某数据中心余热的供暖方式 J.建筑热能通风空调，2 0 2 1,40（9）：6 4-6 7.7李俊，郑洁，杨柳.重庆某“云计算”工业园区余热利用方案研究 J.制冷与空调,2 0 16,16(10):57-6 0.8彦启森，石文星，田长青.空气调节用制冷技术M.北京：中国建筑工业出版社，2 0 10.9中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T501742017，数据中心设计规范 S.北京：中国计划出版社,2 0 17.10中华人民共和国住房和城乡建设部.CJ342010，城镇供热管网设计规范 S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 10.11中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T25892020，综合能耗计算通则S.北京：中国标准出版社，2 0 2 0.12吴水根，谢银.浅析装配式建筑结构物化阶段的碳排放计算J.建筑施工,2 0 13,3 5(1)：8 5-8 8.【13 北京市发展和改革委员会.关于进一步加快热泵系统应用推动清洁供暖的实施意见 乙.2 0 19.14河北省发展和改革委员会.关于破解瓶颈制约助推数字经济健康发展的若干政策 Z.2021.15浙江省发展和改革委员会.浙江省推动数据中心能效提升行动方案(2 0 2 1-2 0 2 5年)Z.2021.作者简介：崔科（19 8 2），男，陕西省西安人，建筑环境与设备工程专业，高级工程师，研究方向为数据中心暖通架构和节能减排（)。