数据中心水环热泵余热回收系统分析与应用

景淼 贾峻

（北京电信规划设计院有限公司，北京 100048）

1 概述

数据中心电能主要用于IT 设备、电力设备、制冷设备等。其中，IT 设备电能几乎全部转换为热能，通常这些热能以废热的形式通过空调系统排放至大气中。数据中心全年7×24 小时不间断运行，其废热具有持续不间断、随季节变化幅度较小、温度相对较低等特点。电能属于高位能源，数据中心通过采用余热回收再利用技术，将余热用于建筑供热、生活热水等，可以减少碳排放，提高能源利用效率。

2 水环热泵集中空调余热回收系统

2.1 概况

水环热泵余热回收系统是通过水源热泵设备，冬季将数据中心空调水中的热量转移到舒适性空调水系统中，夏季将舒适性空调水系统的热量转移到冷却水系统中。

水环热泵余热回收系统可从数据中心空调冷冻水或冷却水中提取热量，分为水环热泵多联机余热回收系统、水环热泵集中空调余热回收系统。

2.2 水环热泵多联机余热回收系统

水环热泵多联机余热回收系统（以下简称多联机余热回收系统）夏季利用水环热泵多联机主机制冷，空调系统热量由冷却塔排出；冬季利用数据中心废热，从数据中心制冷系统的冷冻水或冷却水中提取热量，通过水环热泵多联机主机进行余热回收。图1 为采用风冷集中空调系统的数据中心多联机余热回收系统原理示意图。

图1 多联机余热回收系统原理示意图

2.3 水环热泵集中空调余热回收系统

水环热泵集中余热回收系统（以下简称集中余热回收系统）夏季利用水源热泵机组制冷，空调系统热量由冷却塔排出；冬季利用数据中心废热，从数据中心制冷系统的冷冻水或冷却水中提取热量，通过水源热泵机组进行余热回收。图2 为采用风冷集中空调系统的数据中心集中余热回收系统原理示意图。

图2 集中余热回收系统原理示意图

3 余热回收系统节能性分析

冷源设备能耗在空调系统中占比大，为分析两种水环热泵余热回收系统的应用场景，本文对冷源主设备能耗进行对比。多联机余热回收系统主设备为水源热泵多联机主机，集中余热回收系统主设备为水源热泵机组。两种余热回收空调系统主设备能耗对比见表1。

表1 余热回收系统主设备能耗对比

冬季多联机余热回收系统COP 高，节能性好；夏季集中余热回收系统COP 高，节能性好。因此，选择空调系统时应依据冷、热负荷进行全年能耗分析。对于热负荷大、供热时间长的地区，多联机余热回收系统节能性好；对于冷负荷大、供冷时间长的地区，集中余热回收系统节能性好。

4 余热回收系统适用性分析

多联机余热回收系统与集中余热回收系统的特点见表2。多联机余热回收系统可以避免空调水管进入房间，冬季利用余热供暖的电池室适于采用此系统；水源热泵多联机主机单台供热/供冷量小，在供热/供冷量小的场所，如数据中心机房楼，适宜采用多联机余热回收系统。集中余热回收系统可实现远距离热量/冷量输送，水源热泵机组单台供热/供冷量大，对园区内供热/供冷量大的运维楼或需要向周边建筑供热/供冷时，尤为适宜。

表2 余热回收系统对比

5 应用分析

5.1 概况

北方某数据中心园区包含机房楼、动力楼各一栋，总面积为2.27 万平方米。机房楼、动力楼内附属区域、公共用房等夏季需供冷、冬季需供暖。

该项目设置工艺性空调系统、舒适性空调系统。工艺性空调系统以满足数据中心设备需求为主，全年供冷；舒适性空调系统以满足室内人员舒适感为主，夏季供冷、冬季供暖，设置于ECC、办公、走道、卫生间等场所。

5.2 工艺性空调系统

工艺性空调冷负荷为11950kW，冷源采用风冷冷水机组，冷冻水供/回水温度10/15℃，空调系统全年供冷。

5.3 舒适性空调系统

该项目位于北方寒冷地区，舒适性空调夏季供冷、冬季供热，夏季冷负荷为297kW，冬季热负荷为795W。该项目工艺性空调全年不间断供冷运行，在冬季可为舒适性空调提供充足热量。舒适性空调冬季供热负荷较高且供热时间较长，需要选择供热时更为节能的系统，因此该项目采用多联机余热回收系统，如图1 所示。冬季，通过多联机主机从工艺性空调系统的冷冻水回水中提取热量，多联机主机水侧进/ 出水温度为15/10℃。夏季，通过冷却塔排除舒适性空调系统热量，多联机主机水侧进/出水温度为32/37℃。末端空调与常规多联机系统相同，室内机根据吊顶形式采用嵌入式或风管式。考虑到数据中心运行初期机房余热量有可能不能满足舒适性空调供热需求，该项目设置电锅炉作为辅助热源补充供热。

5.4 节能性分析

该项目冬季供热时间按11 月1 日至次年3 月31 日，夏季供冷时间按6 月15 日至9 月15 日，供冷工况空调运行时间按每天8 小时考虑，供热工况空调按全天运行考虑。多联机余热回收系统、集中余热回收系统、风冷多联机系统全年用电量见表3，用电量对比如图3 所示，用电量未计入初期余热不足时辅助热源用电量。

表3 三种空调系统用电量

图3 三种空调系统用电量对比

冬季供热工况，多联机余热回收系统与集中余热回收系统相比用电量减少29%，与风冷多联机系统相比用电量减少40%；夏季供冷工况，多联机余热回收系统与集中余热回收系统相比用电量增加11%，与风冷多联机系统相比用电量增加55%。多联机余热回收系统与集中余热回收系统相比全年用电量减少23%，与风冷多联机系统相比全年用电量减少31%。综上，该项目采用多联机余热回收系统节能效果最佳。

6 结论

采用风冷集中式空调系统的数据中心，利用水环热泵机组可从数据中心空调冷冻水中回收余热，为数据中心及周边建筑提供采暖及生活热水。

数据中心需根据余热回用场所要求，综合分析空调系统全年能耗，合理选择余热回用空调系统形式。多联机余热回收系统适用于供热为主、热负荷小的建筑，不允许水管进入房间或有分室计量要求的场景。集中余热回收系统适用于供冷为主、热负荷大的建筑，或需向周边建筑供热的场景。