摘要：在国家“双碳”及“东数西算”发展背景下，数据中心的余热用于供暖逐渐被重视。本文提出一种基于数据中心余热跨季节蓄热的分布式能源系统，为北方地区数据中心的余热利用提供参考方案。以某严寒地区数据中心项目为例，通过与常规数据机房余热利用方案对比，该能源系统预计约7年即可回收增量成本，且每年可降低CO₂排放约8700t。本方案可以为北方严寒地区数据中心余热利用提供参考。
引言
随着大数据、云计算等的快速发展，数据中心的建设正快速进行。但数据中心的能源消耗巨大，根据工业和信息化部、国家能源局的数据，全国数据中心耗电量由2014年的829亿kW·h增长到2020年的2002亿kW·h，占全社会总用电量的比例由1.5%增长到2.7%。预计到2025年，全国数据中心总耗电量将达到社会总用电量的4.05%。数据中心服务器等IT设备功率密度高达300~2000W/m²，且全年不间断运行，即使在系统空闲时，功率消耗仍旧为最大功率的60%~100%，而IT设备消耗的电力约97%都转化为热量。这就需要依靠空调设备来为机房降温。数据中心在工作过程中会产生大量的低品位余热，常规的数据中心是通过制冷机组或者蒸发冷却系统等将热量排走，但也会消耗大量电能。目前数据中心的余热利用也逐渐被重视，现阶段余热利用主要是冬季利用水环热泵将热量供应到周边用户进行供暖，但其他季节的余热未被利用。
本文结合某严寒地区数据中心项目情况，提出一种数据中心余热利用结合跨季节储热的更高效的余热利用模式，其适用于周边热用户需热量大于数据中心余热量的情况，为数据中心在北方严寒地区与城市供暖相结合提出一种新的模式。
1基于数据中心余热利用的区域能源供暖系统介绍
目前国内数据中心余热应用实践主要是将数据中心余热就近供应给厂内办公区域或私人空间，真正大规模应用数据中心余热解决区域供暖问题的应用很少。最主要的原因在于无法突破“围墙”，或者由于周边有城市集中供暖，余热供暖温度无法满足接入市政热网条件等。
近些年，园区分布式能源系统越来越受到重视，尤其是在国家“双碳”背景下，鼓励采用清洁能源和可再生能源等用于供暖，园区自建低碳供能系统(供冷、供暖、供电)已逐渐成为一种发展趋势。分布式能源系统更贴近用户，目前新建建筑内供暖设备（风机盘管、地板辐射供暖等)基本上温度要求均在60℃以下，该温度为数据中心余热的利用提供了有利的条件。数据中心余热利用的区域能源供暖方案未来也将成为北方地区较好的供暖解决方案。
数据中心全年产生余热，如果仅在冬季利用，其他几个季节的热量都会浪费，为此本研究中将地源热泵系统与数据中心余热进行结合，从而充分利用其他季节的余热。
如图1所示，夏季利用地源热泵为数据中心供冷，冬季利用水环热泵为周边用户供暖，同时可利用地源热泵将夏季存储至地下的热量提取出来为周边用户冬季供暖。
图1 数据中心余热利用运行模式
该方法适用于北方地区数据中心周边有大量供热需求的场景。尤其是北方严寒地区，常规的供热方式如燃气、燃煤锅炉等存在碳排放较高的问题；常规的热泵供暖，如空气源热泵、多联机等存在低温情况下效率低、供能效果不佳的问题。
采用传统的地源热泵为数据中心供冷相较于蒸发冷却供冷技术并不具备经济性，传统的地源热泵单纯为用户供热也会存在地热不平衡的问题。通过将二者结合，可以有效解决经济性和地热不平衡的问题。对于数据中心，该方案相较于蒸发冷却和自然冷却会增加运行费用，但是统筹数据中心供冷和周边用户供热可以大幅度减少运行费用，同时将能耗分摊，也可显著降低数据中心PUE值。
2节能性分析
本文以北方严寒地区为例，其全年供暖周期从10月15日至次年4月15日。周边用户主要以供暖需求为主，且供暖需求大于数据中心供冷需求。针对数据中心机房的空调系统，国内通常采用高温冷水设计，冷水回水温度约为15~20℃，一般系统设定后，数据机房的冷水温度全年恒定。基于以上条件，对以下3种模式进行能耗分析。
模式1：数据中心、周边用户各自单独设置冷热源。数据中心采用蒸发冷却设备全年供冷；周边用户供暖期采用空气源热泵供暖，如图2所示。
图2 模式1原理示意图
模式2：数据中心非供暖季采用蒸发冷却设备进行供冷，冬季利用余热热泵同时为数据中心供冷和周边用户供暖，供暖不足部分采用空气源热泵补充，如图3所示。
图3 模式2原理示意图
模式3：数据中心非供暖季采用浅层地源热泵系统进行供冷，将余热储存于地热井中，冬季利用地源热泵为周边用户供暖；冬季利用余热热泵同时为数据中心供冷和周边用户供暖，如图4所示。
图4 模式3原理示意图
针对以上3种模式，综合考量数据中心供冷能耗和周边用户供暖能耗，在同样供热量和供冷量的基础上，对3种模式的耗电量进行分析，结果见表1。
注：1)供暖季与非供暖季按照1∶1考虑。
2)本表仅用于对比分析，对相同供冷、供热量的电耗进行分析。
3)以上计算均为纯理论计算，实际过程中会有热损耗及效率损失，会导致能耗降低幅度减小。
4)蒸发冷却COP为12；空气源热泵COP为3；地源热泵供冷COP为8(高温供冷)，地源热泵供暖COP为6；余热热泵COP为6。
3新模式的适宜性分析
从国家的东数西算布局来看(见表2)，目前选定的枢纽节点，主要分为2种，一是由于周边用量需求较大，二是因为当地资源条件等因素。
表2 国家东数西算布局
其中第二部分区域如甘肃、宁夏及内蒙古地区，都属于北方严寒地区，通常数据中心都集中设置在部分新区位置等，周边有大量用户需要供暖，且市政供暖通常无法满足。在这种情况下，数据中心的余热用于区域供暖对于地区节能减排有着重要意义。
此外，本方案的应用需要结合周边用户的供暖需求及数据中心的供冷需求进行定制化设计，要在保障数据中心稳定安全运行的前提下，实现余热的科学回收。
4新模式的应用分析
4.1应用项目概况
本项目位于北方某地区，该区域为严寒地区，全年供暖期时长5个月(当年的11月1日至次年的3月31日)，全年供暖需求较多，供冷需求较少。如图5所示，数据中心规划在双创园区内设置，规划机柜数量3000台，单机柜功率8kW。周边需要供暖区域包括产业园区、北边的大学、东侧会展中心区域及西侧的办公区域，总供暖面积约177万m²，见表3。
图5 供能范围
表3 供能建筑面积统计
4.2项目供暖负荷计算
本项目各建筑均有明显的使用特点，大学校园在最冷月由于学生放寒假，供暖需求不大；会展中心建筑冬季办展很少，或办展时仅使用部分区域，供暖需求不稳定；体育中心的使用特点与会展中心类似，除了游泳中心需要经常使用外，其他区域供暖需求同样不稳定；双创园区主要以产业办公为主，白天负荷较大，较稳定。本项目负荷计算时，利用区域能源分析计算软件进行负荷模拟过程中，对教育建筑、办公建筑、体育建筑、会展建筑等分别建立了时间表。该计算方法相较于传统的指标法，充分考虑了不同建筑间的同时使用系数，使得负荷预测更加精准，也为之后的全年能耗分析提供计算基础。
由数值模拟计算结果可知，见图6，本项目热负荷约70MW，折合热指标约40W/m²，耗热量约29万GJ。由负荷分析结果来看，在1—2月中间有段时间负荷降低幅度较大，主要是考虑此时间段为寒假假期，学校区域供暖需求显著降低。
图6 全年逐时负荷曲线
4.3能源方案
本项目数据中心设置3000台机柜，单个机柜功率约8kW，按单个设备功率因数为0.9、设备需用系数为0.7计算，则设备的冷负荷约为15MW，冷负荷基本稳定。以此为基础对系统能源方案进行配置。
数据中心供冷：数据中心夏季及过渡季利用地源热泵供冷，冬季利用余热热泵供冷。
周边用户供暖：数据中心余热热泵为数据中心供冷的同时可以为周边用户供暖，同时利用地源热泵将其他季节蓄存到土壤中的热量提取出来在冬季为周边热用户供暖，其余部分利用电锅炉+蓄热来补充，系统配置见图7。
图7 能源系统配置
4.4能源方案对比
基于前文分析的3种模式，进行3种能源方案的经济性对比，见表4。方案1为上述能源方案，配置15MW余热热泵系统、15MW地源热泵系统及40MW电锅炉+蓄热系统；方案2为仅冬季利用数据中心余热，配置15MW余热热泵系统、15MW空气源热泵系统及40MW电锅炉+蓄热系统；方案3为常规能源系统，配置30MW空气源热泵系统及40MW电锅炉+蓄热系统。
表4 3种方案对比分析
注：目前该地区市政供暖单价为6.3元/(m²·月)，供暖时长为5个月。电价均价为0.52元/(kW·h)。
通过对3种方案进行全寿命周期成本分析(见图8)可知，方案1虽然初投资较大，但其每年运行费用最低，预计约7年即可回收增量成本。而且方案1全年碳排放量最低，相较于方案2和方案3，最多每年可降低排放CO₂约8700t。根据目前的碳价，未来纳入碳交易市场后，预计每年可增加约60万元碳交易收入。
图8 3种方案全寿命周期成本对比分析
5结束语
数据中心余热利用潜力巨大，但目前由于温度水平不合适、热量需求不足、投资成本高、数据中心运营商与城市供暖公司的利益冲突及商业模式不完善等因素，导致余热利用受阻。但正如前文分析，其在区域/园区供暖领域具有很大优势。未来随着区域/园区供冷、供暖的发展，数据中心的余热利用必然会被逐渐重视。在国家“双碳”目标的要求下，未来数据中心余热用于分布式供能将成为主要的应用方向。希望本文的分析能对未来数据中心余热利用提供一些参考，为国家低碳发展作出一定贡献。
本文作者：（中国建筑西北设计研究院有限公司）李文涛，周敏，许安琪，苏晓宁。
