一种基于空气源热泵的数据中心能量回收系统研究

肖彪，常华伟，赵树男，舒水明

（1.空调设备及系统运行节能国家重点实验室，广东 珠海 519070；2.华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430074）

0 引言

近年来，数据中心激增的能耗问题越来越受到社会的关注。数据中心IT服务器在运行过程中会产生大量的废热，经冷却后的数据中心废热品位相对较低，这部分的低品位余热难以利用，几乎全部被浪费掉了。为实现数据中心高效用能的目标，数据中心的这一部分余热必须加以回收利用。

空气源热泵可通过消耗少量电能实现低品位热能向高品位热能的转移，具有高效、环保等特点，并且可与可再生能源相结合，在低品位余热高效回收利用系统中具有独特的优势[1]，[2]。例如，空气源热泵与太阳能复合的供暖系统在高效利用太阳能的同时，可显著提高空气源热泵在低温环境下的运行稳定性和制热效率[3]～[5]，其中太阳能集热器的出口温度可以低至10～60℃[6]，与数据中心余热品位相当。然而，目前在空气源热泵回收数据中心低品位余热方面的研究明显不足。已有的研究中，Davies[7]提出了一种基于空气源热泵的数据中心余热回收供暖系统。研究表明，对于一个3.5 MW的数据中心，采用该系统后每年可以节约100万英镑，减少CO2排放4000t以上。Wahlroos[8]调研了数据中心余热回收利用过程中存在的困难，并通过分析能源效率、经济性和环保性能等指标，研究了利用数据中心余热进行集中供暖的可行性。Mahdi和Sajad[9]通过对伊朗马什哈德市一个数据中心的余热及其附属办公建筑用能特点进行分析，提出了一种空气源热泵回收数据中心余热的系统，研究了不同工况下系统的热力性能、经济性和环保性能。结果表明，采用空气源热泵回收数据中心余热后，每年可节约35 000 m3的天然气和20.8 MW·h的电能，同时减少CO2排放约121 t。

本文在上述研究的基础上，结合我国的气象特点，针对小型数据中心机房余热回收问题，提出了一种基于空气源热泵的数据中心能量回收系统，为其邻近的一个建筑面积为500 m2的办公楼进行供暖。通过建立其数值仿真模型，重点分析了数据中心回风温度对能量回收系统的节能减排效果的影响。

1 基于空气源热泵的数据中心能量回收系统结构及描述

基于空气源热泵的数据中心能量回收系统原理如图1所示。整个系统主要由数据中心机房、机房空调机组和空气源热泵系统构成。数据中心空气冷却形式采用封闭冷通道的方法，将来自空调机组的冷空气限制在冷池内，回风温度一般低于24℃[10]。空气源热泵的蒸发器置于数据中心的回风通道中，制冷剂直接利用数据中心的余热实现蒸发；并通过压缩机的压缩形成高温高压制冷剂蒸气，然后进入冷凝器进行冷凝，并生产所需的55℃热水；冷凝后的制冷剂经过节流机构节流，变成低压的制冷剂液体或气液两相混合物再次进入蒸发器，从而完成整个热泵循环。经空气源热泵蒸发器吸热后的空气进一步与数据中心空调机组换热，冷却到14℃左右后，通过循环风机向数据中心送风，实现空气循环。

图1 基于空气源热泵的数据中心能量回收系统原理图Fig.1 Schematic diagram of the energy recovery system in data center based on air source heat pump

该能量回收系统工作过程中，一方面，数据中心24℃左右的回风提高了空气源热泵的蒸发温度，实现了办公场所采暖过程的节能；另一方面，空气源热泵蒸发器的蒸发吸热作用降低数据中心的回风温度，从而降低数据中心空调机组的冷负荷，实现数据中心机房冷却过程的节能，具有较好的节能减排效果。

武汉地区采暖季的逐时环境温度如图2所示。

图2 武汉地区采暖季逐时环境温度Fig.2 Hourly ambient temperature in heating seasons in Wuhan

本文以武汉为例，研究了该能量回收系统在整个采暖季的能耗及节能效果。武汉地区的采暖季为11月15日-次年3月15日，共计2 904 h。由于办公场所的供暖设备间歇性工作，假设采暖季空气源热泵每天运行12 h，运行时间为8：00-20：00，则由图2可知，系统运行期间最低气温为-2.78℃，最高气温为17.22℃，平均气温为6.73℃。

2 基于空气源热泵的数据中心能量回收系统建模

本研究中的空气源热泵蒸发器直接置于数据中心回风通道中，蒸发温度较高，因此采用一级压缩循环。空气源热泵系统的压焓图如图3所示。

图3 空气源热泵系统压焓图Fig.3 Pressure-enthalpy diagram of the air source heat pump system

在进行建模时作如下合理假设：①由于制冷剂在换热器及管道中的压降远小于整个系统的压力，因此忽略制冷剂在换热器及管道中的压降；②忽略整个系统（含蒸发器、冷凝器、压缩机及管道等）向环境中的漏热；③设置压缩机的吸气温度比蒸发温度高5℃，冷凝温度比生产的热水温度高5℃。循环中各状态点如图3所示。制冷剂流量m˙r可根据压缩机排气量V、转速f、压缩机出口制冷剂蒸气的比容v2计算获得，计算式为

在节流过程中，节流前后制冷剂焓值保持不变，因此节流机构出口（状态点4）的焓值h4等于冷凝器出口（状态点3）制冷剂的焓值h3。其中，h3可由冷凝压力及冷凝温度计算获得。至此，循环各状态点的参数计算完毕。

根据上述各状态点的参数即可计算获得压缩机耗功Pcom和空气源热泵的制热量Q。

式中：t为采暖时间；Wt′为相同空气源热泵直接从室外环境中吸热时的采暖季能耗，其计算方法与Wt相同。

空气源热泵的蒸发器吸热降低了数据中心空调机组的负荷，因此数据中心机房冷却过程中制冷机组能源节约量ΔWc等于空气源热泵的蒸发吸热量，其计算公式为

本文提出的数据中心能量回收系统在节约电能消耗的同时，也具有良好的环保性能，因此分别采用空气源热泵总等效温室效应指标TEWI和CO2减排量mCO2来进行评价。其中，空气源热泵的总等效温室效应主要包括由泄漏、维修或报废时排放的制冷剂而直接产生的温室效应，以及空气源热泵运行过程中由于耗能而间接产生的温室效应两部分构成，其计算公式为[12]

式中：GWP（Global Warming Potential）为制冷工质的全球变暖潜能值，χa为制冷剂年平均泄漏率，取值5%[11]；L0为初始制冷剂充注量；n为系统使用寿命；β为单位电能CO2排放量。

基于空气源热泵的数据中心能量回收系统的总CO2减排量计算公式为

根据办公场所采暖面积及节能型办公建筑的热负荷指标计算压缩机的相关参数，选择谷轮热泵热水专用涡旋压缩机ZW108KSE，压缩机相关参数如表1所示。

表1 空气源热泵压缩机参数Table 1 Parameters of the compressor in the air source heat pump

3 结果讨论与分析

R404A，R407C，R410A和R417A等混合工质具有清洁、低毒或无毒、不燃、制冷/热效果好等特点，是替代R22的几种家用空调/热泵的制冷剂。R22及4种替代工质主要的物性参数及环保性能参数见表2[13]～[16]。比较它们的性能有利于促进本文提出的能量回收系统的发展和推广应用。

表2 各工质的基本性质Table 2 Basic properties of different working fluids

3.1 空气源热泵循环性能分析

正如前文所述，封闭冷通道的数据中心回风温度一般不超过24℃，送风温度一般在14℃左右，因此本文主要研究了回风温度在16～24℃内变化时，空气源热泵及能量回收系统的性能变化规律。图4为采用5种不同工质的空气源热泵COP随数据中心回风温度的变化关系。随着回风温度的升高，空气源热泵的蒸发温度逐渐升高，因此系统COP也随之增大。当回风温度从16℃升高到24℃时，R22的COP值增加了约24.1%，而R404A，R407C，R410A和R417A的COP值分别增加22.0%，25.2%，24.0%和23.9%。另外，从图4可以看出，4种混合工质在相同的回风温度下，R410A的COP值相对最高，R404A和R417A次之，R407C的COP值最低，其COP值与R22相比降低了8.4%～13.3%。因此，在用上述混合工质替代R22时将耗费更大的压缩功。

图4 空气源热泵COP随回风温度的变化关系Fig.4 Variations of COP of the air source heat pump in terms of return air temperature

3.2 基于空气源热泵的数据中心能量回收系统能耗分析

在对整个能量回收系统的能耗及节能效果进行分析时，采用图2所示的逐时室外环境温度。图5为整个采暖季空气源热泵系统总能耗随回风温度的变化关系。由图5可知，随着回风温度的升高，采暖能耗逐渐降低，这也和图4相同，空气源热泵系统COP值随回风温度升高而升高。回风温度每升高1℃，空气源热泵系统的采暖季总能耗降低2.6%～2.9%。通过对比5种工质可以发现，相同回风温度下采用R22的系统总能耗最低，而采用4种替代工质的系统总能耗从低到高表现为R410A

图5 采暖季空气源热泵总能耗随回风温度的变化关系Fig.5 Variations of annual heating energy consumption of the air source heat pump in terms of return air temperature

在研究该能量回收系统采暖季节能效果时，分别分析了空气源热泵系统和机房空调机组节能量，结果如图6所示。

图6 能量回收系统年节电量随回风温度变化关系Fig.6 Variations of COP of the air source heat pump in terms of return air temperature

由图6可见，随着数据中心回风温度的升高，空气源热泵系统和机房空调机组的节能量均逐渐增加，且空气源热泵系统的节能量变化更为显著。在实际应用过程中，由于回风温度受数据中心空气冷却形式以及设备冷却需求的限制，提高回风温度将增大机房空调机组的能耗，因此对于一个特定的数据中心，其回风温度一般不会大幅度波动。在相同回风温度下，除R407C的系统节能量小于R22系统外，其他3种替代工质的系统节能量均大于R22，其中R404A的系统节能量最大，比R22系统多节能2.3%～5.3%，R417A和R410A系统的节能效果接近，比R22系统高1.0%～2.9%。

3.3 基于空气源热泵的数据中心能量回收系统环保性能分析

不同回风温度下，空气源热泵的年均等效CO2排放量如图7所示。

图7 空气源热泵年均等效CO2排放量随回风温度的变化关系Fig.7 Variations of annual average equivalent CO2 emission of air source heat pump in terms of return air temperature

如前文所述，空气源热泵总等效CO2排放量包括由制冷剂带来的直接CO2排放和由耗能而带来的间接CO2排放，但系统长时间运行时，由耗能而产生的间接CO2排放量会远大于由制冷剂本身而带来的直接CO2排放量。因此，与图5对比分析可见，采暖季总能耗低的系统，其总的等效CO2排放量也相对较低。另外，随着回风温度的升高，空气源热泵的采暖季总能耗降低，年均等效CO2排放量量也逐渐降低。

图8显示了该能量回收系统的CO2减排量随回风温度的变化规律，包括空气源热泵的CO2减排量和机房空调机组CO2减排量。由于这两部分的CO2减排量均是由于节约电能消耗而带来的，因此图中各回风温度的CO2减排量与图6中能量回收系统年电能节约量成正相关的关系。另外，结合图6和图7可以看出，随着回风温度的升高，空气源热泵的节电量逐渐增加，而年均等效CO2排放量逐渐降低。当回风温度为16℃时，空气源热泵的CO2减排量约占其年均等效CO2排放量的20%，而当回风温度升高至24℃时约占44%。因此，就空气源热泵自身而言，较高的回风温度在提高其热力性能和经济性的同时，也更有助于提高其环保性能。

图8 能量回收系统CO2减排量随回风温度的变化关系Fig.8 Variations of annual CO2 emission reduction of the energy recovery system in terms of return air temperature

4 结论

本文针对数据中心能耗逐年攀升及数据中心低品位余热难以回收利用的问题，提出了一种基于空气源热泵的数据中心能量回收系统，并采用常用的4种替代R22的混合工质（R407C，R404A，R410A和R417A），分析了数据中心回风温度对空气源热泵循环性能、采暖季能耗、能量回收系统总能耗及CO2排放量的影响。主要研究结论如下。

①根据数据中心低品位余热的特点，提出了一种基于空气源热泵的数据中心能量回收系统，其中空气源热泵的蒸发器直接置于数据中心的回风通道中。

②在研究的温度范围内，4种替代工质的COP比较接近，但均略小于R22。随着数据中心回风温度的升高，空气源热泵的COP值逐渐升高，在所研究的温度范围内，回风温度每升高1℃，空气源热泵的采暖季总能耗降低2.6%～2.9%。

③该能量回收系统在提高空气源热泵蒸发温度的同时，降低了机房空调机组的冷负荷，具有较好的节能效果。在相同回风温度下，除采用R407C的系统节能量略小于R22系统外，采用其他3种替代工质的节能量比R22高1.0%～5.3%。

④随着数据中心回风温度的升高，系统CO2减排量逐渐升高，其中空气源热泵的CO2减排效果更为显著。当回风温度从16℃升高到24℃时，空气源热泵的CO2减排率约从20%提高到44%。