湖水源数据中心余热回收系统性能模拟研究——以东江湖大数据产业园为例

陈姝伊, 张泉*, 邹思凯, 王加强, 雷建军, 孟凡希, 邹鑫鹏

(1.湖南大学土木工程学院, 长沙 410000; 2. 华东交通大学土木建筑学院, 南昌 330000;3.中南大学能源科学与工程学院, 长沙 410000; 4. 湖南云巢科技有限公司, 郴州 423000)

随着数字经济的加速发展,数据中心已成为不可或缺的基础设施。据统计[1],2021年中国数据中心总耗电量达到2 166亿kW·h,约占全国总用电量的2.6%,其高耗能问题受到了社会的广泛关注。数据中心全年8 760 h不间断运行,冷却系统能耗约占数据中心总能耗的40%左右[2],降低冷却系统能耗对于提升数据中心能效至关重要。

研究者们提出了多种数据中心冷却系统节能技术,其中节能效果尤为突出的是自然冷却技术[3],主要包括风侧自然冷却[4]和水侧自然冷却[5]。相比于风侧自然冷却,水侧自然冷却技术不受空气品质影响,冷量传输效率高,是应用最广泛的自然冷却技术。东江湖数据中心采用湖水作为自然冷源,全年平均能源使用效率(power usage effectiveness,PUE)可达到1.14,远优于传统数据中心[6]。然而,冷却系统将数据中心运行过程中产生的大量余热直接排入湖水中,减少了自然水体的可用冷量,余热回收可以有效减少热排放,同时进一步降低冷却系统能耗,提高机房能效,因此,如何高效回收余热已成为数据中心节能的重点突破方向。

目前数据中心余热回收主要采用区域供热网络技术,通过热泵消耗少量电能提高余热的温度水平,再由供热网络接入用热建筑[7],平衡了数据中心园区的冷热负荷,提高系统能效比[8],部分研究者对其应用进行了理论研究:He等[9]提出采用17.5～20.8 ℃的冷冻水作为分布式冷却数据中心余热回收的热源,与燃煤锅炉供暖相比,每年可节约1.8万t标准煤,节能率约10%。景淼等[10]重点研究了水环热泵多联机余热回收技术的应用,从风冷冷水机组15 ℃冷冻水回水中提取热量,与风冷多联机系统相比全年用电量减少31%。崔科等[11]利用自来水厂源水冷却数据中心,并回收余热用于制备生活热水,结果表明,当自来水源水回水温度为20 ℃时,全年有效余热回收效率可达18.4%,节省生活热水燃气费1 767万元。目前多数研究将余热回收系统与传统机械制冷系统耦合,然而对于湖水源自然冷却系统,冷却水回水温度为21～23 ℃,从冷却水回水侧取热,热源温度更高,有利于提高余热回收效率,系统节能效果更好。

余热回收系统在实际工程应用时,由于区域供热网络用能特点,热泵供热在时间上存在供需不平衡现象。为解决供需矛盾,研究者通常在系统中加入柔性储能手段解决其不匹配问题[12-13],Knudsen等[14]提出利用蓄热罐实现余热回收系统的负荷调峰,并通过动态模拟和模型预测控制相结合的方法分析其效果,结果表明,体积为1 500 m3的蓄热罐可在6个月内削减系统12%的峰值热负荷。尹亮[15]基于对某数据中心园区人员加班情况的调查,采用水蓄冷技术削峰填谷,优化设备运行策略,优化结果表明,余热回收系统能耗降低了12%,同时降低了9%的经营成本。上述研究主要利用储能手段实现负荷削峰,考虑节能性的同时未注重地区阶梯电价的经济性。对于数据中心,运行费用受到电价的影响比对外销售的热价更大,受资金限制,余热回收技术大规模推广应用仍具备一定挑战。

针对以上问题,现以东江湖大数据产业园为研究对象,基于夏热冬冷地区办公建筑动态负荷特性,利用水源热泵回收数据中心冷却回水的热量,用于建筑冬季空调供热,并增设蓄热水箱获取峰谷电价差效益。通过建立湖水冷却耦合余热回收系统动态仿真模型,与传统风冷热泵供热及水源热泵余热回收系统对比,探究该系统的节能降费潜力,为数据中心余热回收系统的设计提供理论依据。

1 概况

东江湖位于湖南省郴州市,是中国中南地区最大的人工湖泊,流量充沛,水位稳定,全年水温处于11.5～16 ℃范围内[16]。东江湖数据中心目前实际安装机架数约1 200个,单机架满载功耗4 kW[11]。数据中心全年冷负荷处于4 700～5 200 kW,波动范围小,作为余热回收热源可靠性较高。

选取数据中心园区内某办公建筑(图1)为供热对象,回收余热为该建筑提供冬季空调热源。利用EnergyPlus软件模拟该建筑动态热需求,空调系统仅在工作日的7:00—18:00开启运行,冬季空调室内设计温度20 ℃,送风设计温度40 ℃,建筑物外墙、维护结构及空调系统参数的设定均符合《公共建筑节能设计规范》GB50189—2015要求。该建筑全年逐时空调热负荷如图2所示,逐时热负荷峰值仅为数据中心最小冷负荷的17.2%,余热利用量较小。

图1 东江湖数据中心园区规划图Fig.1 Construction plan of Dongjiang Lake data center campus

图2 办公建筑全年逐时空调热负荷Fig.2 Hourly air conditioning heat demand of office buildings throughout the year

2 方案与建模

为有效回收机房余热,本文研究提出了基于移峰填谷策略的余热回收系统,通过TRNSYS平台建立动态仿真模型如图3所示,该系统由数据中心冷却和末端供热两个子系统组成,冷却系统采用湖水作为独立冷源,与机房空调空气处理末端(computer room air handling,CRAH)换热,带走服务器散发的热量;供热系统主要由水源热泵机组和蓄热水箱构成。系统运行过程中,设定温度参数均由设备内置的反馈控制器(Type22)调节,主要控制策略如下。

EC风机指采用数字化无刷直流外转子电机的离心式风机;V4、V8为截止阀模块,变频模块为迭代反馈控制器;Ys为需要控制的输入量;Y为迭代反馈控制信号;U为调节后的输出量图3 湖水源数据中心余热回收系统仿真模型Fig.3 Simulation model of waste heat recovery system in lake water source data center

(1)送回风温差控制:CRAH风机变频运行,控制风机风量使机房送回风温差处于设计范围内。

(2)CRAH送风温度控制:冷却水泵变频运行,当CRAH送风温度偏离设定值时,调节冷却水流量使送风温度保持在设定值。

(3)冷却水供水温度控制:湖水泵变频运行,当供水温度偏离设定值时,反馈控制器控制湖水流量直至温度达到设定值或湖水泵处于满载(或最小负载)运行状态。

拟采用两种供热方案与移峰填谷策略下水源热泵联合蓄热水箱余热回收系统进行对比分析,探究其节能降费潜力。

(1)方案1:独立风冷热泵供热。数据中心冷却系统与供热系统相互独立,互不影响,当建筑存在热需求时,风冷热泵开启运行。

(2)方案2:水源热泵余热回收供热。系统原理如图4(a)所示。水源热泵从冷却水回水侧回收数据中心余热,部分冷却水回水经分流后进入机组蒸发器,经循环后余热转移至供热系统,被冷却的冷却水回水混合后进入湖水侧换热器与湖水换热。

图4 余热回收方案系统示意图Fig.4 Schematic diagram of waste heat recovery system

(3)方案3:水源热泵联合水箱供热。系统原理如图4(b)所示。为充分利用低谷电,最大限度节省运行费用,系统分为热泵边供边蓄(模式1)和水箱直接供热(模式2)两种运行模式,利用阀门开闭控制模式切换,具体策略如表1所示。

表1 系统运行策略Table 1 System operating strategy

3 能耗分析

根据《数据中心设计规范》GB50174—2017相关规定,从数据中心常用运行参数中选取CRAH送风温度23 ℃,冷却水供水温度17 ℃作为输入条件进行运行能耗模拟。余热回收系统总能耗由数据中心冷却系统能耗和供热系统能耗组成,为评估不同供热方案对于数据中心能效的影响,采用PUE评价机房节能效果,PUE越低,用于确保IT设备运行消耗的能源越少,数据中心越节能。PUE计算方式为

Precovery=Pcooling+Pheating

(1)

Pcooling=Pfan+Pchp+Plp

(2)

Pheating=Pheatpump+Phsp+Prp

(3)

(4)

式中:Precovery为余热回收系统能耗,kW·h;Pcooling与Pheating分别为冷却系统与供热系统能耗,kW·h;Pfan为风机能耗,kW·h;Pheatpump为热泵机组能耗,kW·h;Plp、Pchp、Prp、Phsp分别为湖水泵、冷却水泵、循环泵、热水泵能耗,kW·h;PIT为IT设备能耗,kW·h;Pothers为配电设备、网络设备、照明设备等其他设备能耗,kW·h。

各方案余热回收系统全年总能耗及数据机房PUE模拟结果如图5所示。结果表明,与方案1相比,方案2余热回收系统全年总能耗降低了18.4%;在方案2的基础上,方案3系统总能耗进一步降低了4.1%。

图5 不同方案余热回收系统全年总能耗及机房PUEFig.5 Total annual energy consumption and PUE for different waste heat recovery systems

不同方案供热系统设备全年运行时间如表2所示。以方案1为基础,采用方案2后,供热系统全年总能耗降低了46.1%,由于风冷热泵性能受环境温度影响较大,相同制热量循环性能系数(coefficient of performance,COP)仅为3.4,而水源热泵制热COP为5.2,因此风冷热泵运行能耗远高于水源热泵。相比于方案2,通过在余热回收系统中增设蓄热水箱,方案3供热系统能耗进一步降低了41.9%。根据峰谷电价制定供热系统设备运行策略后,方案3仅在谷价时段开启热泵机组为水箱蓄热,减少了热泵机组和循环泵的运行时间,进而降低了设备能耗。

表2 不同方案供热系统设备全年运行时间Table 2 Full-year running time of heating system

此外,在分析时发现,余热回收一定程度上可以提高冷却系统能效。与方案1相比,方案2和方案3采用水源热泵回收数据中心余热,冷却系统能耗降低13.1%,PUE由1.131降至1.111。能耗降低的主要原因是:①水源热泵回收余热降低了冷却水回水温度,湖水需提供的冷量减少,湖水泵能耗明显下降;②冷却水回水温度降低,冷却水供水温度同样存在降低趋势,为保持系统动态平衡,CRAH水侧换热温差增大,冷却水泵流量减小,能耗随之降低;③CRAH风侧运行状态不变,能耗波动仅由系统响应引起,可认为不同方案下风机能耗不变。

通过对不同方案的能耗分析可知,采用水源热泵余热回收相比独立风冷热泵供热具有明显的节能优势,根据峰谷电价制定设备运行策略并利用水箱蓄热可以进一步降低系统运行能耗。

4 经济性分析

余热回收系统总耗费主要包括初投资、运行消耗的水电费用和维护成本,计算方法如式(5)～式(8)所示[17-18]。由于数据中心采用湖水自然冷却系统,在计算时忽略水费。

(5)

(6)

(7)

Cop=EwQw,total+EePsystem,total

(8)

式中:Ctotal为余热回收系统总耗费;Cinv为冷却系统的年均投资费用;Cop,n为第n年系统运行消耗的水电费用;Cma,n为第n年系统的运维费用;CRF为资金回收系数;IC为安装费用;Zk为单类设备的初投资费用;i为平均年利率;tn为系统生命周期;Ew为水费单价,元/t;Qw,total为全年冷水总流量,t;Ee为电费单价,元/(kW·h);Psystem,total为全年系统耗电量,kW·h。

根据市场调研数据,余热回收系统各设备初投资价格如表3所示,平均年利率及系统运维费用如表4所示,湖南省峰谷电费价格如表5所示。数据中心平均寿命约为15 a,假设余热回收系统生命周期与数据中心同步。对不同方案的动态回收投资期进行计算,结果如图6所示。若以方案1为基础,采用方案2对数据中心冷却系统进行余热回收改造,动态回收期为1.88 a,运行过程中方案2每年可节省19.7%的运行电费;若在方案2的基础上,采用方案3对系统进一步改造,动态回收期为5.91年,相比方案2,供热系统年节费率为64.4%,进一步提高了余热回收系统的经济性。

表3 余热回收设备初投资价格Table 3 Initial investment price of waste heat recovery equipment

表4 平均年利率及系统运维费用Table 4 Average APR and system O&M costs

表5 湖南省峰谷电价Table 5 Peak and valley electricity price in Hunan Province

图6 不同方案的动态回收期Fig.6 Dynamic payback period for different schemes

方案3初投资较大,但加入移峰填谷策略后系统设备在高峰及平段运行的时间减少,运行电费降低,且数据中心运行时间越长,节费效果越显著。可见,移峰填谷策略下数据中心水源热泵联合蓄热水箱余热回收系统具有较高的经济性。

5 结论

以东江湖数据中心湖水源自然冷却系统为对象,模拟分析了移峰填谷策略下水源热泵余热回收联合蓄热水箱供热系统的运行性能,并讨论其节能性与经济性,旨在为数据中心余热利用方案设计与系统节能运行提供理论支撑,得出如下结论。

(1)利用水源热泵回收数据中心余热用于办公建筑供热,当余热利用率为17.2%时,与传统风冷热泵供热相比,供热系统节能率为46.1%;根据峰谷电价策略,增设蓄热水箱与水源热泵联合供热,供热系统节能率相比水源热泵余热回收系统进一步提高了41.9%,节能效果显著。

(2)回收数据中心余热有利于提高冷却系统能效。当CRAH送风温度23 ℃、供水温度17 ℃、余热利用率为17.2%时,从湖水冷却系统冷却水回水侧取热,冷却系统能耗降低了13.1%,机房PUE由1.131降至1.111。

(3)以传统风冷热泵供热为基础,采用水源热泵余热回收每年可节省19.7%的运行电费,动态回收期为1.88 a;在水源热泵余热回收方案上增设蓄热水箱,减少了热泵在高峰电价的运行时间,供热系统节费率进一步提高了64.4%,动态回收期为5.91 a,社会经济效益显著。