近年來，我國大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，數(shù)據(jù)中心作為支撐數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施迎來了蓬勃發(fā)展，能耗問題也受到了越來越多的關(guān)注。

 

　　數(shù)據(jù)中心與傳統(tǒng)民用建筑用冷用熱差別較大，數(shù)據(jù)中心建筑空調(diào)主要是為服務(wù)器、交換機(jī)等發(fā)熱設(shè)備服務(wù)，為保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性，供冷系統(tǒng)需要全年運(yùn)行以滿足其需要的溫濕度環(huán)境。此外，數(shù)據(jù)中心單位面積的冷負(fù)荷通常為1000~3000W/m2，遠(yuǎn)高于一般公共建筑，是普通辦公樓的幾十倍甚至上百倍。

 

　　鑒于此，數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)通常是以制冷為主，幾乎沒有用熱需求。考核數(shù)據(jù)中心能效時(shí)，常用電能利用效率（power usage effectiveness，PUE）這一指標(biāo)（PUE等于數(shù)據(jù)中心總能耗與數(shù)據(jù)中心IT設(shè)施能耗之比，總能耗包括IT設(shè)施能耗、制冷系統(tǒng)能耗、電氣損耗、其他設(shè)施用電），不會(huì)涉及其他非數(shù)據(jù)中心區(qū)域用熱相關(guān)能耗。

 

　　作為PUE的重要組成，制冷能效因子（cooling load factor，CLF）通常用作衡量數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的能效指標(biāo)，CLF等于數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)能耗與數(shù)據(jù)中心IT設(shè)施能耗之比。

 

　　隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，有些數(shù)據(jù)中心周邊也會(huì)有公共建筑、住宅等社區(qū)，會(huì)有供暖等用熱需求，特別是冬季，數(shù)據(jù)中心需要供冷，周邊公共建筑需要供熱，這種同時(shí)存在用冷用熱需求的園區(qū)，既可以單獨(dú)設(shè)置冷熱源系統(tǒng)，也可以使用熱回收制冷機(jī)組。此時(shí)，用PUE或CLF來衡量園區(qū)的用能效率就不夠全面了。

 

　　此外，數(shù)據(jù)中心冬季用冷往往可以采用自然冷卻，無需開啟壓縮機(jī)。充分利用自然冷卻一直是數(shù)據(jù)中心降低能耗的重要技術(shù)措施。如果采用熱回收制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)供冷的同時(shí)對(duì)余熱進(jìn)行利用，但全年都需要開啟壓縮機(jī)，無法利用自然冷卻。2種方案究竟哪種更具節(jié)能優(yōu)勢，數(shù)據(jù)中心園區(qū)什么情況下適合冷熱源單獨(dú)供應(yīng)，什么情況下適合采用熱回收制冷機(jī)組同時(shí)供冷供熱呢？本文將針對(duì)這一場景，通過數(shù)據(jù)對(duì)比，探討不同方案的可行性和應(yīng)用場景。

 

　　01數(shù)據(jù)中心園區(qū)供冷供熱方案分析

　　以北京地區(qū)為例，綜合電價(jià)按0.7元/（kW·h）計(jì)算，天然氣價(jià)格為2.21元/m3，市政供熱費(fèi)用為30元/m2。

 

　　假定一個(gè)數(shù)據(jù)中心面積為1萬m2，可以安裝1000個(gè)機(jī)柜，IT負(fù)荷穩(wěn)定在5000kW，周邊有用熱需求，供熱時(shí)長均為123d。為了簡化對(duì)比模型，僅計(jì)算IT設(shè)施的用冷需求，即供冷系統(tǒng)容量按5000 kW計(jì)算。

 

　　本文將針對(duì)用熱量分別為500、2500、5000kW的場景進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)的供熱面積分別為1萬、5萬、10萬m2，供熱指標(biāo)按50W/m2估算。

 

　　為了使對(duì)比更具針對(duì)性，本文僅針對(duì)供冷供熱相關(guān)的能源費(fèi)用作分析，每年還有3400萬元左右的IT設(shè)施和電氣損耗引起的電費(fèi)，均未納入計(jì)算。

 

　　1.1方案1：園區(qū)冷熱源單獨(dú)設(shè)置

 

　　當(dāng)數(shù)據(jù)中心園區(qū)冷熱源單獨(dú)設(shè)置時(shí)，可以分開對(duì)比供冷系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)，選擇最適合的供冷供熱方案。

 

　　行業(yè)內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心常用的供冷系統(tǒng)主要有冷水系統(tǒng)、間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)（以下簡稱AHU系統(tǒng)）等。根據(jù)氣象條件和相關(guān)設(shè)備廠商提供的數(shù)據(jù)，冷水系統(tǒng)、AHU系統(tǒng)能源消耗對(duì)比如表1所示。

　　從表1可以看出，AHU系統(tǒng)能效更優(yōu)。

 

　　數(shù)據(jù)中心能源消耗量大，采用更高能效的供冷方案，符合國家相關(guān)的政策導(dǎo)向，也可以大大提升數(shù)據(jù)中心的競爭力，選擇供冷方案時(shí)，應(yīng)該把能效作為最重要的指標(biāo)之一。AHU系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)冷源與負(fù)荷中心近距離接觸，利用逼近濕球溫度的風(fēng)側(cè)自然冷卻，實(shí)現(xiàn)全年應(yīng)用自然冷卻。即使最炎熱的夏季，也只需要50%左右的機(jī)械制冷作為補(bǔ)冷，可以顯著減少數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗。事實(shí)上，除了可以實(shí)現(xiàn)更低的PUE，AHU系統(tǒng)還具備運(yùn)維簡單、投資低，更容易實(shí)現(xiàn)分期部署等優(yōu)勢，所以成為近年來新建數(shù)據(jù)中心的首選。

 

　　AHU系統(tǒng)雖然能效更優(yōu)，但該方案對(duì)建筑條件有較高要求，層高不夠或通風(fēng)面積無法解決時(shí)往往無法采用。針對(duì)已有建筑或?qū)痈呤芟薜慕ㄖ^大多數(shù)數(shù)據(jù)中心都會(huì)采用冷水系統(tǒng)，冬季可以通過冷卻塔+板式換熱器實(shí)現(xiàn)自然冷卻，達(dá)到節(jié)能的目的。

 

　　供熱方案主要是采用市政供熱，沒有市政供熱的區(qū)域也可采用燃?xì)忮仩t，市政供熱和燃?xì)夤艿蓝紱]有的區(qū)域往往會(huì)采用空氣源熱泵作為熱源。根據(jù)相關(guān)的價(jià)格和指標(biāo)，以及設(shè)備廠商提供的數(shù)據(jù)，空氣源熱泵、燃?xì)忮仩t、市政供熱幾種供熱方案的能源費(fèi)用對(duì)比如表2所示。

　　從表2可以看出，市政供熱能源費(fèi)用最低，且沒有熱源設(shè)備的投入，初投資和占地面積都會(huì)優(yōu)于其他方案，有條件時(shí)應(yīng)該作為首選方案。燃?xì)忮仩t和空氣源熱泵供熱成本差別不大，這與電價(jià)和天然氣價(jià)格有關(guān)。當(dāng)電價(jià)和天然氣價(jià)格有變化時(shí)，比較結(jié)果可能會(huì)發(fā)生變化，具體項(xiàng)目應(yīng)根據(jù)資源條件和能源價(jià)格具體分析。

 

　　數(shù)據(jù)中心為獨(dú)立功能或主要功能的建筑，大部分房間常年用冷，不需要供熱。一個(gè)1萬m2的數(shù)據(jù)中心，有供熱需求的區(qū)域面積通常不超過2000 m2。同數(shù)據(jù)中心整體能耗費(fèi)用數(shù)千萬元相比，當(dāng)供熱需求量較低時(shí)，無論使用哪種供熱方案，供熱相關(guān)的能源費(fèi)用對(duì)整體影響都不大。當(dāng)周邊存在其他非數(shù)據(jù)中心類型的熱用戶時(shí)，隨著供熱面積的增大，用熱相關(guān)的能源費(fèi)用占比也會(huì)逐漸加大。此時(shí)，選擇供熱方案應(yīng)該充分評(píng)估總體擁有成本（total cost of ownership，TCO，數(shù)據(jù)中心全壽命周期內(nèi)建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用的總和），從技術(shù)經(jīng)濟(jì)維度綜合確定。

 

　　總之，針對(duì)冷熱源單獨(dú)設(shè)置的數(shù)據(jù)中心園區(qū)，可以分別對(duì)比供冷供熱方案，選擇合適的供冷供熱系統(tǒng)。從TCO看，供冷選擇AHU系統(tǒng)、供熱選擇市政供熱是最優(yōu)的。

 

　　1.2方案2：數(shù)據(jù)中心采用熱回收制冷機(jī)組，夏季供冷，冬季同時(shí)供冷供熱

 

　　除了數(shù)據(jù)中心這種獨(dú)立功能的建筑外，如果園區(qū)內(nèi)還有其他公共建筑，有較大規(guī)模的供熱需求時(shí)，可以采用熱回收的方案同時(shí)供冷供熱。熱回收包括直接熱回收和冷凝熱回收。對(duì)數(shù)據(jù)中心的排熱采用直接回收，品質(zhì)相對(duì)較低，應(yīng)用的場景很少。數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的熱回收大多數(shù)是指冷凝熱回收，也就是采用熱泵機(jī)組，供冷的同時(shí)為園區(qū)提供40~60℃的熱水。

 

　　數(shù)據(jù)中心采用冷凝熱回收制冷系統(tǒng)，通常會(huì)在用熱區(qū)域設(shè)置熱泵，以供熱為主要控制參數(shù)，附加產(chǎn)生的冷量排放至數(shù)據(jù)中心用冷水系統(tǒng)。如果用熱量需求不大，熱泵產(chǎn)生的附加冷量對(duì)整個(gè)冷水系統(tǒng)的影響也不大，其余供冷依然可以利用自然冷卻以降低能耗。目前，有些用熱規(guī)模不大的數(shù)據(jù)中心園區(qū)已經(jīng)采用了這種供冷供熱方案，運(yùn)行效果良好。

 

　　采用熱回收制冷機(jī)組，不同熱回收規(guī)模對(duì)應(yīng)的能源消耗費(fèi)用如表3所示。

　　根據(jù)GB 40879—2021《數(shù)據(jù)中心能效限定值及能效等級(jí)》規(guī)范相關(guān)要求，如果把熱泵認(rèn)定為非數(shù)據(jù)中心區(qū)域的供熱設(shè)備，其能耗就可以不計(jì)入數(shù)據(jù)中心總能耗。同沒有熱回收的冷水系統(tǒng)相比，采用熱回收型冷水機(jī)組可以使PUE數(shù)據(jù)更低，熱回收規(guī)模越大，對(duì)PUE越有利。但這種場景下，PUE并不能體現(xiàn)能耗總量和能源費(fèi)用，因此熱回收制冷供熱場景僅用PUE或CLF來衡量數(shù)據(jù)中心的能效不夠全面，系統(tǒng)的合理性還需要綜合考量供冷供熱成本。

 

　　通常，一個(gè)園區(qū)的用冷和用熱都會(huì)有波動(dòng)，采用熱回收制冷系統(tǒng)，如果園區(qū)用冷量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于用熱量，熱泵機(jī)組可以采用供熱參數(shù)控制，通過補(bǔ)冷滿足供冷需求。本文所有分析都是基于用冷量大于用熱量、其余用冷量可通過自然冷卻裝置進(jìn)行補(bǔ)充等假設(shè)條件。

 

　　如果用熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于用冷量，熱泵機(jī)組可以采用供冷參數(shù)控制，此時(shí)，通過其他補(bǔ)熱措施來滿足供熱需求，熱泵機(jī)組按最大用冷量設(shè)置即可。分析數(shù)據(jù)與冷熱量均為5000kW時(shí)基本相同。

 

　　當(dāng)冷熱用量接近時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)自然冷卻負(fù)荷過低引起設(shè)施難以啟用、出現(xiàn)凍結(jié)等風(fēng)險(xiǎn)，需要采取預(yù)防措施。此外，冷熱用量基本相當(dāng)、供冷（供熱）出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，有可能影響供熱（供冷）系統(tǒng)，此時(shí)往往需要額外的補(bǔ)冷補(bǔ)熱系統(tǒng)，這會(huì)導(dǎo)致控制復(fù)雜，引起投資、用地面積的增加。針對(duì)這種場景，還需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)作出進(jìn)一步的分析。

 

　　02、數(shù)據(jù)中心園區(qū)供冷供熱方案對(duì)比分析

　　根據(jù)上述分析，幾種供冷供熱方案的能源消耗費(fèi)用對(duì)比如表4所示，針對(duì)供熱面積分別為1萬、5萬、10萬m2的不同場景，對(duì)能源費(fèi)用做了從低到高的排序。

　　從表4可以看出：

　　1）采用能效更優(yōu)的供冷形式對(duì)數(shù)據(jù)中心園區(qū)的能源成本影響重大。無論哪種場景，哪種供熱方式，AHU+獨(dú)立熱源系統(tǒng)的能源消耗費(fèi)用都是最低的，主要是因?yàn)锳HU系統(tǒng)自然冷卻利用率更高，能效明顯優(yōu)于冷水系統(tǒng)。隨著用熱需求的增大，這種優(yōu)勢會(huì)有所降低。

　　2）針對(duì)無法采用AHU系統(tǒng)或其他高效制冷系統(tǒng)的場景，采用熱回收制冷機(jī)組作為整體供冷供熱方案是可行的。盡管制冷側(cè)無法充分利用自然冷卻，但節(jié)能效果仍然優(yōu)于冷水+獨(dú)立熱源系統(tǒng)，熱回收量越多，采用熱回收的收益越大。

 

　　實(shí)際項(xiàng)目中，一個(gè)IT設(shè)施負(fù)荷為5000kW的數(shù)據(jù)中心，電力消耗費(fèi)用為4000萬元左右，供暖相關(guān)費(fèi)用占比不大，特別是用熱量較低或供暖時(shí)間不長時(shí)，熱回收帶來的節(jié)能收益會(huì)更加不明顯，能源費(fèi)用往往不作為方案選擇的主要依據(jù)。

 

　　03、結(jié)語

　　PUE是目前業(yè)界公認(rèn)的最具影響力的表征數(shù)據(jù)中心電能利用的關(guān)鍵性能指標(biāo)。多個(gè)地方標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都采用PUE對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行節(jié)能性能的劃分。但PUE本身是一個(gè)片面的指標(biāo)，其實(shí)際指向的是數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施用能效率，并不能體現(xiàn)數(shù)據(jù)中心園區(qū)的總體用能效率。某些場景下，總能耗與PUE并不會(huì)出現(xiàn)相同趨勢的線性降低，反而會(huì)出現(xiàn)PUE值下降而總能耗增大的現(xiàn)象。針對(duì)數(shù)據(jù)中心周邊存在大規(guī)模熱用戶的場景，數(shù)據(jù)中心用冷和園區(qū)用熱應(yīng)同時(shí)考慮，基于能耗總量和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定冷熱源方案，達(dá)到降低整體能源消耗的目標(biāo)。具體建議如下：

　　1）可以采用AHU等高效制冷方案的數(shù)據(jù)中心，園區(qū)供熱與數(shù)據(jù)中心供冷宜各自獨(dú)立，分別采用合適的冷熱源系統(tǒng)。

　　2）無法采用AHU等高效制冷方案的數(shù)據(jù)中心，且周邊有用熱需求的園區(qū)，可以采用熱回收制冷系統(tǒng)，夏季供冷，冬季同時(shí)供冷供熱。

　　3）用冷用熱負(fù)荷相當(dāng)?shù)膱鼍埃枰鶕?jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況進(jìn)行進(jìn)一步的分析，同時(shí)需要考慮補(bǔ)冷補(bǔ)熱系統(tǒng)的建立、控制策略等因素的影響。
 

　　近年來，隨著數(shù)據(jù)中心能效要求的提升，以及制冷技術(shù)的改進(jìn)，市場上出現(xiàn)了一些能效較高的制冷措施，無法與熱回收制冷系統(tǒng)匹配，例如文中列舉的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，其大部分制冷都來自室內(nèi)外空氣之間的自然冷卻，沒有可回收的壓縮熱。同這種高能效制冷方案相比，采用熱回收同時(shí)供冷供熱沒有優(yōu)勢。但在某些場景，已經(jīng)采用冷水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心也沒有結(jié)合冷凝熱回收技術(shù)，主要原因包括：

　　1）一個(gè)1萬m2的數(shù)據(jù)中心，可以支持高達(dá)10萬m2左右的公共建筑供熱，而數(shù)據(jù)中心的建設(shè)地點(diǎn)往往屬于工業(yè)用地，與大規(guī)模公共建筑、住宅等民用設(shè)施距離遠(yuǎn)。熱用戶匱乏，這是數(shù)據(jù)中心難以采用大規(guī)模熱回收制冷系統(tǒng)最重要的因素。

　　2）數(shù)據(jù)中心的實(shí)際運(yùn)行往往是前期處于低負(fù)荷狀態(tài)，中后期負(fù)荷較高，與熱用戶的發(fā)展往往無法匹配。

 

　　未來，如果數(shù)據(jù)中心園區(qū)的冷凝熱回收制冷系統(tǒng)能夠與市政供熱相結(jié)合，由市政系統(tǒng)提供中溫水，在用熱區(qū)域末端設(shè)置分散型熱泵進(jìn)行供熱，附加冷量排放至市政管網(wǎng)，用來吸收數(shù)據(jù)中心的冷凝熱，整個(gè)系統(tǒng)輔以合理的輸配及補(bǔ)冷補(bǔ)熱系統(tǒng)，進(jìn)而形成大規(guī)模的區(qū)域供冷供熱綜合能源站，就能夠解決附近缺乏熱用戶的問題，熱回收供冷供熱技術(shù)就會(huì)有更大的應(yīng)用空間。

 

　　通過綠色技術(shù)和方式提升數(shù)據(jù)中心的功能和服務(wù)水平，這是數(shù)據(jù)中心永遠(yuǎn)不變的發(fā)展方向。隨著“雙碳”戰(zhàn)略的逐漸落地，對(duì)數(shù)據(jù)中心的能源利用效率會(huì)有更高的要求，相信數(shù)據(jù)中心建設(shè)也會(huì)采取更有效、更適合自身發(fā)展的節(jié)能技術(shù)，提升能源的綜合利用率。