隨城市發(fā)展，新建建筑供熱缺口日益擴(kuò)大，冬季因供熱帶來的碳排放和環(huán)境污染急需緩解，政府引導(dǎo)和鼓勵(lì)以電和天然氣替代煤供熱。數(shù)據(jù)中心排熱量大，排熱量穩(wěn)定。利用數(shù)據(jù)中心的廢熱給建筑物供熱，可有效降低供熱系統(tǒng)的碳排放，起到能源梯級(jí)利用和節(jié)能環(huán)保目的。利用數(shù)據(jù)中心廢熱供熱的同時(shí)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的免費(fèi)供冷，極大降低數(shù)據(jù)中心的供冷耗電量。本文提出基于數(shù)據(jù)中心廢熱利用，以電能為主要能源，空氣能、天然氣為補(bǔ)充的綜合能源供冷、供熱系統(tǒng)。解決數(shù)據(jù)中心配套辦公樓和周邊民用、商業(yè)建筑供冷、供熱問題。數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營管理
1基于廢熱利用的冷熱源方案
1.1供冷/供熱方案
本文設(shè)計(jì)一種冬季數(shù)據(jù)中心廢熱供熱和數(shù)據(jù)中心免費(fèi)制冷的冷熱源系統(tǒng)。圖1為基于數(shù)據(jù)中心廢熱利用的供冷、供熱系統(tǒng)原理圖和控制圖。本套供冷、供熱系統(tǒng)由水冷冷水機(jī)組、水源熱泵機(jī)組、冷卻塔1、冷卻塔2、板式換熱器、水泵1、水泵2、水泵3、水泵4、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥V1、電動(dòng)二通閥V2-V8和相應(yīng)的管道系統(tǒng)構(gòu)成。夏季，水源熱泵機(jī)組與冷卻塔2、水泵3、水泵4配套使用，為辦公、商業(yè)等用戶空調(diào)供冷。夏季制冷，V7、V8開啟，V5、V6關(guān)閉，水源熱泵機(jī)組制冷工況運(yùn)行。夏季和過渡季節(jié)，水冷冷水機(jī)組與冷卻塔1、水泵1、水泵2配套使用，為數(shù)據(jù)中心供冷，閥V2、V4關(guān)閉，V1、V3開啟。冬季水源熱泵機(jī)組制熱工況運(yùn)行，為數(shù)據(jù)中心配套的辦公樓和周邊建筑供熱。水源熱泵系統(tǒng)制熱工作原理：閥V8、V7關(guān)閉，V6、V5開啟，水泵3循環(huán)冷卻塔1集水盤中的水進(jìn)水源熱泵機(jī)組，設(shè)計(jì)進(jìn)出水溫度10.5℃/5.5℃，水源熱泵機(jī)組消耗少量電能，提取低溫水（10.5℃）中的熱量，以中溫?zé)崴男问剑ㄟ^水泵4的輸送供用熱用戶，采用高溫水源熱泵機(jī)組制熱，供熱水溫度范圍45~70℃，可根據(jù)用戶側(cè)的供熱溫度要求調(diào)節(jié)熱水溫度，供回水溫差5~10℃。冬季，數(shù)據(jù)中心免費(fèi)供冷，閥V3關(guān)閉，閥V2、V4開啟，冷卻塔1集水盤的低溫水（10.5℃）經(jīng)水泵1輸送，進(jìn)板式換熱器換熱，設(shè)計(jì)進(jìn)出口溫度10.5/16.5℃，水泵2循環(huán)數(shù)據(jù)中心冷凍水經(jīng)板式換熱器冷卻，設(shè)計(jì)進(jìn)出水溫度18/12℃，即數(shù)據(jù)中心供水溫度12℃，回水溫度18℃。水泵1的循環(huán)水經(jīng)板式換熱器后進(jìn)入水冷冷水機(jī)組，在水冷冷水機(jī)組中循環(huán)后流回冷卻塔1頂部布水盤。冷卻塔1的風(fēng)機(jī)根據(jù)冷卻塔1的供水溫度調(diào)節(jié)頻率和啟停。水源熱泵系統(tǒng)供熱的同時(shí)為數(shù)據(jù)中心制冷，再配以冷卻塔1的散熱，實(shí)現(xiàn)冬季數(shù)據(jù)中心100%的免費(fèi)制冷，理論上冬季水冷冷水機(jī)組不開機(jī)，完成數(shù)據(jù)中心供冷，水冷冷水機(jī)組備用。
1.2冷熱源控制
利用自動(dòng)控制可實(shí)現(xiàn)建筑供冷供熱冷熱源設(shè)備的節(jié)能運(yùn)行，圖1為數(shù)據(jù)中心廢熱供熱和免費(fèi)制冷控制系統(tǒng)原理圖，控制器通過控制線連接所有的設(shè)備、電動(dòng)閥門、溫度傳感器T1和T2，控制水源熱泵機(jī)組、水冷冷水機(jī)組、冷卻塔和水泵的啟停和運(yùn)行頻率，控制電動(dòng)閥門的開啟和關(guān)斷，監(jiān)測(cè)和控制冷卻塔1冷卻水和數(shù)據(jù)中心冷凍水的供水溫度。此處主要針對(duì)數(shù)據(jù)中心廢熱利用供熱和免費(fèi)供冷的控制進(jìn)行分析說明，常規(guī)冷熱源系統(tǒng)的控制要求不做敘述。冬季利用數(shù)據(jù)中心廢熱供熱，閥V7、V8關(guān)閉，閥V6、V5開啟，水泵3、水泵4運(yùn)行，水源熱泵機(jī)組運(yùn)行。冬季數(shù)據(jù)中心免費(fèi)供冷，閥V2、V4開啟，閥V3關(guān)閉，水泵1、水泵2運(yùn)行，根據(jù)溫度傳感器T1的溫度設(shè)定值（10.5℃）控制冷卻塔1的風(fēng)機(jī)頻率和啟停，調(diào)節(jié)閥V1的開度控制板式換熱器的出水溫度，即根據(jù)溫度傳感器T2的數(shù)值調(diào)節(jié)閥V1開度，保障數(shù)據(jù)中心冷凍水的供水溫度。
2熱源增容
2.1熱源增容形式
供熱站建好后，后期在供熱站周邊可能出現(xiàn)新增供熱面積的情況，如何利用現(xiàn)有的供熱主管路，不改變?cè)泄嵴镜那闆r下，為后期新建面積供暖，本文提出了對(duì)應(yīng)的解決方案。根據(jù)實(shí)際的能源結(jié)構(gòu)，可選擇以電為驅(qū)動(dòng)能源的方式，也可以選擇以天然氣為能源的解決方式。此處以水源熱泵系統(tǒng)需要新增供熱面積為例，進(jìn)行方案說明。數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營管理
數(shù)據(jù)中心的廢熱利用供熱的水源熱泵系統(tǒng)裝機(jī)容量受廢熱總量限制，如果前期已按最大廢熱量配置水源熱泵機(jī)組，后期出現(xiàn)新增供熱面積，可考慮在供熱管道主干管回水管上接入空氣源熱泵熱源，圖2為空氣源熱泵補(bǔ)充供熱系統(tǒng)原理圖?；蛘呖紤]在供熱管道主干管供水管上接入燃?xì)鉄崴仩t熱源，圖3為燃?xì)鉄崴仩t補(bǔ)充供熱系統(tǒng)原理圖?？諝庠礋岜脵C(jī)組出水溫度相對(duì)較低，所以圖2中，空氣源熱泵機(jī)組串聯(lián)在水源熱泵機(jī)組的上游，供熱回水先經(jīng)空氣源熱泵加熱后，在進(jìn)水源熱泵機(jī)組二次加熱。燃?xì)鉄崴仩t出水溫度相對(duì)較高，所以圖3中，燃?xì)鉄崴仩t串聯(lián)在水源熱泵機(jī)組的下游，供熱回水先經(jīng)水源熱泵機(jī)組熱后，再進(jìn)入燃?xì)鉄崴仩t二次加熱。兩種方案都不改變供熱主管路和主循環(huán)水泵，通過提高供水溫度，提高供回水溫差的方式，增大供熱輸送能力。新增加的空氣源熱泵系統(tǒng)或者燃?xì)忮仩t熱水系統(tǒng)與原有的供熱系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，新增系統(tǒng)的啟?；蚬收蠈?duì)原有系統(tǒng)正常運(yùn)行不產(chǎn)生影響。采用空氣源熱泵機(jī)組上游串聯(lián)補(bǔ)充供熱或者燃?xì)鉄崴仩t下游串聯(lián)補(bǔ)充供熱，對(duì)原有供熱系統(tǒng)無任何改動(dòng)，系統(tǒng)簡單，新增系統(tǒng)建設(shè)成本低。熱源增容利用的能源形式可根據(jù)就近能源結(jié)構(gòu)考慮。
2.2增容量分析
供熱系統(tǒng)75%以下的時(shí)間供熱負(fù)荷在最大熱負(fù)荷65%以下，可考慮以高效的水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)為基礎(chǔ)熱源，熱負(fù)荷供熱量占比65%；新增系統(tǒng)為補(bǔ)充熱源，占比35%；按這樣的經(jīng)濟(jì)方式配置熱源，可新增供熱面積0.35/0.65×100%=54%，系統(tǒng)的總運(yùn)行能效變化不大，增加了54%的供熱面積，解決了新增供熱問題，初投資較低，為投資者帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益。
3結(jié)論
利用數(shù)據(jù)中心廢熱供熱，初投資只有常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)的40%，初投資低；系統(tǒng)能效高，基于廢熱利用的水源熱泵供熱COP在4.0左右，供熱運(yùn)行費(fèi)用低。
從數(shù)據(jù)中心供冷系統(tǒng)的冷卻塔取冷卻水做水源熱泵機(jī)組的熱源，高效供熱的同時(shí)免費(fèi)制冷，配以冷卻塔散熱，冬季實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心100%的免費(fèi)供冷，相對(duì)于傳統(tǒng)的只有板式換熱器+冷卻塔的免費(fèi)供冷系統(tǒng)，節(jié)能60%以上。
廢熱利用系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)管路獨(dú)立，互不干擾，廢熱得到利用的同時(shí)保證了數(shù)據(jù)中心的安全供冷。數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營管理
采用空氣源熱泵機(jī)組上游串聯(lián)補(bǔ)充供熱與燃?xì)鉄崴仩t系統(tǒng)下游串聯(lián)補(bǔ)充供熱，解決了新增供熱的問題，且初投資低，整體運(yùn)行費(fèi)用較低。
