近年來，我國大數(shù)據(jù)、云計算等產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，數(shù)據(jù)中心作為支撐數(shù)據(jù)存儲計算的基礎(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荷通常為1000~3000W/m2，遠高于一般公共建筑，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?？己藬?shù)據(jù)中心能效時，常用電能利用效率（power usage effectiveness，PUE）這一指標（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，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)模的擴大，有些數(shù)據(jù)中心周邊也會有公共建筑、住宅等社區(qū)，會有供暖等用熱需求，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，這種同時存在用冷用熱需求的園區(qū)，既可以單獨設(shè)置冷熱源系統(tǒng)，也可以使用熱回收制冷機組。此時，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。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)可以實現(xiàn)供冷的同時對余熱進行利用，但全年都需要開啟壓縮機，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供應(yīng)，什么情況下適合采用熱回收制冷機組同時供冷供熱呢？本文將針對這一場景，通過數(shù)據(jù)對比，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，綜合電價按0.7元/（kW·h）計算，天然氣價格為2.21元/m3，市政供熱費用為30元/m2。

 

　　假定一個數(shù)據(jù)中心面積為1萬m2，可以安裝1000個機柜，IT負荷穩(wěn)定在5000kW，周邊有用熱需求，供熱時長均為123d。為了簡化對比模型，僅計算IT設(shè)施的用冷需求，即供冷系統(tǒng)容量按5000 kW計算。

 

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

 

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

 

　　1.1方案1：園區(qū)冷熱源單獨設(shè)置

 

　　當數(shù)據(jù)中心園區(qū)冷熱源單獨設(shè)置時，可以分開對比供冷系統(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，應(yīng)該把能效作為最重要的指標之一。AHU系統(tǒng)可以實現(xiàn)冷源與負荷中心近距離接觸，利用逼近濕球溫度的風側(cè)自然冷卻，實現(xiàn)全年應(yīng)用自然冷卻。即使最炎熱的夏季，也只需要50%左右的機械制冷作為補冷，可以顯著減少數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗。事實上，除了可以實現(xiàn)更低的PUE，AHU系統(tǒng)還具備運維簡單、投資低，更容易實現(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)，但該方案對建筑條件有較高要求，層高不夠或通風面積無法解決時往往無法采用。針對已有建筑或?qū)痈呤芟薜慕ㄖ?，絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心都會采用冷水系統(tǒng)，冬季可以通過冷卻塔+板式換熱器實現(xiàn)自然冷卻，達到節(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)域也可采用燃氣鍋爐，市政供熱和燃氣管道都沒有的區(qū)域往往會采用空氣源熱泵作為熱源。根據(jù)相關(guān)的價格和指標，以及設(shè)備廠商提供的數(shù)據(jù)，空氣源熱泵、燃氣鍋爐、市政供熱幾種供熱方案的能源費用對比如表2所示。

　　從表2可以看出，市政供熱能源費用最低，且沒有熱源設(shè)備的投入，初投資和占地面積都會優(yōu)于其他方案，有條件時應(yīng)該作為首選方案。燃氣鍋爐和空氣源熱泵供熱成本差別不大，這與電價和天然氣價格有關(guān)。當電價和天然氣價格有變化時，比較結(jié)果可能會發(fā)生變化，具體項目應(yīng)根據(jù)資源條件和能源價格具體分析。

 

　　數(shù)據(jù)中心為獨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)中心整體能耗費用數(shù)千萬元相比，當供熱需求量較低時，無論使用哪種供熱方案，供熱相關(guān)的能源費用對整體影響都不大。當周邊存在其他非數(shù)據(jù)中心類型的熱用戶時，隨著供熱面積的增大，用熱相關(guān)的能源費用占比也會逐漸加大。此時，選擇供熱方案應(yīng)該充分評估總體擁有成本（total cost of ownership，TCO，數(shù)據(jù)中心全壽命周期內(nèi)建設(shè)費用和運行費用的總和），從技術(shù)經(jīng)濟維度綜合確定。

 

　　總之，針對冷熱源單獨設(shè)置的數(shù)據(jù)中心園區(qū)，可以分別對比供冷供熱方案，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組，夏季供冷，冬季同時供冷供熱

 

　　除了數(shù)據(jù)中心這種獨立功能的建筑外，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，可以采用熱回收的方案同時供冷供熱。熱回收包括直接熱回收和冷凝熱回收。對數(shù)據(jù)中心的排熱采用直接回收，品質(zhì)相對較低，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，也就是采用熱泵機組，供冷的同時為園區(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)生的附加冷量對整個冷水系統(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，運行效果良好。

 

　　采用熱回收制冷機組，不同熱回收規(guī)模對應(yīng)的能源消耗費用如表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》規(guī)范相關(guān)要求，如果把熱泵認定為非數(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組可以使PUE數(shù)據(jù)更低，熱回收規(guī)模越大，對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，一個園區(qū)的用冷和用熱都會有波動，采用熱回收制冷系統(tǒng)，如果園區(qū)用冷量遠遠大于用熱量，熱泵機組可以采用供熱參數(shù)控制，通過補冷滿足供冷需求。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行補充等假設(shè)條件。

 

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

 

　　當冷熱用量接近時，可能會出現(xiàn)自然冷卻負荷過低引起設(shè)施難以啟用、出現(xiàn)凍結(jié)等風險，需要采取預防措施。此外，冷熱用量基本相當、供冷（供熱）出現(xiàn)波動時，有可能影響供熱（供冷）系統(tǒng)，此時往往需要額外的補冷補熱系統(tǒng)，這會導致控制復雜，引起投資、用地面積的增加。針對這種場景，還需要對整個系統(tǒng)作出進一步的分析。

 

　　02、數(shù)據(jù)中心園區(qū)供冷供熱方案對比分析

　　根據(jù)上述分析，幾種供冷供熱方案的能源消耗費用對比如表4所示，針對供熱面積分別為1萬、5萬、10萬m2的不同場景，對能源費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+獨立熱源系統(tǒng)的能源消耗費用都是最低的，主要是因為AHU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)勢會有所降低。

　　2）針對無法采用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+獨立熱源系統(tǒng)，熱回收量越多，采用熱回收的收益越大。

 

　　實際項目中，一個IT設(shè)施負荷為5000kW的數(shù)據(jù)中心，電力消耗費用為4000萬元左右，供暖相關(guān)費用占比不大，特別是用熱量較低或供暖時間不長時，熱回收帶來的節(jié)能收益會更加不明顯，能源費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。多個地方標準、行業(yè)標準、企業(yè)標準都采用PUE對數(shù)據(jù)中心進行節(jié)能性能的劃分。但PUE本身是一個片面的指標，其實際指向的是數(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并不會出現(xiàn)相同趨勢的線性降低，反而會出現(xiàn)PUE值下降而總能耗增大的現(xiàn)象。針對數(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)同時考慮，基于能耗總量和技術(shù)經(jīng)濟比較確定冷熱源方案，達到降低整體能源消耗的目標。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，冬季同時供冷供熱。

　　3）用冷用熱負荷相當?shù)膱鼍埃枰鶕?jù)項目的實際情況進行進一步的分析，同時需要考慮補冷補熱系統(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，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1萬m2的數(shù)據(jù)中心，可以支持高達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。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)中心的實際運行往往是前期處于低負荷狀態(tài)，中后期負荷較高，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，整個系統(tǒng)輔以合理的輸配及補冷補熱系統(tǒng)，進而形成大規(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)中心永遠不變的發(fā)展方向。隨著“雙碳”戰(zhàn)略的逐漸落地，對數(shù)據(jù)中心的能源利用效率會有更高的要求，相信數(shù)據(jù)中心建設(shè)也會采取更有效、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。