吕萌萌陈静王芳
（华通设计顾问工程有限公司，北京100020）
[摘要]以夏热冬冷地区某项目数据中心为例，对数据中心余热利用空调系统方案进行设计，简要介绍余热利用方案，并进行社会及经济效益分析.项目有效利用数据中心余热解决办公建筑部分用能需求，提高能源综合利用效率，节 省运行费用，达到节能减排目标.
[关键词】数据中心：余热利用：水源热泵空调：经济性分析
DesignandApplicationofWasteHeatUtilizationSystemin Data Center
Lyu Mengmeng Chen Jing Wang Fang
(Walton Design & Conselring Engineering Co. Lad. Beijing 100020)
Abstraet: Taking the data centre building in the hot summer and cold winter area as an example the paper designs the airconditioning system of the waste heat utilization in the data center briefly introduces the waste heat utilization scheme andthe energy demand for office buildings. It improves the efciency of energy prehensive utilization saves operating costs carries on the social and economic benefits analysis. The project effectively uses the waste heat of data center to solve part ofand achieves energy conservation and emission reduction goals.
Keywords: data center waste heat uilization water source heat pump air conditioning economic analysis
1引信
达到节能减排的目标.
地区，与数据中心机房建筑统一规划建设的办公、商业 因此，在冬季有采暖需求或有稳定生活热水需求的或住宅等项目，则具备较好的利用数据中心余热的条件.
说，数据中心的建设尤为重要.数据中心对于机房环境 对于互联网络、云计算等技术飞速发展的时代来的要求较高，为了更加专业和便于管理.大型的、专业的数据中心数量也逐渐增多.
2项目概况
数据中心是24小时工作的，进入服务器的电能大多都是以热的形式散发出去.因此，数据中心设备在运 行时会产生大量热量.为了维持数据中心稳定工作，数据中心的空调系统需要全年制冷运行.面对于数据中心设备运行产生的巨大发热量，有条件的项目如能较好地将该余热进行回收利用，不仅能够解决建筑部分用能需求，提高能源综合利用效率，更能降低建筑运行费用.
规划建设的1#-3#研发办公楼、配套餐厅及数据中心机 项目案例位于杭州，属于夏热冬冷地区，包括同期房.研发办公建筑及配套餐厅冬季有采暖需求.1#-3#研发办公楼及配套餐厅的总建筑面积约10.8万平方米，其中，地上建筑总面积7.4万平方米，主要功能为办公研发及餐饮：地下总建筑面积3.4万平方米，主要功能
为地下车库及设备用房.单栋数据中心机房总建筑面积为2.2万平方米，无地下空间.项目场地无市政热源条件.
风管道尺寸仅适用输送距离短、应用规模小的方案.该余热利用方案不适用于本项目.
泵系统运行状态受室外环境参数影响较大，且考虑结霜、 对于本项目较大体量的采暖及制冷需求，空气源热热效率不高及安装维护等方面因素影响，本项目未考虑应用空气源热泵方案.
3室内设计参数
研发办公楼及餐厅的主要功能房间的冬夏季室内设计参数如表1.计算研发办公楼及餐厅总夏季冷负荷为7300kW，冬季热负荷约5400kW.数据机房分期建设，近期建设启用部分空调负荷约为4200kW，远期建设的 终期目标空调负荷约为21000kW.
水源热泵系统全年温度波动小，运行稳定，制冷及办公及餐厅建筑侧采用水源热泵机组，可提取数据中心 制热系数高.因此，主要考虑水源热泵系统形式.研发的冷冻水回水或冷却水回水中的热量进行供暖.
针对数据中心机房的空调系统，国内通常采用高温冷冻水设计，冷冻水回水温度约为15℃-20℃，即系统设定后，数据机房的冷冻水温度约为全年恒定温度.冷 却塔的冷却水供回水设计温度通常为32℃/37℃，但冷却塔的供国水温度容易受到当地湿球温度影响而发生温度变化，变化范围在37℃~16°℃.
表1研发办公楼及餐厅主要功能房间室内设计参数
rooms of R&:D offce building and restaurant干球温度（） 时湿度（%）房间 夏季 冬季 夏季 冬季 新风量（m²p）办公室 26 20 50 40 30-35餐厅 26 20 55 40
4.3空调系统方案设计
本项目中数据中心冷冻水供回水温度采用12℃/18℃，考虑到数据中心空调系统的安全性要求远高于研发办公区的舒适性空调要求，因此，在保证数据 中心机房空调系统安全稳定运行前提下，本项目研发办公楼及餐厅采用水源热泵系统，在冬季工况下、取用恒定的数据中心机房冷冻水回水（18℃）作为采暖热源，进行余热利用.
4余热利用空调系统设计
4.1常规空调系统设计
央空调.按照常规采暖空调系统设计，本项目数据中心 目前，国内大型数据中心空调系统多采用水冷式中机房采用水冷式冷水机组进行全年供冷.冷却塔常年运行，为了达到节能目标，过渡季节及冬季室外湿球温度较低时可采用制冷主机与板式换热器联合供冷或完全冷却塔免费制冷：办公建筑及餐厅夏季采用水冷式冷水机 组提供制冷，冬季采用燃气锅炉系统满足采暖及生活热水需求.数据中心机房和研发办公楼、餐厅的空调设备系统是相互独立的.
数据中心机房18C冷冻水回水经研发办公及餐厅热泵机组降温后转化为12℃冷冻水供水.数据中心机房空调在冬季可同时采用免费制冷技术（板式换热器冷却塔制冷），达到节能运行的目标.
余热回收利用采暖空调系统方案原理图（图1）.
4.2数据中心余热利用形式
本项目考虑数据中心运行特点，设备全年发热量巨大，空调系统全年供冷，且投入运行后热源稳定，能够利用数据中心空调系统余热为研发办公楼及餐厅提供全 部或部分的供暖及生活热水热源，达到节能减排目标.
数据中心余热利用的方式通常包括以下三种：
（1）机房热通道内的热空气直接利用方案：
图1余热回收利用采暖空调系统方案原理图
（2）空气源热泵方案：
Fig 1 Schematic diagram of heating and air conditioningsystem for waste heat recovery and utilization
（3）水源热泵方案.
其中，机房热通道内的热空气直接利用方案由于直接输送热空气至所需要的区域，而空气热容量较小，送
研发办公及餐厅部分的具体空调系统设计方案：
（1）夏季，采用水冷式电制冷冷水机组进行供冷.按照降低能耗和方便调节的原则，设置3台离心式冷组，离心式冷水机组单台制冷量为2150kW，螺杆式制 水机组（其中2台为热泵型机组）、1台螺杆式冷水机冷机组的单台制冷量为1230kW.冷却塔台数与制冷机组台数一对一方式配置.夏季空调冷冻水供回水温度为7℃/12℃，冷却水供回水湿度为32℃/37℃.末端采用风机盘管或组合式空调机组.
（2）冬季，利用2台热泵机组的冷凝器侧的散热经板式换热器换热为研发办公楼及餐厅提供空调热水，热泵机组冷凝侧的一次热水供回水湿度为50℃/40℃经换热后二次热水供回水温度为48℃/38℃.同时，为保证系统供热，设置钢炉作为辅助热源.锅炉总装机容 量5.82MW，设置2台供热量2910kW的燃气真空热水锅炉作为辅助热源.供回水湿度为48℃/38℃.在数据中心稳定运行，热源提供充足条件下，可全部由数据中心机房余热提供研发办公及餐厅的冬季采暖负荷需求.供回水湿度为12℃/18℃. 热泵机组的蒸发器侧为数据机房提供冷冻水，冷冻水的
4.4系统控制运行策略
（1）夏季工作时间：根据研发办公及餐厅的负荷大小调节开启冷机台数，最大供冷负荷为4台冷水机组同时开启.
（2）夏季非工作时间：根据负荷大小调节开启冷机台数，冷负荷较小时仅开启1台螺杆机组.
（3）冬季工作时间：设有3种运行模式.
一是热系机组独立供暖模式：根据研发办公楼及餐厅采暖负荷调节开启热泵机组台数，热泵机组在向办公区域供暖的同时，向数据机房部分供冷，供回水温度为12°℃ /18°℃;
二是钢炉独立供暖模式：由于某种原因热泵机组不能启动，可由锅炉向办公区供暖，钢炉供暖采用混水方式；
足时，采用该方式. 三是钢炉与热泵联合供暖模式：当热泵供暖负荷不
四是冬季非工作时间：停止供暖.
5节能及经济效益分析
以本项目设计方案作为优化方案，与常规空调系统方案对比，进行初投资分析.本文中仅估算优化方案较
6总结
参考文献
作者简介
常规方案的增量成本.优化方案较常规方案增设2台热泵机组、2个板式换热器、热水循环泵及对应供热管路、其他系统设备相同，初投资增加约101万元.
经模拟分析及计算，采暖期间采用优化方案后，空调设备系统运行耗电量增加110MWh，节省天然气用量11万m”，折合总运行费用节省约29万元/年.项目系统的静态投资回收期约3.5年.优化方案节省标煤为10，具有良好的经济及社会环境效益. 量89133kg/年，年CO减排量为222t，年SO减排量
绿色建筑鼓励在热电厂、工厂等具有余热、废热资源的区域合理利用余热废热解决建筑的蒸汽、供暖或生 活热水需求，是实现资源高效综合利用、节能减排的重要措施.数据中心机房作为需求逐步上升的建筑类型，其能源资源的有效综合整合利用技术的探索和实践具有重要作用和意义.本文结合项目案例，采用数据机房冷冻水回水作为余热利用热源，对空调系统设计进行优化，经分析计算，项目方案具有较好的经济效益及社会环境 效益，为数据中心余热利用的设计提供了参考依据和实践案例.
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吕萌萌.女，硕土.高级工程师，主要从事绿色建筑、超低能耗建筑和被动式建筑认证与评价
