推动二氧化碳热泵技术转化应...心从能源消费者向提供者转变_周廷.pdf

56技术推动二氧化碳热泵技术转化应用 促进数据中心从能源消费者向提供者转变文 _ 周廷 李晓丹 北京节能环保中心 摘要：为解决数据中心制冷系统能耗不断提升、余热未被合理利用、含“氟”制冷剂大量使用等问题,本文突破数据中心自身的限制，研究提出结合区域规划，构建基于 CO2热泵技术的“数据中心+”能源利用方案，打造以数据中心余热为核心的区域冷热供应系统，充分利用数据中心余热为周边用户提供生活热水或供暖服务，促进数据中心从能源消费者向提供者转变。计算表明，研究所提出的方案具有显著的经济效益和节能降碳效果。关键词：数据中心;CO2热泵;余热利用;节能降碳Research on Building the“Data Center+”Region Energy Systems Based on CO2 Heat Pump and Promote the Transition of Data Centers from Energy Consumers to ProvidersZHOU Ting LI Xiao-dan Abstract In order to solve the problems in data centers，such as increasing energy consumption of refrigeration system,waste heat not being used rationally,a large number of refrigerants containing“Fluorine”being used，this paper puts forward to construct the“Data Center+”region energy systems based on CO2 heat pump.The systems take the data center as the energy producer instead of consumer and provide hot water or heating for the residents.The results show that the proposed scheme has obvious economic benefits,and the effect of energy saving and carbon reduction is significant.Key words data center;CO2 heat pump;waste heat utilization;energy saving and carbon reduction随着大数据、云计算、人工智能等信息技术的快速发展，大型数据中心迎来快速发展期。数据中心服务器等IT设备功率密度高达 3002000W/m2，全年不间断运行,即使在系统空闲时,仍旧会消耗 60%100%的最大功率，而 IT 设备消耗约 97%的电力都转化为热量，通过冷却设备排放的大气中。数据中心的余热可以作为区域能源的廉价热源，以降低区域能源供热运行成本。如天津滨海新区腾讯数据中心采用余热回收方式给约9200平方米办公区域供暖；武汉建设银行数据中心采用余热回收方式给约10万平方米办公楼供暖；南京江北新区数据中心采用余热回收方式给园区供热；河北廊坊某数据中心采用余热回收方式给约 2000 平方米办公楼供暖等。北京市，近年来数据中心机柜年复合增长率超过 15%，数据中心重点用能单位年用电量达 80 亿千瓦时，约占全社会用电量约 7%。2021年北京市经济和信息化局发布 北京市数据中心统筹发展实施方案(2021-2023 年)鼓励数据中心采用余热回收利用措施，为周边建筑提供热源，提高能源再利用效率；北京市发展和改革委员会发布 关于进一步加强数据中心项目节能审查的若干规定要求数据中心应当充分利用自然冷源，通过自用、对外供热等方式加强余热资源利用。数据中心余热利用潜力巨大，但影响余热利用的因素也有很多，其中，数据中心余热温度是影响热回收技术选择和热利用可行性的关键因素。2022 年，跨临界 CO2制冰系统在国家速滑馆等奥运场馆的成功应用，为解决数据中心余热利用提供了新的解决方案。1 CO2热泵技术在碳减排方面的应用CO2作为最清洁的天然制冷工质，区别于传统含氟工质，对臭氧层无影响；且全球变暖潜势（GWP）为1，不产生额57外温室效应。20 世纪 90 年代以来，国际上对 CO2的研究越来越多。CO2作为热泵系统的制冷剂，其系统性能可与现有合成工质系统性能相当，被作为热泵系统现有合成工质（R134a等含氟工质）中最有潜力的替代品。CO2热泵系统除能够单独供热或供冷以外，人们更关注CO2热泵冷热同时供应系统。2006 年，SARKAR 等首先提出并模拟了冷热供应一体系统，此后，CO2跨临界循环技术得到快速发展。目前，已经在国内外食品冷冻冷藏、汽车空调、热泵系统、人工冰场等多个领域得到应用。北京冬奥会场馆建设过程中，国家速滑馆、首都体育馆等 4 个冰上场馆首次使用跨临界 CO2热泵技术制冰，直接利用CO2达 900 吨。国家速滑馆在利用CO2制冰的同时，采取冷热联供一体化设计，回收利用 40120各温度段的余热，实现了能源高效、梯次利用。相比传统制冷系统，节能 36%，年可节约能耗约 250 万千瓦时，减少氟利昂排放45 吨，二者间接减排 CO2超过 7000 吨。以CO2作为循环工质，充分发挥跨临界 CO2热泵技术优势，实现区域冷热供应，不仅能够显著提高制冷效率，为数据中心提供高效制冷服务，还可以充分利用数据中心大量低品质余热，为周边用户提供生活热水或供暖服务，这将成为数据中心绿色低碳、可持续发展的重要突破方向。2 数据中心能源消耗及碳排放特点随着数字孪生、虚拟现实、元宇宙等概念的兴起与实践，数据中心将呈持续高速增长态势，数据中心规模将不断扩大，算力不断提高，随之带来的能耗及碳排放也将不断攀升。2.1 制冷系统能耗大当前，数据中心 IT 设备能耗约占总能耗的 45%50%，制冷系统能耗约占 30%45%，供配电系统约占10%15%，照明系统及其他约占 3%5%。为了解决 IT 设备运行产生的大量废热、保障 IT 设备在恒定温湿度环境下正常运行，制冷系统消耗的电能接近真正有价值的IT设备。大量消耗电能直接带来较高的 CO2排放量。因此，要打造绿色数据中心，降低制冷系统能耗是关键，提升制冷效率是核心。2.2 余热未被合理利用IT 设备所消耗的大量电能基本都转换成热能，但这部分热能温度不高，难以直接利用，所以，数据中心具有产热量大、持续稳定，但品质较低的特点。利用数据中心余热的难点在于提升余热品质并为其匹配合适的热用户。2.3 含“氟”制冷剂大量使用现阶段，数据中心制冷设备通常采用电压缩制冷方式，制冷剂仍以 R22、R134a 等含氟工质为主，其全球变暖潜能值（GWP）高达 13001760。当前，我国尚无明确的制冷剂回收替代机制，含氟工质的大量使用，将造成大量潜在温室气体效应，与“碳达峰、碳中和”发展目标不符。3 以数据中心为核心的区域冷热供应方案的构建3.1 技术解决方案单从数据中心自身出发，很难解决其能耗过高的问题。区域供暖是数据中心余热利用一个非常有前景的应用方式，也是低质量能源再利用最常见和简单的应用。数据中心绿色低碳发展，不应仅限于自身可再生能源利用和节能技术的应用，更应从区域和全局的角度将数据中心与周边办公、公寓、商业、居民社区等功能建筑进行统筹规划，并根据数据中心余热特点与周边建筑物的热需求相耦合，把数据中心由“全职”的能源消费者，变为“兼职”的能源提供者，实现数据中心能源综合利用。3.1.1 系统整体设计思路围绕数据中心构建“水源-CO2热泵”区域冷热综合能源供应系统。以CO2作为制冷剂，通过 CO2与冷冻水的换热，兼容数据中心末端空调设施为 IT 机柜提供冷源；同时，利用跨临界 CO2优异的高温制热性能，通过“CO2-水”换热器为周边建筑物提供季节性采暖热水和全年生活热水，实现以数据中心为核心的区域冷、热综合供应，示意图见图1。3.1.2 运行控制策略根据季节变化、环境温度、用户热需求的季节性变化，以数据中心为核心的区域冷热综合供应系统根据实际情况灵活调整运行方式，在满足各方冷热供应需求的同时最大程度利用自然冷却，以降低能耗，示意图见图 2。（1）夏季：数据中心采用机械冷却方式，水源-CO2热泵运行，为数据中心提供全部制冷需求；同时，水源-CO2热泵利用冷冻水回水的余热加热生活热水，为周边建筑物提供生活热水的供应。夏季，自然冷却系统不工作，控制阀 V1、V2、V3 关闭，V4 开启。（2）过渡季：可部分利用自然冷却方式对数据中心进行冷却，以降低一部分机械制冷能耗。数据中心冷冻水回水先经自然冷却系统进行第一次降温后，再经水源-CO2热泵二58技术次降温换热后为数据中心提供冷源；水源-CO2热泵仍可利用冷冻水回水的余热为周边建筑物提供生活热水供应。控制阀 V1、V2 打开，V3、V4 关闭。（3）采暖季：数据中心可充分利用自然冷却进行降温，机械制冷需求虽有所下降，但根据北京地区数据中心运行实际情况来讲，为防止冬季较冷天气中冷却塔结冰，自然冷却一般在每年10-12月期间间歇性使用，自然冷却时间较短6。水源-CO2热泵以满足周边建筑物采暖需求为主，可根据周边建筑热需求，工作在“以热定电”模式，此时机械制冷量随周边建筑用热需求逐时曲线变化，机械制冷量输出不足时，可由自然冷却系统补充。控制阀 V1关闭，V2、V3、V4 打开。水源-CO2热泵通过对数据中心余热进行温度提升，可实现区域供热功能。跨临界 CO2冷热供应技术可提供多元化、创新型冷热综合供应解决方案，如“数据中心+能源站”“数据中心+住宅建筑”“数据中心+体育场馆”“数据中心+酒店”“数据中心+商业楼宇”等方式，形成以数据中心为核心的区域冷热综合供应系统，既满足自身用冷，又惠及他人用热。3.2 经济性分析3.2.1 与传统制冷模式经济性对比分析以北京地区某大型数据中心（4500 标准台架）为例，全年稳定用冷，总制冷负荷为1.1万千瓦，机械制冷采用5 台离心式冷水机组，采用 R134a作为制冷剂。若将该数据中心冷水机组替换为 5 台相同制冷量的水源-CO2热泵机组，在满足总制冷负荷的同时，还可提供1.3 万千瓦热负荷，既能满足数据中心15冷冻水供应，又可为 29 万平方米住宅建筑提供 60以上采暖热水。CO2热泵机组（国产）初始投资为 5 台1000 万元，传统冷水机组初始投资为 5 台600 万元，供暖季 CO2热泵运行需要消耗电费约为 274 万元，但按照 29 万平米供暖面积测算可以收回采暖收益 870万元，生活热水收益为157 万元（按 15 元/吨计算）。综合下来，虽然 CO2热泵机组初始投资较高，冬季有额外电能消耗，但从理论上来讲，如果出售全部余热，收回供热和生活热水收益，可在第 2 年回收设备投资成本；具体项目回收初始投资时间取决于实际供热收益情况。3.2.2 与传统区域冷热供应系统经济性对比分析以上述大型数据中心为例，采用 CO2热泵机组的“数据中心+”能源利用系统与采用传统冷水机组+燃气锅炉实现区域冷热供应的系统相比，年运行成本可减少392万元，费用降低 59%。凭借运行成本低的优势，在供热收益不变的前提下，采用 CO2热泵实现区域冷热供应的方式经济优势将逐年扩大。3.2.3 经济性预测在“双碳”背景，随着产业链完善、核 图 1 以数据中心为核心的区域冷热供应系统示意图图 2 数据中心 CO2热泵机组冷热综合供应流程切换示意图59心设备规模国产化及相关政策的支持，CO2热泵设备成本下行空间很大，可与传统冷水机组基本持平，经济效益上将具有更大竞争优势。3.3 节能降碳效果分析上述“数据中心+”能源利用系统与传统冷水机组+燃气锅炉实现区域冷热供应系统的能源消耗及CO2排放量差异如下表所示。“数据中心+”与传统能源系统相比，节能率