针对现有采用间接蒸发冷却的数据中心辅助区和支持区冬季供暖存在的不节能、运行成本高、无法回收机房余热等问题，提出了3种不同的余热利用方案，分别为间接蒸发冷却空调机组回风段设置换热单元回收机房余热、利用空气循环处理机组（AHU）回收机房余热、利用间接蒸发冷却空调机组辅助压缩机直接供热；并介绍了3种方案的余热回收系统设计、控制逻辑、适用场景及优缺点。以某数据中心为例，从设备选型、初投资、运行耗电量、运行成本几方面进行了方案分析，为该类数据中心的余热回收系统设计提供了参考和解决方案。数据中心；冷却系统；间接蒸发冷却空调机组；余热利用；节能减排近年来，随着我国互联网技术的日益发展和数字化建设的步伐加快，作为算力基础设施的数据中心，其数量和规模也呈现出快速增长的态势。与此同时，数据中心的高能耗问题也愈发凸显。据工信部统计，2021年我国数据中心总耗电量超过2 100亿kW·h，占社会总耗电量的2.6%。因此，数据中心的绿色低碳建设正成为行业焦点。降低数据中心冷却系统能耗是数据中心绿色低碳发展的重要路径之一。间接蒸发自然冷却技术，能够在降低数据中心能耗的同时更大限度地利用自然冷源，在我国数据中心具有较大的适用性。对于数据中心间接蒸发冷却系统，已有不少学者从机组性能、适用范围、节能效果和经济性分析等多方面进行了全面研究。国内外市场上已有不少成熟的间接蒸发冷却空调产品，在数据中心行业得到了广泛的应用。目前，国内数据中心余热利用案例相对较少。在“双碳”的大背景下，从国家到地方政策都在探索和鼓励数据中心的余热回收利用。数据中心越来越重视节能增效，将高效冷却技术与余热利用技术相结合是十分有效的途径。虽然间接蒸发冷却技术依靠其节能优势已在数据中心获得了规模化推广，但对于此类冷却系统的余热回收方案的研究较少。目前大部分数据中心间接蒸发冷却空调不具备余热回收功能，仅有少量不成熟的解决方案。因此，如何在采用间接蒸发冷却技术的数据中心利用IT设备余热供热，以提升数据中心能源利用率已成为数据中心行业的一个重要研究方向。本文提出3种间接蒸发冷却数据中心余热回收方案，并分析了其系统设计、优缺点及适用场景。间接蒸发冷却空调机组是利用间接蒸发冷却技术供冷的一种空调设备，它的供冷原理是利用直接蒸发冷却的室外空气和水通过空气-空气换热器与室内循环空气进行换热，实现对室内空气的供冷，由于室内循环空气与室外湿空气和水不直接接触，故而保证了室内空气不被室外环境污染，因此间接蒸发冷却空调机组在近些年不仅在国内外数据中心行业被广泛应用，还被应用于工业和民用空调系统中。它主要由空气-空气换热器、室内侧循环风机、室外侧冷却风机、辅助压缩机、冷凝器、蒸发器、电子膨胀阀、喷淋系统等主要部件构成，喷淋系统又包括喷淋水泵、集水盘、喷淋头及水位控制系统等。
机组全年供冷运行时，根据室外干湿球温度不同，分为3种运行模式：第1种是干式冷却模式，当室外干球温度较低时，利用室外低温空气，通过空气-空气换热器对室内循环空气进行冷却；第2种是湿式冷却模式，当室外干球温度较高而湿球温度较低时，通过在空气-空气换热器室外侧喷水来对室内循环空气进行冷却；第3种是压缩机补冷模式，当室外湿球温度持续升高、仅对空气-空气换热器室外侧喷水冷却无法使室内侧循环空气降到送风温度时，开启辅助压缩机进行补冷运行。
间接蒸发冷却空调机组供冷时，通过室外侧风机把机房IT设备余热散发到室外环境中，造成能源的极大浪费，而数据中心在冬季运行时，其辅助区和支持区还需供暖，现有间接蒸发冷却空调机组仅具有供冷功能，无供热或热回收功能，且间接蒸发冷却空调机组采用空气-空气换热器，系统无冷水或冷却水，无法利用水源热泵或水源多联机等热回收设备供热，因此在冬季还需利用其他形式热源为辅助区和支持区供暖，目前通常采用市政热源供暖，当无市政热源时采用电锅炉或电暖风机供暖。以上2种供暖方式运行能耗和成本均较高，且采用电锅炉或电暖风机供暖也不符合节能规范的要求。2.1 余热回收方案
应用间接蒸发冷却空调机组的数据中心无冷水和冷却水，因此余热回收不同于传统水系统的回收方式，可通过以下3种方案进行余热回收。1） 方案1：在间接蒸发冷却空调机组回风处内安装空气-水换热单元，换热单元由盘管、粗效过滤及保温箱体组成。热回收运行时，冷却水先经过换热单元对机房回风预冷却，并回收回风中的余热，再由水源热泵吸收冷却水中的热量对外供热，被预冷却的回风进入间接蒸发冷却空调机组被继续降温至送风温度后再送入机房，该系统热回收方案如图1所示。单台换热单元最大设计换热量，根据单台间接蒸发冷却空调机组设计供冷量乘以IT设备运行负载率来计算，当无负载率数据时，可按0.5~0.7考虑；换热单元数量根据热泵机组热源侧总负荷和单台设计换热量来确定，为保证冬季供热可靠运行，最少设计数量为2台。2） 方案2：采用空气处理机组（air handling unit，AHU）回收机房余热。AHU由表冷器、送风机、粗效过滤器及保温箱体组成，热回收运行时，AHU和间接蒸发空调机组共同为机房供冷，冷却水通过AHU内表冷器与机房回风换热回收机房余热，再由水源热泵回收冷却水中的余热对外供热，机房热回风被冷却水冷却至送风温度后再送至机房冷通道，该系统热回收方案如图2所示。单台AHU换热量根据热泵机组热源侧总换热量和机组数量来确定，为保证冬季供热可靠运行，最少设计数量为2台。3） 方案3：由间接蒸发空调机组直接供热，即在间接蒸发空调机组内设置制冷剂-水换热器，回收辅助压缩机的压缩热来直接对外供应45~60 ℃热水，同时再通过蒸发器为机组室内侧循环空气供冷，机组供冷供热系统如图3所示。由图3可知，供热时，辅助压缩机的高温高压制冷剂气体在换热器8内被冷却成液态，循环水吸收高温高压制冷剂中的热量后，再由热水循环泵供至室内末端供热设备，被冷凝的液态制冷剂进入冷凝器5内被再冷却，再冷却能够提高机组的供冷量，从而降低室外侧循环风机耗电量，最后经膨胀阀11膨胀后进入蒸发器6内，对机组室内侧回风进行供冷，从而实现供冷供热循环。2.2 3种方案优缺点和适应场景
2.2.1 方案1
1） 优点：① 热回收单元结构简单，投资较低；② 热回收单元安装在回风管内，无需占用额外空间，适合新建数据中心和现有机房改造。2） 缺点：① 间接蒸发冷却空调机组的回风管处安装热回收单元，室内侧风机选型时需考虑热回收单元风阻，风机选型增大；② 间接蒸发冷却空调机组全年运行时，机房回风均需经过热回收单元，风机耗电量大；③ 系统设备种类多，需要考虑水源热泵、辅助冷却水泵、热水泵的安装空间。
2.2.2 方案21） 优点：① AHU循环机组属于独立余热回收设备，不影响间接蒸发冷却空调机组选型；② 机组型号统一；③ 适合新建数据中心和现有机房改造；④ 间接蒸发冷却空调机组非供暖季运行时，室内侧风机运行耗电量无增加，供暖季运行时，室内侧风机耗电量降低。2） 缺点：① 系统增加AHU机组风管系统和风机配电系统，故投资较高；② AHU设备尺寸大，占用空间较大；③ 系统设备种类多，需要考虑水源热泵、辅助冷却水泵、热水泵的安装空间。
2.2.3 方案31） 优点：① 系统仅有热水供应系统，无风系统、冷却水系统及额外风机配电系统，因此系统简单、投资低；② 间接蒸发冷却空调机组非供暖季运行时，风机运行耗电量无增加；③ 无其他热回收设备，维护成本低，对土建无影响。2） 缺点：供冷供热间接蒸发冷却空调机组需要定制化生产。
2.3 3种方案系统控制方式1） 方案1在供热运行时，系统开机顺序为：先开启冷却水泵，再开启热水泵，最后开启水源热泵；关机顺序相反。冷却水泵频率由冷却水供回水设计温差控制，并设置最低运行频率以保证水源热泵热源侧最小进水量，根据末端供暖设备形式不同，热水泵控制方式也不同，当末端为空调机组或风机盘管时，热水循环泵频率根据供回水总管或最不利管路压差控制，并通过总管压差旁通阀来保证热泵机组最小进水量。当末端为散热器时，根据热水供回水温差控制，并设置最低运行频率以保证热泵机组最小进水量，系统供热温度由热泵机组控制，热泵机组运行数量由运行负荷率控制，机房送风温度由间接蒸发冷却空调机组室内侧风机变频控制。2） 方案2在供热运行时，系统开机顺序为：先开启AHU机组冷却水管道电动调节阀，再依次开启冷却水泵、热水泵和水源热泵机组，最后开启AHU机组风机；关机顺序相反。冷却水泵和热水泵控制、水源热泵数量控制及供热温度控制与方案1的逻辑一样，不同之处在于方案2的AHU送风温度由调节冷水管道电动调节阀开度来控制，方案1的空气-水换热单元无需控制。机房送风温度控制由间接蒸发冷却空调机组室内侧风机和AHU风机变频控制。3） 方案3在供热运行时，系统开机顺序为：先开启热水泵，再开启供冷供热间接蒸发冷却空调机组并切换为供热模式，此时辅助压缩机启动，系统对外供热运行，压缩机由供热温度控制，供热温度可根据实际需求重新设定，间接蒸发冷却空调机组送风温度由机组室外侧风机变频控制，电子膨胀阀通过蒸发器出口制冷剂气体过热度控制，供冷供热运行的间接蒸发冷却空调机组数量由供热系统热负荷或压缩机负载率控制，热水泵控制与方案1、2的逻辑一样。3.1 工程概况
以张家口市某数据中心为例，该项目为2层建筑，1层为辅助区和支持区，2层为机房区，总建筑面积约20 000 m2，设计等级国标A级，设计机柜数共计1 650个，单机柜功率密度10 kW，设计IT功率16.5 MW。数据中心共10个IT机房，单个机房IT负荷为1 650 kW。机房区采用间接蒸发冷却空调机组供冷，机组设置在数据中心屋面，每个IT机房设计7+1台单台净显冷量为275 kW的间接蒸发冷却空调机组，变配电区采用空气源带氟泵自然冷却直膨式空调供冷。园区综合监控大楼供热系统设计热负荷为591 kW，原设计供暖方式为散热器系统，热源为市政高温热水，供热供/回水温度为80 ℃/60 ℃，经换热后，热水供/回水温度为60 ℃/40 ℃。原供热方案的缺点：供热成本高，能耗和碳排放量高，未利用机房余热，不利于数据中心节能减排，造成余热资源的浪费，不符合国家对数据中心余热利用的政策要求。该数据中心综合监控大楼在供暖季采用上述3种不同余热回收方案供暖时，其系统和主要设备选型参数见表1。1） 采用方案1时，系统设2台供热量为300 kW的水源热泵机组，机组热水供/回水温度为60 ℃/40 ℃，冷水设计供/回水温度为20 ℃/25 ℃，设计4台单台换热量为120 kW的空气-水换热单元。2） 采用方案2时，系统热源侧和供热侧设计同方案1，不同点在于方案2设计4台单台换热量为120 kW的AHU回收机房回风余热。3） 采用方案3时，系统由供冷供热间接蒸发冷却空调机组直接供应热水，因此仅有热水系统，热水设计供/回水温度为60 ℃/40 ℃。由于间接蒸发冷却空调机组的辅助压缩机按照补充供冷需求来选型，该项目间接蒸发冷却空调机组设计补冷量为额定供冷量的50%，因此压缩机额定输入功率为30.7 kW。由于机组供热温度为60 ℃时，热源温度即机组内蒸发器进风温度约为30 ℃，因此压缩机设计供热COP为3.9，机组设计供热量为120 kW，故设计4台供热供冷间接蒸发冷却空调机组。
3.3 节能分析式中 QA为全年供暖耗热量，GJ；Ds为供暖期时间，d，取146 d；Q为供暖设计负荷，kW；ti为室内设计温度，℃；ta为供暖期室外平均温度，℃；to为供暖室外计算温度，℃。该方案中，Q=591 kW，ti=18 ℃，ta=-3.9 ℃，to=-13.6 ℃，代入式（1），计算得到QA=5 166.7 GJ=1 435 187 kW·h。式中 Ns为水泵耗电功率，kW；Gs为水泵流量，m3/h；H为水泵扬程，m；ηs为水泵效率。式中 Nf为风机耗电功率，kW；Gf为风机流量，m3/h；p为风机压头，Pa；ηf为风机全效率。
计算采用当量满负荷运行时间法，当量满负荷运行时间见式（4），全年耗电量计算见式（5）。式（4）、（5）中 τ为当量满负荷运行时间，h；qB为热泵机组额定供热负荷，kW；PR为系统全年耗电量，kW·h；N为所有设备总数；PRn为热泵机组或水泵额定耗电量，kW。由表2可知，方案1的供暖耗电量最大，方案2次之，方案3最小。方案1由于余热回收换热单元设置在回风管中，因此全年均增加了间接蒸发冷却空调机组室内风机耗电量；方案2的AHU和间接蒸发冷却空调机组并联设计，AHU运行时既回收了机房余热，又承担了机房部分供冷负荷，因此AHU增加的耗电量等于间接蒸发冷却空调机组减少的耗电量，计算运行耗电量时可不计AHU的耗电量；方案3在供冷供热间接蒸发冷却机组余热回收运行时，机组内压缩机和室外侧风机共同向机房供冷，相比机组仅供冷运行时增加了压缩机的耗电量，减少了室外侧风机耗电量，计算仅计入了压缩机增加的耗电量，不计室外侧风机减少的耗电量，故而方案3实际供热运行耗电量小于上述计算值。
3.4 初投资对比由表3~5可知，方案2初投资最高，方案1次之，方案3投资最小。方案1、2供热侧和热源侧系统均相同，两者投资差异主要是因为AHU设备及配套系统成本高于余热回收换热单元的成本。方案3由间接蒸发冷却空调机组直接供应热水，因此系统无水源热泵及水源侧循环泵等设备，间接蒸发冷却空调机组内仅多了热回收换热器、附属管道阀门及冬季供冷供热控制模块，因此投资最低。3.5 运行费用对比
3种余热供暖方案的供暖季运行费用见表6（电费标准均为0.6元/（kW·h））。由表6可以看出，方案1运行费用最高，方案2次之，方案3最低。综上所述，方案3在初投资、运行成本、年供热耗电量上均为最低，经济性最好，是最佳方案；方案2初投资最大，运行成本次之；方案1初投资次之，运行成本最高。1） 方案3在初投资、运行成本和运行电耗方面均优于方案1、2，方案3由间接蒸发冷却空调机组直接供应用热水，系统无水源热泵、水源侧循环泵及水源侧附属管道系统，仅有供热系统和循环泵，因此系统最简单，适合在新建项目中应用，只需对间接蒸发冷却空调机组进行定制化生产，在机组内部增加制冷剂-水换热器、在控制系统中增加冬季供热运行控制模块。2） 方案1、2均需设置水源热泵和水源侧冷却水系统，因此系统初投资、运行成本和电耗均高于方案3。方案1的热回收盘管设置在机组回风管内，盘管不占用额外空间，适合于已建数据中心的余热回收改造。方案2的AHU机组需占用屋面或室外空间，适合于新建或改造项目，若在改造项目中应用，需核实AHU机组的安装位置。在初投资、运行耗电量及成本方面，方案1初投资小于方案2，但运行成本和电耗均高于方案2。本文刊登于《暖通空调》2023年第7期
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