数据中心余热利用系统方案设计与应用

建设科技 ∣ 55

实践应用

建设科技

CONSTRUCTION SCIENCE AND TECHNOLOGY

2019年6月下总第386

期

1 引言

对于互联网络、云计算等技术飞速发展的时代来说，数据中心的建设尤为重要。数据中心对于机房环境的要求较高，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。

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。而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，

数据中心余热利用系统方案设计与应用

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

Design and Application of Waste Heat Utilization System in

Data Center

Lyu Mengmeng, Chen Jing, Wang Fang

(Walton Design & Consulting Engineering Co., Ltd.，Beijing, 100020)

Abstract : Taking the data centre building in the hot summer and cold winter area as an example, the paper designs the air conditioning system of the waste heat utilization in the data center, briefly introduces the waste heat utilization scheme, and carries on the social and economic benefits analysis. The project effectively uses the waste heat of data center to solve part of the energy demand for office buildings. It improves the efficiency of energy comprehensive utilization, saves operating costs, and achieves energy conservation and emission reduction goals.

Keywords : data center, waste heat utilization, water source heat pump air conditioning, economic analysis

达到节能减排的目标。

因此，在冬季有采暖需求或有稳定生活热水需求的地区，与数据中心机房建筑统一规划建设的办公、商业或住宅等项目，则具备较好的利用数据中心余热的条件。

2 项目概况

项目案例位于杭州，属于夏热冬冷地区，包括同期规划建设的1#~3#研发办公楼、配套餐厅及数据中心机房。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

DOI: 10.16116/ki.jskj.2019.12.010

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总第386期

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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。

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 。

表1 研发办公楼及餐厅主要功能房间室内设计参数

Table 1 Interior design parameters for main functional

4 余热利用空调系统设计

4.1 常规空调系统设计

目前，国内大型数据中心空调系统多采用水冷式中央空调。按照常规采暖空调系统设计，本项目数据中心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。

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；（2）空气源热泵方案；（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

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。

对于本项目较大体量的采暖及制冷需求，空气源热泵系统运行状态受室外环境参数影响较大，且考虑结霜、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。

水源热泵系统全年温度波动小，运行稳定，制冷及制热系数高。因此，主要考虑水源热泵系统形式。研发办公及餐厅建筑侧采用水源热泵机组，可提取数据中心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℃，但冷却塔的供回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℃。

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。

数据中心机房18℃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）。

图1 余热回收利用采暖空调系统方案原理图

Fig. 1 Schematic diagram of heating and air conditioning

system for waste heat recovery and utilization

研发办公及餐厅部分的具体空调系统设计方案：