从应用场景出发，浅析数据中心园区供冷供热方案

　　近年来，我国大数据、云计算等产业发展迅速，数据中心作为支撑数据存储计算的基础设施迎来了蓬勃发展，能耗问题也受到了越来越多的关注。

 

　　数据中心与传统民用建筑用冷用热差别较大，数据中心建筑空调主要是为服务器、交换机等发热设备服务，为保证业务的连续性，供冷系统需要全年运行以满足其需要的温湿度环境。此外，数据中心单位面积的冷负荷通常为1000~3000W/m2，远高于一般公共建筑，是普通办公楼的几十倍甚至上百倍。

 

　　鉴于此，数据中心空调系统通常是以制冷为主，几乎没有用热需求。考核数据中心能效时，常用电能利用效率（power usage effectiveness，PUE）这一指标（PUE等于数据中心总能耗与数据中心IT设施能耗之比，总能耗包括IT设施能耗、制冷系统能耗、电气损耗、其他设施用电），不会涉及其他非数据中心区域用热相关能耗。

 

　　作为PUE的重要组成，制冷能效因子（cooling load factor，CLF）通常用作衡量数据中心制冷系统的能效指标，CLF等于数据中心制冷系统能耗与数据中心IT设施能耗之比。

 

　　随着数据中心建设规模的扩大，有些数据中心周边也会有公共建筑、住宅等社区，会有供暖等用热需求，特别是冬季，数据中心需要供冷，周边公共建筑需要供热，这种同时存在用冷用热需求的园区，既可以单独设置冷热源系统，也可以使用热回收制冷机组。此时，用PUE或CLF来衡量园区的用能效率就不够全面了。

 

　　此外，数据中心冬季用冷往往可以采用自然冷却，无需开启压缩机。充分利用自然冷却一直是数据中心降低能耗的重要技术措施。如果采用热回收制冷系统，系统可以实现供冷的同时对余热进行利用，但全年都需要开启压缩机，无法利用自然冷却。2种方案究竟哪种更具节能优势，数据中心园区什么情况下适合冷热源单独供应，什么情况下适合采用热回收制冷机组同时供冷供热呢？本文将针对这一场景，通过数据对比，探讨不同方案的可行性和应用场景。

 

　　01数据中心园区供冷供热方案分析

　　以北京地区为例，综合电价按0.7元/（kW·h）计算，天然气价格为2.21元/m3，市政供热费用为30元/m2。

 

　　假定一个数据中心面积为1万m2，可以安装1000个机柜，IT负荷稳定在5000kW，周边有用热需求，供热时长均为123d。为了简化对比模型，仅计算IT设施的用冷需求，即供冷系统容量按5000 kW计算。

 

　　本文将针对用热量分别为500、2500、5000kW的场景进行分析，对应的供热面积分别为1万、5万、10万m2，供热指标按50W/m2估算。

 

　　为了使对比更具针对性，本文仅针对供冷供热相关的能源费用作分析，每年还有3400万元左右的IT设施和电气损耗引起的电费，均未纳入计算。

 

　　1.1方案1：园区冷热源单独设置

 

　　当数据中心园区冷热源单独设置时，可以分开对比供冷系统和供热系统，选择最适合的供冷供热方案。

 

　　行业内大型数据中心常用的供冷系统主要有冷水系统、间接蒸发冷却空调系统（以下简称AHU系统）等。根据气象条件和相关设备厂商提供的数据，冷水系统、AHU系统能源消耗对比如表1所示。

　　从表1可以看出，AHU系统能效更优。

 

　　数据中心能源消耗量大，采用更高能效的供冷方案，符合国家相关的政策导向，也可以大大提升数据中心的竞争力，选择供冷方案时，应该把能效作为最重要的指标之一。AHU系统可以实现冷源与负荷中心近距离接触，利用逼近湿球温度的风侧自然冷却，实现全年应用自然冷却。即使最炎热的夏季，也只需要50%左右的机械制冷作为补冷，可以显著减少数据中心空调系统能耗。事实上，除了可以实现更低的PUE，AHU系统还具备运维简单、投资低，更容易实现分期部署等优势，所以成为近年来新建数据中心的首选。

 

　　AHU系统虽然能效更优，但该方案对建筑条件有较高要求，层高不够或通风面积无法解决时往往无法采用。针对已有建筑或层高受限的建筑，绝大多数数据中心都会采用冷水系统，冬季可以通过冷却塔+板式换热器实现自然冷却，达到节能的目的。

 

　　供热方案主要是采用市政供热，没有市政供热的区域也可采用燃气锅炉，市政供热和燃气管道都没有的区域往往会采用空气源热泵作为热源。根据相关的价格和指标，以及设备厂商提供的数据，空气源热泵、燃气锅炉、市政供热几种供热方案的能源费用对比如表2所示。

　　从表2可以看出，市政供热能源费用最低，且没有热源设备的投入，初投资和占地面积都会优于其他方案，有条件时应该作为首选方案。燃气锅炉和空气源热泵供热成本差别不大，这与电价和天然气价格有关。当电价和天然气价格有变化时，比较结果可能会发生变化，具体项目应根据资源条件和能源价格具体分析。

 

　　数据中心为独立功能或主要功能的建筑，大部分房间常年用冷，不需要供热。一个1万m2的数据中心，有供热需求的区域面积通常不超过2000 m2。同数据中心整体能耗费用数千万元相比，当供热需求量较低时，无论使用哪种供热方案，供热相关的能源费用对整体影响都不大。当周边存在其他非数据中心类型的热用户时，随着供热面积的增大，用热相关的能源费用占比也会逐渐加大。此时，选择供热方案应该充分评估总体拥有成本（total cost of ownership，TCO，数据中心全寿命周期内建设费用和运行费用的总和），从技术经济维度综合确定。

 

　　总之，针对冷热源单独设置的数据中心园区，可以分别对比供冷供热方案，选择合适的供冷供热系统。从TCO看，供冷选择AHU系统、供热选择市政供热是最优的。

 

　　1.2方案2：数据中心采用热回收制冷机组，夏季供冷，冬季同时供冷供热

 

　　除了数据中心这种独立功能的建筑外，如果园区内还有其他公共建筑，有较大规模的供热需求时，可以采用热回收的方案同时供冷供热。热回收包括直接热回收和冷凝热回收。对数据中心的排热采用直接回收，品质相对较低，应用的场景很少。数据中心领域的热回收大多数是指冷凝热回收，也就是采用热泵机组，供冷的同时为园区提供40~60℃的热水。

 

　　数据中心采用冷凝热回收制冷系统，通常会在用热区域设置热泵，以供热为主要控制参数，附加产生的冷量排放至数据中心用冷水系统。如果用热量需求不大，热泵产生的附加冷量对整个冷水系统的影响也不大，其余供冷依然可以利用自然冷却以降低能耗。目前，有些用热规模不大的数据中心园区已经采用了这种供冷供热方案，运行效果良好。

 

　　采用热回收制冷机组，不同热回收规模对应的能源消耗费用如表3所示。

　　根据GB 40879—2021《数据中心能效限定值及能效等级》规范相关要求，如果把热泵认定为非数据中心区域的供热设备，其能耗就可以不计入数据中心总能耗。同没有热回收的冷水系统相比，采用热回收型冷水机组可以使PUE数据更低，热回收规模越大，对PUE越有利。但这种场景下，PUE并不能体现能耗总量和能源费用，因此热回收制冷供热场景仅用PUE或CLF来衡量数据中心的能效不够全面，系统的合理性还需要综合考量供冷供热成本。

 

　　通常，一个园区的用冷和用热都会有波动，采用热回收制冷系统，如果园区用冷量远远大于用热量，热泵机组可以采用供热参数控制，通过补冷满足供冷需求。本文所有分析都是基于用冷量大于用热量、其余用冷量可通过自然冷却装置进行补充等假设条件。

 

　　如果用热量远远大于用冷量，热泵机组可以采用供冷参数控制，此时，通过其他补热措施来满足供热需求，热泵机组按最大用冷量设置即可。分析数据与冷热量均为5000kW时基本相同。

 

　　当冷热用量接近时，可能会出现自然冷却负荷过低引起设施难以启用、出现冻结等风险，需要采取预防措施。此外，冷热用量基本相当、供冷（供热）出现波动时，有可能影响供热（供冷）系统，此时往往需要额外的补冷补热系统，这会导致控制复杂，引起投资、用地面积的增加。针对这种场景，还需要对整个系统作出进一步的分析。

 

　　02、数据中心园区供冷供热方案对比分析

　　根据上述分析，几种供冷供热方案的能源消耗费用对比如表4所示，针对供热面积分别为1万、5万、10万m2的不同场景，对能源费用做了从低到高的排序。

　　从表4可以看出：

　　1）采用能效更优的供冷形式对数据中心园区的能源成本影响重大。无论哪种场景，哪种供热方式，AHU+独立热源系统的能源消耗费用都是最低的，主要是因为AHU系统自然冷却利用率更高，能效明显优于冷水系统。随着用热需求的增大，这种优势会有所降低。

　　2）针对无法采用AHU系统或其他高效制冷系统的场景，采用热回收制冷机组作为整体供冷供热方案是可行的。尽管制冷侧无法充分利用自然冷却，但节能效果仍然优于冷水+独立热源系统，热回收量越多，采用热回收的收益越大。

 

　　实际项目中，一个IT设施负荷为5000kW的数据中心，电力消耗费用为4000万元左右，供暖相关费用占比不大，特别是用热量较低或供暖时间不长时，热回收带来的节能收益会更加不明显，能源费用往往不作为方案选择的主要依据。

 

　　03、结语

　　PUE是目前业界公认的最具影响力的表征数据中心电能利用的关键性能指标。多个地方标准、行业标准、企业标准都采用PUE对数据中心进行节能性能的划分。但PUE本身是一个片面的指标，其实际指向的是数据中心基础设施用能效率，并不能体现数据中心园区的总体用能效率。某些场景下，总能耗与PUE并不会出现相同趋势的线性降低，反而会出现PUE值下降而总能耗增大的现象。针对数据中心周边存在大规模热用户的场景，数据中心用冷和园区用热应同时考虑，基于能耗总量和技术经济比较确定冷热源方案，达到降低整体能源消耗的目标。具体建议如下：

　　1）可以采用AHU等高效制冷方案的数据中心，园区供热与数据中心供冷宜各自独立，分别采用合适的冷热源系统。

　　2）无法采用AHU等高效制冷方案的数据中心，且周边有用热需求的园区，可以采用热回收制冷系统，夏季供冷，冬季同时供冷供热。

　　3）用冷用热负荷相当的场景，需要根据项目的实际情况进行进一步的分析，同时需要考虑补冷补热系统的建立、控制策略等因素的影响。
 

　　近年来，随着数据中心能效要求的提升，以及制冷技术的改进，市场上出现了一些能效较高的制冷措施，无法与热回收制冷系统匹配，例如文中列举的间接蒸发冷却空调系统，其大部分制冷都来自室内外空气之间的自然冷却，没有可回收的压缩热。同这种高能效制冷方案相比，采用热回收同时供冷供热没有优势。但在某些场景，已经采用冷水系统的数据中心也没有结合冷凝热回收技术，主要原因包括：

　　1）一个1万m2的数据中心，可以支持高达10万m2左右的公共建筑供热，而数据中心的建设地点往往属于工业用地，与大规模公共建筑、住宅等民用设施距离远。热用户匮乏，这是数据中心难以采用大规模热回收制冷系统最重要的因素。

　　2）数据中心的实际运行往往是前期处于低负荷状态，中后期负荷较高，与热用户的发展往往无法匹配。

 

　　未来，如果数据中心园区的冷凝热回收制冷系统能够与市政供热相结合，由市政系统提供中温水，在用热区域末端设置分散型热泵进行供热，附加冷量排放至市政管网，用来吸收数据中心的冷凝热，整个系统辅以合理的输配及补冷补热系统，进而形成大规模的区域供冷供热综合能源站，就能够解决附近缺乏热用户的问题，热回收供冷供热技术就会有更大的应用空间。

 

　　通过绿色技术和方式提升数据中心的功能和服务水平，这是数据中心永远不变的发展方向。随着“双碳”战略的逐渐落地，对数据中心的能源利用效率会有更高的要求，相信数据中心建设也会采取更有效、更适合自身发展的节能技术，提升能源的综合利用率。