低碳技术 数据中心能源综合利用技术

数据中心是大数据领域的核心设施，也是能耗大户。从能量转化角度来看，数据中心消耗电能供机柜运算的同时，将电能转化为热量散入机房空气中，使室内空气温度升高。为了保证机房适宜的温度，需要采用制冷设施将这部分热量转移到外界环境中。室外温度较低时，可以直接排风降温，但是从电能转化来的热量白白浪费；室外温度较高时，还需要消耗电能，采用电制冷的方式给室内降温，包含制冷机耗电在内的热量也都排放到环境中。综合来看，数据中心主要消耗电能进行工作，大部分电能转化为热能，最终排放到环境中，能耗大、浪费严重。如果可以回收排放的余热，数据中心的运行成本会大幅度降低。

数据中心余热总量大，一般用热系统无法大量消纳，总体来看，供暖是比较好的吸纳余热的场景。冬季集中供热领域一直是碳排放的大户，由于体量巨大，没有快速合理的替代方式，也是双碳目标下的降碳困难户。在这种情况下，各类工业余热，以及数据中心的排热，都是特别好的清洁低碳能源。数据中心余热供暖已有应用案例，一般是利用电动压缩式热泵进行余热回收、对外供暖，但是这种方式有两个问题：一是压缩式热泵升温幅度不高，产生的供水温度较低，不适合大范围输送，只能辐射周边有限范围的热用户，用热量小，余热利用率不高；二是如果采用高温电动热泵，COP很低，电力在供热热量中的比例大幅度升高，经济性较差。因此，想要充分利用数据中心余热，需要找到一种比较合理的方式。

数据中心能源综合利用技术就是针对上述问题，结合很多城市已经实施燃气供暖的现状，形成的全套综合系统。该技术回收余热，产生的热量直接并入城市集中供热系统。集中供热的热量需求巨大，数据中心的余热完全可以作为基础负荷，整个采暖季内余热可以完全消纳，余热系统均可满负荷运行，经济性极好。这样，数据中心能源利用技术就形成以余热回收系统为基础，燃气锅炉调峰的能源结构。余热利用系统，可以选择电动压缩式热泵，也可以选择燃气驱动的吸收式热泵，两种热泵有什么优缺点呢？

下面是两种热泵供暖的能源构成图。采用压缩式热泵，总供热量=余热+驱动电力+锅炉燃气补充；采用吸收式热泵，总供热量=余热+驱动燃气+锅炉燃气补充，驱动燃气和锅炉燃气是一样的，因此可简化为总供热量=余热+燃气热量。可以看出，虽然压缩式热泵效率高，消耗驱动电力少，但电力最终变成了热量；压缩式热泵效率高还导致了供热量偏小，还需要大量燃气补充。吸收式热泵效率低，消耗的驱动燃气多，但燃气最终也形成了热量，没有浪费，而且吸收式热泵供热量大，后面需要补充的燃气少。在供热量一定、余热量一定的情况下，对比压缩式热泵与吸收式热泵的能源构成，唯一不同之处在于用电力替代了部分燃气。目前阶段，电价高于燃气价格，因此，在燃气供热为主的环境中（或新增供热只允许应用燃气的环境中），吸收式热泵回收余热是更经济的，数据中心能源综合利用技术也以吸收式热泵为主。

压缩式热泵供暖能量构成

吸收式式热泵供暖能量构成

与燃气供热系统相结合的数据中心余热回收系统流程如下：数据中心输入电力，产生余热被吸收式热泵回收；热网回水被吸收式热泵加热后，再进入原锅炉系统被加热至合适温度送至热用户；供应至燃气锅炉房的燃气，分一部分送至吸收式热泵。由于总供热量不变，大量余热用于供热，吸收式热泵和燃气锅炉的总燃气耗量，低于燃气锅炉直接供热的燃气耗量。在非采暖季，可以利用电动压缩式制冷机制冷，或者把吸收式热泵作为制冷机使用，具体方式由能源价格决定。即使是使用电动压缩式制冷机制冷，也就是原数据中心的能源结构不变、常规投资不变，吸收式热泵及辅助设备作为新增项目、新增投资，独立计算经济性，也拥有很好的经济性。

对于新建的数据中心，可以实施更彻底的与燃气供热系统相结合的能源综合利用技术。实际上，锅炉直接燃烧燃气供热的技术路线，本身是不合理的，存在巨大的能量落差，这也是一种能量浪费。高品位燃气热量转化为低品位供暖热水热量的过程中，还可以利用能量落差，实现其他功能。这种新的功能与数据中心相结合，就形成了能量结构更加合理的综合利用技术，其系统流程如下：燃气首先进入燃气轮机或内燃机发电，产生的电力供应数据中心，不足的部分可以用市电补充；高温烟气进入吸收式热泵，驱动热泵回收数据中心余热及烟气余热，排烟温度＜25℃；烟气驱动能力不足时，还可以用燃气补燃驱动，提高热泵回收余热量；热网回水进入吸收式热泵加热，不足部分再由燃气锅炉补充。这种流程充分利用燃气加热热水时产生的能量差发电，供应数据中心，大幅度降低数据中心的电费；燃气发电的能量经过数据中心后转化为余热，利用燃机排烟的高温段驱动吸收式热泵，回收数据中心余热和燃气烟气余热；发电消耗的燃气热量最终全部变成供热热量，实现了燃气锅炉的效果，还免费产生了大量电能。对比该系统与燃气燃烧供热的效果，可以认为实现了数据中心冬季的零成本用电。夏季，可以采用电动压缩式热泵制冷，或采用燃气发电、烟气驱动吸收式热泵制冷，具体型式也是由能源价格决定的。

数据中心余热作为冬季采暖系统难得的低碳能源，应该加大回收力度，提高经济效益。如果数据中心能源系统与燃气供热的集中供热热网连接起来，可以实现余热全部利用，效益最大化；如果采用热电联产的能源梯级利用方式，可以实现更好的经济性和降碳效果。数据中心能源综合利用技术配套设备多、系统复杂，建议实施前进行充分调研，合理搭配整体能源结构；实施后采用先进的自控系统，合理调控各部分设备的协调运行，实现能量梯级利用、达到最佳节能效果。