CN108317582A - 数据中心冷热联供余热大温差集中供热系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了数据中心冷热联供余热大温差集中供热系统，包括：常规冷水机组，通过蒸发器侧的冷冻循环水提取数据中心余热，在冷凝器侧分成两路放热，其中一路加热一次热网回水，另一路接入各级压缩式热泵蒸发器，作为热泵的低位热源，多余热量通过冷却塔排放到环境中；压缩式热泵，在冷凝器中放热，逐级加热一次热网回水；调峰热源，最终将热网回水加热至供热温度后通过供热管线送出数据中心；水‑水换热器和电驱动压缩式热泵，热网供水首先经过水‑水换热器向终端散热器用户加热，之后串联流入电驱动压缩式热泵，加热辐射地板末端；以及连接管路和附件组成。本发明的集中供热系统采用冷热联供，梯级加热，一次热网温差大，热泵仅需要电力作为驱动能源。

Description

数据中心冷热联供余热大温差集中供热系统

技术领域

本发明涉及工业余热利用技术领域，特别涉及数据中心冷热联供余热大温差集中供热系统。

背景技术

2014年，我国北方地区城镇采暖面积达120亿㎡，其中城镇集中供热面积为71亿㎡。采暖用能超过1.8亿吨标准煤（燃煤约占90%），不仅消耗了大量能源，还带来了严重的环境问题，是我国北方地区冬季雾霾的主要成因之一。2017-2018年采暖季，北方地区由于“煤改气”清洁供暖改造工程的快速推进，气源跟不上，导致出现了全国性的气荒局面。与此同时，我国部分地区电力、钢铁、水泥、有色金属、石化等行业仍有约3亿吨标准煤低品位余热资源尚未利用。

近年来由于环保的压力，清洁供暖的需求爆发式增长，导致我国北方很多地区出现清洁供暖热源紧缺的局面。国家层面也作出了“推进北方地区冬季清洁取暖”和“坚决打好蓝天保卫战”的重要决策，要求尽可能利用清洁能源，加快提高清洁供暖比重，加快解决燃煤污染问题。

新建大型集中供暖热源项目投资高、建设周期长，且往往受到环境容量等因素的制约而难以开展；发展小型燃煤热源，则会严重污染大气；发展燃气热源、电热源，综合成本高，且受到气、电供给的制约；发展地下水源热泵和土壤源热泵，受到当地水文地质条件的制约，且由于目前热泵供暖系统的输送温差较小，投资较高，运行费用也较高。

当前集中供暖系统与工业生产系统中的突出问题与迫切需求，集中供暖缺热的实质是缺少低品位热源以及高、低品位热量的合理匹配；工业生产过程热利用效率低下是由于低品位热量比例高、难以被工业部门自身利用。

近年来，由于物联网、大数据产业的蓬勃发展，数据中心的的规模越建越大，总的能耗也越来越大，占到全社会能耗的1.5%以上。

目前各单位对于数据中心的节能，一般是从提高制冷效率出发，如制冷系统从房间级、行间级、机柜级到芯片级的演进，PUE从2.5降低到1.1甚至更低，接近1.0。即使是对于最节能的数据中心来说，PUE降低到1.0，其服务器消耗的能耗仍然有50%左右，该部分余热资源95%以上以散热的形式白白排放到大气中。

北方地区的数据中心园区一般同时有供冷和供热需求。但是，数据中心的余热资源一般为10~40℃，品位较低，要想直接利用，难度较大。常见数据中心余热利用有三种方式：

1）在冷水机组上增加冷凝器，全热回收或部分热回收，制取不超过55℃的热水用于洗浴或供暖；

2）在蒸发侧增加一台或多台热泵，与原有的冷水机组并联，蒸发侧的设计供回水温度7/12℃到19/25℃之间, 冷凝侧的设计供回水温度45/40℃（离心式热泵）或55/50℃（螺杆式热泵），热泵冷冻侧和冷凝侧的进出口温差基本都是5℃；

3）在冷却水系统上串联一台或多台热泵，蒸发侧的设计供回水温度35/30℃到25/20℃之间, 冷凝侧的设计供回水温度45/40℃到60/50℃之间。

上述数据中心余热利用普遍的问题都是热源供水温度不够高，不超过50℃，一般为45℃；回水温度不够低，35℃以上，一般为40℃。

数据中心循环冷却水余热是工业余热的一大类，水温相对较高，水量巨大，是热泵应用的一个巨大的良好低位热源。利用它的前提条件是需要有大量的热用户，而在技术上则需要经济有效解决如下问题：

1）清洁热源供热能力不足，而数据中心余热的节能潜力有待挖掘；

2）热负荷的匹配，循环冷却水所携带的热量大于等于热泵所需要提取的最大热量，实际有部分热量还需要靠冷却塔散发出去，尤其是在采暖热负荷较小时；

3）集中热网输送能力不足的瓶颈问题，循环冷却水的流量或输配管网的流量与热泵运行流量的匹配；

4）输配能耗的控制，一般循环冷却水的热泵系统供回水温差较小，一般都是5~7℃温差，输配能耗比例通常较高，需要在系统设计上尽可能减小输配能耗所占的比例，这是大型数据中心余热利用系统应用热泵的关键。

5）供热成本高，影响清洁热源供暖的普及。

在大温差集中供热系统方面，在申请号CN200810101065.X的中国专利中，提出一种大温差供热系统，在电厂内部采用凝汽器、蒸汽吸收式热泵和汽-水换热器组合的方式回收电厂余热并逐级加热大热网的供热热水，在末端利用热水吸收式热泵和水-水换热器组合的方式逐级降低大热网的回水温度，增大了高温热水的供、回水温差。但是，该系统利用的是热电厂汽轮机排汽余热，在数据中心周边及附属建筑，往往不具备此条件，且不能做到冷热联供；此种能源利用方式使用的是吸收式热泵，电厂抽汽作为吸收式热泵的驱动能源，局限性较大；末端采用热水吸收式热泵和水-水换热器组合的方式，对热水需求的温度至少90℃以上，对尖峰或调峰热源的要求较高，受实际工程条件的制约，系统复杂而难以在数据中心余热利用工程中得到推广应用。

在常规数据中心冷热联供方面，在申请号 CN201620066914.2的中国专利中，提出一种数据中心余热回收的供能系统，利用热回收设备为数据中心制冷降温的同时为数据中心周边建筑用户提供生活热水、采暖用热，包括数据中心余热回收制冷系统、余热回收热水系统、辅助热源系统、蓄能系统、常规制冷系统和冷热输配系统。但是，该系统组成复杂，余热供暖温差较小，在热网水回水温度较高时，余热回收量会受到限制，甚至该系统不能正常工作，系统能源利用效率不高，运行经济性方面也不是太好。

在非常规数据中心冷热联供方面，在申请号 CN201710993283.8的中国专利中，提出基于数据中心余热的供能系统，实现制冷系统的回液管路中的高温冷却液体与供热系统中的回液管路中的低温循环液体之间的热交换，即利用冷却液体的余热来提高循环液体的温度，同时可以降低冷却液体的温度。但是，该系统较为复杂，冷却液体和循环液体传热温差较小，余热回收量将收到限制，供热管网的输配能耗较高，难以大规模推广应用。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供数据中心冷热联供余热大温差集中供热系统，从而克服现有技术的缺点。

本发明提供了一种数据中心冷热联供余热大温差集中供热系统，包括：常规冷水机组，通过蒸发器侧的冷冻循环水提取数据中心余热，在冷凝器侧分成两路放热，其中一路加热一次热网回水，另一路接入各级压缩式热泵蒸发器，作为热泵的低位热源，多余热量通过冷却塔排放到环境中；压缩式热泵，在冷凝器中放热，逐级加热一次热网回水，冷却循环水在压缩式热泵蒸发侧处放热之后，流回常规冷水机组；调峰热源，调峰热源最终将热网回水加热升温至供热温度后通过供热管线送出数据中心；水-水换热器和电驱动压缩式热泵，热网供水首先经过水-水换热器向终端散热器用户加热，之后串联流入电驱动压缩式热泵，加热辐射地板末端；其中，热网热水在流出热力站电驱动压缩式热泵之后，通过供热管线，流回数据中心，与常规冷水机组冷凝器换热后升温，然后以串联方式先后与各级压缩式热泵和调峰热源顺次相接，逐级被加热升温至供热温度后通过供热管线送出，周而复始循环。

优选地，上述技术方案中，压缩式热泵机组采用多级热泵设备相互串联。

优选地，上述技术方案中，多级压缩式热泵设备是相同型号的设备。

优选地，上述技术方案中，多级压缩式热泵设备采取如下方式：出口温度45℃的常规压缩式热泵、出口温度55℃的常规压缩式热泵、高温压缩式热泵串联加热。

优选地，上述技术方案中，常规冷水机组的冷凝器进出口管道之间设置有旁通管，由调节阀调节旁通管中的水量。

优选地，上述技术方案中，压缩式热泵的冷凝器出水管道内的热水温度为75℃±20℃。

优选地，上述技术方案中，常规冷水机组和压缩式热泵同时运行，冷热联供。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1）热网供热温差大，较常规热网运行增大约十倍温差，这样会大幅度增加热网的输送能力，同时由于供热回水温度低，进而可以降低回水管网和整个管网的投资；

2）利用常规冷水机组冷凝热余热一次热网回水，并利用循环冷却水或循环冷冻水作为压缩式热泵的低位热源，优点是尽可能大限度地回收了数据中心制冷过程中产生的余热；

3）在末端采用水-水换热器和电驱动压缩式热泵组合的方式加热二次网供热热水，优点是可以充分降低一次热网的回水温度，增大了大热网的供、回水温差，同时热泵不需要其它种类能源做驱动力，仅提供电力即可；

4）数据中心冷热联供，能源利用效率高，运行费用低；

5）采暖季常规冷水机组的冷却循环水大部分或全部不再经过冷却塔散热，能减少大量的冷却水蒸发损失，节约用水及水处理的费用；

6）在西北及东北地区由于新能源发电消纳能力限制问题，近年来弃风限电的情况愈演愈烈，热电比愈加失衡。部分北方地方为解决采暖季发电能力过剩的问题，采用电直接供热。从一次能源利用的角度，无异是大大的浪费。本发明利用梯级加热流程在增大供热能力的基础上，也同步消耗过剩的电力，为新能源发电提供了更大的消纳空间。

附图说明

通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述和/或其他方面的优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明，其中：

图1为本发明供热系统的流程示意图；

图2为本发明多级加热方式的流程示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-常规冷水机组；2-压缩式热泵，2a-一级压缩式热泵；2b-二级压缩式热泵；3-调峰热源；4-水-水换热器；5-电驱动压缩式热泵；6-散热器；7-辐射地板末端；8a-热网调节阀；8b-旁通调节阀。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述本发明利用数据中心余热的冷热联供余热大温差集中供热系统的实施例。

在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同的部分。

如图1所示，根据本发明优选实施方式的供热系统包括：常规冷水机组1、压缩式热泵2、水-水换热器4以及电驱动压缩式热泵5。其中，在常规冷水机组1中通过冷冻循环水提取数据中心余热，在冷凝器侧分成两路放热，其中一路加热一次热网回水，另一路接入各级压缩式热泵蒸发器，作为热泵的低位热源，多余热量通过冷却塔排放到环境中。压缩式热泵2在冷凝器中放热，逐级加热一次热网回水，冷却循环水在压缩式热泵2蒸发侧处放热之后，流回常规冷水机组1。调峰热源3能够最终将热网回水加热升温至供热温度后通过供热管线送出数据中心。热网供水首先经过水-水换热器4向终端散热器用户加热，之后串联流入电驱动压缩式热泵5，加热辐射地板末端。其中，热网热水在流出热力站电驱动压缩式热泵5之后，通过供热管线，流回数据中心，与常规冷水机组冷凝器换热后升温，然后以串联方式先后与各级压缩式热泵和调峰热源3顺次相接，逐级被加热升温至供热温度后通过供热管线送出，周而复始循环。

优选地，常规冷水机组1的冷凝器进出口管道之间设置有旁通管，由调节阀调节旁通管中的水量。压缩式热泵2的冷凝器出水管道内的热水温度为75℃±20℃。常规冷水机组1和压缩式热泵2同时运行，冷热联供。

可以看出，本发明在数据中心内部采用常规冷水机组1、压缩式热泵2和调峰热源3组合的方式回收数据中心余热并逐级加热大热网的供热热水，在末端热力站利用水-水换热器4和电驱动压缩式热泵5组合的方式，一方面有效回收了数据中心制冷过程中产生的余热，冷热联供，能源利用效率高，另一方面使大热网的供、回水温差较常规的集中供热方式有大幅增大。

本发明另一优选实施方式中，压缩式热泵2机组采用多级热泵设备相互串联，多级压缩式热泵设备是相同型号的设备。多级压缩式热泵设备采取如下方式：出口温度45℃的常规压缩式热泵、出口温度55℃的常规压缩式热泵、高温压缩式热泵串联加热。

如图2所示，本发明的另一优选实施方式的多级加热系统包括：常规冷水机组1、一级压缩式热泵2a、二级压缩式热泵2b、调峰热源3、水-水换热器4、电驱动压缩式热泵5、终端用户6、辐射地板末端7、热网调节阀8a和旁通调节阀8b。

常规冷水机组1冷凝器第一次加热热网热水，冷却水被冷却后再返回提取数据中心余热；由常规冷水机组1的冷冻循环水或冷却循环水进入压缩式热泵2机组蒸发器侧，作为低位热源再次加热热网热水，放热降温后再返回常规冷水机组1，完成循环；热网回水返回加热系统，首先进入常规冷水机组1冷凝器，被预热升温，再进入一级压缩式热泵2a冷凝器被二次加热后送出；进入二级压缩式热泵2b冷凝器被二次加热；经过调峰热源3的最终加热，一次热网高温供水被输送到末端热力站，首先进入水-水换热器4，放热降温后进入电驱动压缩式热泵5作为低位热源加热二次侧供热热水，最终放热降温到一次热网回水温度后返回数据中心，完成循环。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.数据中心冷热联供余热大温差集中供热系统，其特征在于，所述供热系统包括：

常规冷水机组，通过蒸发器侧的冷冻循环水提取数据中心余热，在冷凝器侧分成两路放热，其中一路加热一次热网回水，另一路接入各级压缩式热泵蒸发器，作为热泵的低位热源，多余热量通过冷却塔排放到环境中；

压缩式热泵，在所述冷凝器中放热，逐级加热一次热网回水，所述冷却循环水在所述压缩式热泵蒸发侧处放热之后，流回所述常规冷水机组；

调峰热源，所述调峰热源能够将热网回水加热升温至供热温度后通过供热管线送出数据中心；

水-水换热器和电驱动压缩式热泵，热网供水首先经过水-水换热器向终端散热器用户加热，之后串联流入所述电驱动压缩式热泵，以加热辐射地板末端；

其中，所述热网热水在流出热力站电驱动压缩式热泵之后，通过供热管线，流回所述数据中心，与常规冷水机组冷凝器换热后升温，然后以串联方式先后与所述各级压缩式热泵和所述调峰热源顺次相接，逐级被加热升温至供热温度后通过供热管线送出，周而复始循环。

2.根据权利要求1所述的数据中心冷热联供余热大温差集中供热系统，其特征在于，所述压缩式热泵机组采用多级热泵设备相互串联。

3.根据权利要求2所述的数据中心冷热联供余热大温差集中供热系统，其特征在于，所述多级压缩式热泵设备是相同型号的设备。

4.根据权利要求2所述的数据中心冷热联供余热大温差集中供热系统，其特征在于，所述多级压缩式热泵设备采取如下方式：出口温度45℃的常规压缩式热泵、出口温度55℃的常规压缩式热泵、高温压缩式热泵串联加热。

5.根据权利要求1所述的数据中心冷热联供余热大温差集中供热系统，其特征在于，所述常规冷水机组的冷凝器进出口管道之间设置有旁通管，由调节阀调节所述旁通管中的水量。

6.根据权利要求1所述的数据中心冷热联供余热大温差集中供热系统，其特征在于，所述压缩式热泵的冷凝器出水管道内的热水温度为75℃±20℃。

7.根据权利要求1所述的数据中心冷热联供余热大温差集中供热系统，其特征在于，所述常规冷水机组和压缩式热泵同时运行，冷热联供。