多能源站循环水互联供冷供热系统

张晓鸥

北京首都工程建筑设计有限公司

0 引言

众所周知，数据中心常年需要供冷，换言之，常年会有低品位热量稳定地产生。目前为止，绝大多数数据中心所产生的这部分热量仅作为“废热”排入了室外空气或水体中，未得到任何有效再利用。

在当今节能减排的大背景下，空气源、地源、污水源热泵等已成为绿色建筑设计主选供热系统方式。与这些热量来源比较，数据中心“废热”利用具有诸多优势：①供热稳定，这种稳定性不仅体现在量的方面，更体现在品位（温度）方面。②能源品位适中，如从冷冻水中取热，其温度区间大致在12～18 ℃。③热泵热回收系统有效能源利用是双向的，冷凝器侧向需热方供热，同时蒸发器侧向数据中心供冷，这是与其他热泵系统的本质区别。

对于一般冷冻水供冷系统，只需控制冷冻水供水温度及供冷量即可，冷却侧排出的热量完全取决于供冷量的多少。而数据中心热回收热泵系统，要将制冷时吸收的热量用于供热，不仅要按照机房需冷量控制供冷负荷，还需按照需热侧热负荷控制供热量，系统存在双向控制的难题，因此必须采取适当的解耦措施保证运行稳定。

热回收系统要解决的另外一个问题是如何避免或降低能源品位的损失。减少温差传热环节是解决这一问题的最有效手段。热泵机组冷冻水直接用于数据机房空调末端，冷凝侧热水直接用于热用户末端设备，无疑是最理想的选择。

1 一次水与二次水直联解耦措施-平衡管

在常规的冷冻水或采暖水系统设计时，设计师面临同样上述两个问题。为了避免二次泵系统一次水与二次水间的热能品位损失，通常采用平衡管替代换热器，主要系统形式可归纳为三种。

图1 为包括末端负荷循环泵的二次泵变流量冷冻水系统[1]。平衡管与制冷机并联，起到冷机侧循环水（一次水）流量与二次循环水流量解耦作用。

图1 变流量冷冻水系统

图2 中，在供热循环水主回路上串联了多个带二次循环泵的二次水子系统[1]。子系统平衡管（如AB、CD 等管段）为循环水主回路管道的一部分。平衡管作用同样是将循环水主回路（一次水）流量与二次循环水流量解耦。此系统可根据二次侧需求按品位高低依次供水，其主要目的是加大供回水温差，降低一次水流量。

图2 多个二次侧子系统串联于主循环水回路

图3 所示系统将热泵机组串联在常规制冷机组回水管上[2]。热泵机组可优先满负荷运行，提供最大热回收量。由于热泵机组制冷效率比常规单冷机组低，因此调节其供水温度满足所需热回收量即可，让其它单冷机组承担更多的冷负荷。

图3 热回收机组优先旁通

根据图3 系统形式，结合普遍采用的冷却塔免费供冷方案，数据中心带热回收的制冷系统可设计为图4 所示形式。

图4 数据中心带热回收的制冷系统方案

从图4 可以发现，冷却塔免费供冷回水点在热泵机组供水点下游，由于热泵机组供冷作用，降低了冷却塔供冷时的回水温度，缩短了冷却塔免费供冷时长。除非热回收负荷占总制冷负荷比例很小，否则该方案是非常不合理的。

其次，单冷机组的主回路为一次泵系统，冷冻水100%流经单冷机组蒸发器，当大部分冷量可由热回收机组或冷却塔提供时，虽然单冷机组仅需负担少量负荷，多台并联单冷机组也需全部启动。这显然不利于机组的运行调节，降低了系统效率。由于制冷机调节能力限制，必须限定单冷机的进水温度不能过低，防止机组进出水温差过小。

再者，冷水机组对最低允许冷却水进口温度有一定要求，当冷却塔出水温度低于限定值时，必须通过冷却水旁通措施来提高机组进水温度。该限定值一般为17～20 ℃[3]。当板式换热器设计换热温差2 ℃时，单冷机与冷却塔串联运行所对应的冷冻水回水温度高达19～22 ℃，高于常规数据机房冷冻水回水设计温度（18 ℃）。应选择冷却水进水温度16 ℃的冷水机组，对应的冷冻水回水温度18 ℃。但是在实际运行中很难保证回水温度符合设计值。对于图4 所示的带热回收的制冷系统，冬季热回收工况下，进入换热器的冷冻水温度还会进一步降低，这使得冷却塔与单冷机串联制冷运行无法实现。文献[3]给出的解决方案是将冷却水循环泵置于冷机冷却水出口总管上，虽然通过旁通可提高冷机冷却水进口水温，但是有可能造成管路负压。对于文献[3]给出的系统2，仅有最大57%的冷却水流经冷却塔及板式换热器，其具体运行模式作者未给出合理说明。

文献[4]介绍了最新型的采用永磁同步变频电机的高温冷水机组。离心机可实现冷冻水出水与冷却水进水零温差运行，螺杆机可实现负温差运行。只有选用这种机组，方可以实现冷却塔免费制冷与单冷机制冷串联运行，即图4 方案才可实现。

2 数据中心热回收的制冷系统优化方案

优化措施可归纳为四方面内容，参见图5。

1）改一次泵系统为二次泵系统，单冷机组投入台数可根据冷量需求确定。假设二次冷冻水供回水温度设定为12 ℃/18 ℃，配置的单冷机组（不含备用机）为3 台，当热泵机组与冷却塔联合供冷已将冷冻水温度从18 ℃降至13 ℃时，仅需投入1 台单冷机即可满足冷量需求。应该注意的是，这时单冷机的冷冻水出水温度应为10 ℃。

2）免费制冷投入的冷却塔为“闲置”冷却塔，即未投入使用的单冷机配套冷却塔。由于冗余设计要求，数据中心供冷系统需重复配备大量设备。重复配置的冷却塔可投入免费供冷运行。

3）单冷机组供冷与冷却塔供冷独立为两个子冷源。两系统投入运行的设备、管路、控制等相对独立。

4）对比各子冷源供回水点在二次冷冻水供回水总管上的相对位置，冷却塔供冷系统在热泵热回收系统上游，水温相对较高，更有效利用自然冷源。

图5 数据中心带热回收的制冷系统优化方案

3 多不稳定冷热源联合供冷供热系统

为了使图5 所展示的优化方案具有更广泛的应用空间，对其深层次的原理进行分析后，大致可以得出以下几点一般性的系统描述：

1）该系统二次侧为循环水系统，供冷还是供热取决于用户侧的需求。当二次侧需要供冷时，一次侧各个子冷源启动供冷，当二次侧需要供热时，一次侧各个子热源启动供热。子热源可以是锅炉、市政热力，也可以是热回收热泵、空气源热泵、水源热泵、土壤源热泵、太阳能供热装置等。该系统适用于各种冷热源形式。

2）二次水回水总管上可连接多个子冷热源（以下称为子源）。子源在回水总管上的连接位置应根据其提供的能源品位确定，根据品位高低顺序排列，品位越低越靠近回水上游。能源品位要通过系统运行效率比较确定。图5 中三种冷源品位由高到低分别是单冷机组、热泵机组、冷却塔。热源方面，如果热泵与锅炉联合供热，由于热泵冷凝侧温度对效率影响显著，冷凝侧温度越低热泵效率越高，应尽可能降低热泵供热的一次水温度，因此热泵热源品位应低于锅炉。

3）二次侧用户需求是由各子源联合提供的，但不需根据二次水供水温度控制每一个子源，仅需控制一个子源的供冷供热量保证二次水供水温度稳定即可。因此，各子源中，仅需保证一个子源是稳定可控的，其他子源对于该二次用户可以是不稳定的。

4）实现各子源的循环水流量独立控制，与二次水流量解耦。

5）稳定可控源与不稳定源之间是可以转换的。以图5 为例：①在三冷源均需启动才能满足用户需求时，单冷机组为稳定可控冷源。②当启动热泵机组及冷却塔联合供冷即可满足需求时，冷却塔即为稳定可控冷源。③如果热泵机组供热量需根据热用户需求进行调节，其相对于供热侧必须是稳定可控源，而相对于供冷侧必然是不稳定和不可控的。

6）子源启动的优先权是不同的。优先权应根据一次能源利用率确定。例如图5 系统：热泵机组应最先被启动，冷却塔次之，单冷机组最后启动。当冷需求下降或其它冷源供给量升高，首先减低负荷的应该是单冷机组。如果单冷机组完全停机，冷需求继续下降或热回收机组供冷量持续升高，这时需控制减少冷却塔供冷量。

7）是否是稳定可控源与能源品位无关，它应是所有启动子源中一次能源利用率最低的那个源。

8）在避免二次水回水倒流的条件下，子源是可以并联的。任何情况下满足G1＞G2+G3 时，可将热泵机组和冷却塔两个子冷源并联（见图6）。

9）子源供回水管可直接与二次水总管相连（建议供回水接点间距最少为10 倍总管管径[1]），也可与串联在二次水总管上的储能罐等设备相连。

10）子源供回水温差相对于二次水供回水温差有较大的调整空间，如：锅炉供热时，可加大锅炉供回水温差，减小水流量，降低一次泵能耗。

图6 热泵机组与冷却塔制冷并联方案

文献[5]公开的多不稳定冷热源联合供冷供热混水系统结构（见图7）及应用方式，对上述一般性描述给出了系统图示和实施阐释。这里补充三点说明：

1）由于子源供回水管，不仅可直接接至用户侧二次水总管上，还可与串联在二次水总管上的储能罐、平衡罐、集分水器等设备相连（例如太阳能作为热源供热时，储热罐是必配设备）。因此，文献[5]用混水器这一构件名称代表各种不同的连接方式。

2）连接在某一个混水器上的子源可以是多个子源的并联。

3）一般正常运行情况下，应保证混水器中的水流方向与二次水流动方向一致，子源的回水温度与该混水器上游二次水总管中水温相同（如图7）。在某些特殊工况下（如储能罐蓄能工况），允许回流情况产生，此时子源的回水温度不等于该混水器上游二次水总管中水温。

图7 多不稳定冷热源联合供冷供热混水系统结构示意

4 循环水互联网络系统

4.1 杭州某数据中心供冷供热方案

该数据中心，共建三栋办公楼及一座数据机房。

办公楼采用集中空调系统，夏季供冷冬季供暖，夏季设计总冷负荷7300 kW，冬季设计总热负荷4900 kW。

数据机房常年需要供冷，总设计冷负荷27500 kW。

办公楼冷源共选用了三台2150 kW 离心机及一台1230 kW 螺杆机，三台离心机中两台为热泵机组，冬季向办公楼供暖同时向数据机房供冷。

数据机房冷源按两个冷站设置，每个冷站负担总冷负荷的50%，分别选用四台4570 kW 离心机（三用一备），并一对一配置冷却塔、冷冻水循环泵及冷却水循环泵。

考虑到办公楼在数据机房前期建设，办公楼冷源未与数据机房冷源合建，且另设锅炉房作为办公楼采暖前期热源及数据机房建成后的备用热源。

这样便形成了由数据机房冷站，办公楼热泵机房及锅炉房组成的联合供冷供热系统（见图8），本文称之为循环水互联网络系统。

图8 多能源站联合供冷供热系统示意

4.2 循环水互联网络系统初探

工程实例中的循环水互联网络仅实现了三个能源站互联，其网络架构见图9a。数据机房产生的热量仅有少部分用于办公楼冬季采暖。如果能向周边更多热用户输出热量，这个网络系统具有较大的扩展可能（见图9b）。对于太阳能供热系统，可以设计成链状网络实现能量接力输送（见图9c），以适应集热器的分散布置。

图9 几种循环水互联网络架构

可以想象，多个分布式能源站也可采取这种循环水互联方式实现互通，高效地平衡彼此的冷热需求。

总之，据目前了解，循环水互联网络系统仅在此项实际工程中得到应用，但是其适用空间较大，假以时日，相信会有越来越多的工程案例可供总结。