Оползотворяване на топлината на центровете за обработка на данни с използване на топлинни помпи

Автори: М. Ю. Егоров, Е. С. Жиляев, А. О. Кривицки, Н. Б. Демидова, И. И. Коваленко, С. С. Прошкин, А. С. Степашкина, С. В. Соловьов, И. А. Щербатов — НИУ «МЕИ», СПбГУАП, Zhejiang Lab (КНР), РГАУ–МСХА, МИРЭА

Публикувано в: Списание СОК №9 | 2025, стр. 38–44

Основни тезиси

Отстраняването на отпадната топлина на центровете за обработка на данни (ЦОД) е един от основните аспекти на правилното проектиране на подобни обекти. Процесът на отстраняване на топлината е необходим за поддържане на оптималната температура в помещенията на ЦОД, както и за свеждане до минимум на рисковете от повреди на оборудването.
Топлината може да се изхвърля в околната среда, но този подход има ниска енергийна ефективност, тъй като тя може да бъде използвана по различни начини, носещи значителна полза, и важен енергиен ресурс няма да бъде загубен.
Оценката на енергийната ефективност на действащи ЦОД и анализът на потенциала за улавяне на отпадната топлина, проведени във Финландия, установиха, че 97% от консумираната електроенергия може да се използва като отпадна топлина. Следователно топлината, отстранявана от ЦОД с мощност 1 МВт, работещ при половин номинално натоварване, е способна да покрие потребността от топлина за 30 хил. м² нежилищни сгради годишно.
Сравнението на два варианта за охлаждане на ЦОД в сграда Futura в Ювяскюля (централна Финландия) показа, че използването на комбинацията от автономно охлаждане с топлинни помпи води до икономия от € 280 хил. в рамките на 20 години в сравнение с използването на инсталации за естествено охлаждане и хладилни машини.
Утилизационните инсталации на ЦОД съдържат оборудване, което помага да се използва ефективно топлинната енергия, отделяна при работата на сървъри, устройства, ЕИМ и други елементи на дата центровете.
Топлинните помпи имат висока енергийна ефективност, тъй като енергията, получена от околната среда, се използва за пренос на топлина, а не за нейното производство.
Оползотворяването на отпадната топлина на ЦОД е важна стъпка в повишаването на енергийната ефективност и намаляването на въздействието върху околната среда.

Теоретична част

Принцип на работа на топлинната помпа

Топлинната помпа е устройство за пренос на топлинна енергия от топлинен източник с ниска температура към топлоприемник с висока температура; преносът се осъществява с разход на енергия. Работните процеси са подобни на процесите в хладилните машини.

Термодинамичният цикъл на топлинната помпа (T-S-диаграма):

Процес 1–2 — сухата наситена пара се компресира в компресора с рязко повишаване на налягането
Процес 2–3 — прегрятата пара постъпва в кондензатора, охлажда се до сухо наситено състояние и се кондензира напълно, като отдава топлинна енергия
Процес 3–4 — течният хладилен агент преминава през дроселиращото устройство, налягането и температурата му намаляват (изоентропен процес)
Процес 4–1 — хладилният агент кипи в изпарителя и получава топлина от нископотенциалния източник

Видове нискотемпературни топлинни източници

Вторични енергийни ресурси:

вентилационни емисии
„сиви” канализационни отпадни води
технологични процеси

Нетрадиционни възобновяеми източници:

атмосферен въздух
подземни и геотермални води
водоеми и природни водни потоци
слънчева енергия
повърхностни и по-дълбоки слоеве на почвата

Класификация на топлинните помпи

По цикли и схеми на работа:

Компресионни: газокомпресионни (ГТП) и парокомпресионни (ПТП)
Сорбционни: абсорбционни (АБТП) и адсорбционни (АДТП)

По температурен режим:

нискотемпературни (под +50°C)
среднотемпературни (+50 до +80°C)
високотемпературни (над +80°C)

По вид на топлоносителя в контурите: „почва–вода”, „почва–въздух”, „вода–вода”, „вода–въздух”, „въздух–вода”, „въздух–въздух”, „лед–вода”

По производителност:

битови (малки, 5–20 кВт)
промишлени (средни, 20–600 кВт)
големи (от 1 МВт и нагоре)

Методи за оползотворяване на топлината на вентилационните емисии

използване на топлопомпени инсталации
прилагане на топлообменници-утилизатори
използване на кондензационни отоплителни котли
предаване на топлината на изходящия въздух към приточния с помощта на схема с промеждутъчен контур и топлообменник с кондензация на влага

Методи за отвеждане на топлина от оборудването на ЦОД

Течно охлаждане — директно охлаждане на компонентите с течен топлоносител
Топлообменни апарати — предаване на топлина между среди
Охлаждане с външен въздух (фрийкулинг) — метод за охлаждане на въздуха в помещението с помощта на наружен въздух без прилагане на хладилни инсталации, компресори и друго енергоемко оборудване; по-малко енергоемък, по-ефективен и екологичен в сравнение със системите, използващи компресиран хладилен агент

Принципна схема на утилизационната инсталация

Изходящият въздух е нископотенциален топлинен източник за топлинна помпа от тип „антифриз–вода”. Системата работи в три режима в зависимост от температурата на наружния въздух:

Режим №1 (tн < +18°C): приточният въздух се подгрява чрез смесване на наружен и част от отстранявания въздух в смесителна камера
Режим №2 (+18°C < tн < +27°C): целият отстраняван въздух се насочва към топлообменника-утилизатор
Режим №3 (tн > +27°C): необходимо е охлаждане на приточния въздух, който се насочва към топлообменника-утилизатор

Практически резултати

Конструктивен изчислителен модел на топлообменника-утилизатор

Изходни данни за изчислението:

горещ топлоносител — въздух: t₁′ = +27°C, t₁″ = +20°C, G₁ = 166 хил. м³/ч
студен топлоносител — вода: t₂′ = +10°C, t₂″ = +13°C
относителна влажност на въздуха на входа: φ′ = 70%

Оценка на потреблението на енергоресурси и икономия на гориво

При прилагане на рециркулация на изходящия въздух за периода с температура на наружния въздух под +18°C:

Икономия от рециркулация: ΔBр = 242,9 т.у.г.
Икономия на топлина от топлинната помпа (режим №1): ΔBк = 212,1 т.у.г.
Разход на електроенергия от топлинната помпа (режим №1): ΔBТП = 163,4 т.у.г.

При режим на вентилация №2 (+18°C < tн < +27°C):

Икономия на топлина: ΔBк = 177,2 т.у.г.
Разход на електроенергия от топлинната помпа: ΔBТП = 136,59 т.у.г.

Обобщени резултати:

Обща икономия на гориво при реализация на оползотворяване на отпадната топлина: Σ∆Bк = 632,1 т.у.г.
Общ разход на енергия в условно гориво при реализация на оползотворяване: Σ∆BТП = 299,9 т.у.г.

Коефициентът на трансформация на енергията на топлинната помпа при температурата на промеждутъчния топлоносител на входа на изпарителя: μ = 3,5

Приложение

Разработената принципна схема с топлинна помпа от тип „антифриз–вода” е приложима за оползотворяване на отпадната топлина на ЦОД с цел отопление на сгради и подгряване на битова гореща вода за външни потребители.
Методът е особено ефективен за ЦОД с мощност от порядъка на 1 МВт — такъв ЦОД при половин натоварване е способен да покрие топлинните нужди на до 60 хил. м² площ.
Системата за оползотворяване може да работи целогодишно: в отоплителния сезон топлинната помпа работи в режим на отопление, а лятото — в режим на охлаждане на въздуха.
Фрийкулингът е препоръчителен при ниски наружни температури, а при прекомерно висока температура на средата е целесъобразно преминаване към традиционни охладителни системи.
Прилагането на комбинацията от автономно охлаждане с топлинни помпи осигурява значителна икономическа ефективност — до € 280 хил. за 20 години в сравнение с конвенционалните схеми.
Резултатите имат практическа значимост за проектиране на инженерните системи на ЦОД с цел снижаване на въглеродния отпечатък и намаляване на оперативните разходи за енергия.