一种数据中心余热利用系统及其控制方法

本发明涉及余热回收利用，具体涉及一种数据中心余热利用系统及其控制方法。

背景技术：

1、目前，随着5g、云计算等新兴技术的大规模推广和应用，人类社会正加速进入数字化时代。2010-2019年全球数据中心的总空间和容量都翻了一番，预计2020-2030年，数据中心空间将以每年13.8％的速度增长。2018年，全球数据中心的耗电量约为205twh，占全球耗电量的1％。数据中心的碳排放量也很高，包括数据中心在内的信息和通信技术行业占全球二氧化碳排放量的2％。如果数据中心的余热被完全利用，按照北京市相关建筑能耗标准，可满足北京市2.56亿平方米的采暖用热。以某数据中心为例，提取其1/40余热的热量即可满足办公楼采暖需求，每年可节省采暖费50余万元，减少能耗标煤量达1620.87吨，相当于减少约4000吨二氧化碳排放。可见数据中心的余热资源是非常丰富的，若是能够实现数据中心余热资源的高效利用，那么就一定能够大幅度节约能源，助力双碳目标的实现。

2、由于数据中心的规模越来越大，发热量也越来越多，逐渐超过了风冷式冷却方案的冷却极限，传统的数据中心自然冷却或者风冷式冷却已经难以满足数据中心的散热需求，在这一大环境下，水冷型数据中心以其散热快、散热量大、更节能等优点而得到广泛应用。在数据中心高负荷运转时，水冷型数据中心冷却水出口循环水温度可达65℃及以上；在数据中心低负荷运转时，冷却水出口温度也有30℃，对数据中心余热资源的高效利用，就是对数据中心各种运转负荷下排出冷却水中的余热资源进行高效利用。

3、出于环保要求，新建的数据中心远离城市，如想进行数据中心余热利用，需要建设长距离热水管网实现热量输送，而常规热网回水温度较高，通常为40℃～50℃，由此带来两方面问题一是由于热网供、回水温差小，流量大，导致数据中心余热供热项目的管网投资和运行费用高；二是热网回水无法与数据中心冷冻水余热直接换热，余热回收的代价大。

4、随着城市规模的逐步扩大，供热管网也逐步向大型管网或是超大型管网方向发展。管网规模越是巨大，选择科学的运行方式越是重要，其中“大温差、小流量”的运行方式在大型管网或是超大型管网体现出的优势更为明显：可以减少管网建设的初投资，节约管网运行的耗电量，有利于管网水力平衡，增加管网稳定性。

5、申请号为201821648637.1的专利，公开了一种与锅炉结合的数据中心冷热联供大温差供热系统。该系统包括：常规冷水机组、压缩式热泵、锅炉、热水型吸收式换热机组。其特点是利用串联多套热泵机组，采用多级升温方式，将冷却水温从25℃提高至75℃，之后锅炉将冷却水温从75℃加热至120℃。这样设计的优点是：1.热源侧设置锅炉提供高温热水，减少了末端热力站的改造工作量；2.在末端采用热水型吸收式换热机组加热二次网供热热水，可以降低一次热网的回水温度，拉大了大热网的供、回水温差。但缺点也很明显：1.多个热泵逐级升温导致系统复杂，投资及运行成本高；2.未考虑到数据中心负荷以及用户热负荷的波动，余热利用效率较低；3.电锅炉一直处于工作状态，且将水温从75℃加热至120℃，耗能过多。

技术实现思路

1、本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种对数据中心余热资源的高效利用的数据中心余热利用系统及其控制方法。

2、本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种数据中心余热利用系统，包括水循环制冷系统，水循环制冷系统包括设置在数据中心室外的冷水机组、冷冻水循环泵及设置在数据中心室内的冷冻水循环管路；循环水通过冷冻水循环泵在冷水机组与冷冻水循环管路间循环，还包括相变储能系统及热能回收系统；相变储能系统用于吸收并储存从冷冻水循环管路输出的热水所携带的热能；热能回收系统用于吸收从冷冻水循环管路输出的热水所携带的热能，并将吸收的热能向外部系统输送；相变储能系统及热能回收系统，两者输入口均与冷冻水循环管路的输出口相连，两者输出口均与冷水机组的输入口相连。

3、进一步地，还包括第一三通阀、第二三通阀及第三三通阀；第一至第三三通阀均包括一个输入口和两个输出口；第一三通阀，其输入口与冷冻水循环管路的输出口相连，其一个输出口与相变储能系统的输入口相连，其另一个输出口与冷冻水循环泵输入口相连；第二三通阀，其输入口与冷冻水循环泵输出口相连，其一个输出口与热能回收系统的输入口相连，其另一个输出口与冷水机组的输入口相连；第三三通阀，其输入口与相变储能系统的输出口相连；其一个输出口与热能回收系统的输入口相连；其另一个输出口与冷水机组的输入口相连。

4、进一步地，还包括第四三通阀；第四三通阀，其输入口与第三三通阀的输出口相连，其一个输出口与冷水机组的输入口相连，其另一个输出口与冷冻水循环管路的输入口相连。

5、进一步地，相变储能系统包括依次串接的储能循环泵及相变储能装置。

6、进一步地，热能回收系统包括多级耦合吸收式热泵系统。

7、进一步地，多级耦合吸收式热泵系统包括第一级吸收式热泵及第二级吸收式热泵；第一级吸收式热泵内设有第一级吸热管路和第一级放热管路；第二级吸收式热泵内设有第二级吸热管路和第二级放热管路；第一级吸热管路输入口与冷冻水循环管路的输出口相连；第一级吸热管路输出口与冷水机组的输入口相连；第二级吸热管路与第一级放热管路相连成回路；第二级放热管路与外部供热管路连成回路。

8、进一步地，还包括热能供给系统；热能供给系统用于向冷冻水循环管路提供热能；供热系统的输入口与冷冻水循环管路的输出口相连；供热系统的输出口与冷冻水循环管路的输入口相连。

9、进一步地，热能供给系统包括依次串接的供热循环泵、第一电磁阀、水加热器，供热循环泵的输入口与冷冻水循环管路的输出口相连，水加热器的输出口与冷冻水循环管路的输入口相连。

10、本发明还提供了一种上述的数据中心余热利用系统的控制方法，当数据中心室内温度低于工作温度下限或冷冻水循环管路输出的循环水温度低于25℃时，使冷冻水循环管路输出的循环水，流经相变储能装置后再流至冷冻水循环管路的输入口；此时相变储能装置工作在放热模式；相变储能装置释放的热能被流经的冷冻水吸收；

11、当冷冻水循环管路输出的循环水温度在25-40℃之间时，使冷冻水循环管路输出的循环水，流经冷水机组并被冷却后，再流至冷冻水循环管路的输入口；

12、当冷冻水循环管路输出的循环水温度在41-75℃之间时，使冷冻水循环管路输出的循环水，依次流经热能回收系统、冷水机组后，再流至冷冻水循环管路的输入口，此时冷冻水携带的热能被热能回收系统吸收并输出；

13、当冷冻水循环管路输出的循环水温度在大于75℃时，使冷冻水循环管路输出的冷冻水依次流经相变储能装置、热能回收系统及冷水机组后，再流至冷冻水循环管路的输入口，此时相变储能装置工作在储能模式，冷冻水携带的热能，依次被相变储能装置吸收并储存热能，被热能回收系统吸收并输出热能。

14、进一步地，当冷冻水循环管路输出的冷冻水温度在45-75℃之间时，使冷冻水循环管路输出的循环水依次流经相变储能装置、热能回收系统及冷水机组后，再流至冷冻水循环管路的输入口，此时相变储能装置工作在放热模式；相变储能装置释放的热能被流经的冷冻水吸收。

15、本发明具有的优点和积极效果是：通过合理的控制策略，数据中心余热利用系统当数据中心高负荷运转时，将部分高温冷冻水的热量储存在相变储能系统中；在数据中心低负荷运转时，相变储能系统又将储存的热量释放；在本系统中，电锅炉等水加热器只是起到补热的作用，在数据中心室内的冷冻水循环管路流动的水温度低于设定的工作温度下限时，电锅炉才开始工作，并不会消耗过多的能源。双吸收式热泵结合使用，达到了大温差小流量的效果。整个系统考虑到了数据中心负荷的波动性，实现了能源的跨时差使用，节约了能源；系统简单可靠，初投资及维护成本都更低，能够满足数据中心余热的高效利用。