T-CIE 158-2023 液冷数据中心余热回收工程设计指南

I前言 IV 1 1 13.1术语和定义 13.2缩略语 24工程设计工作导则 2 24.2项目设计流程 24.3项目设计工作方法 3 3 4 45.2工程界面的确定 4 45.4设计范围的明确 4 5 5 5 6 6 6 6 7 7 7 78.2余热提质分系统 88.3输配分系统 8 88.5储热分系统 98.6监控分系统 9附录A(资料性)效果指标计算 附录B(资料性)余热回收系统方案示例 本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国电子学会提出。本文件由中国电子学会绿色数据中心与绿色制造标准化技术委员会归口。本文件起草单位：广东合一新材料研究院有限公司、中国电子学会、北京节能环保中心、广东省节能中心、北京中联云服数据科技有限公司、四川师范大学、中国建筑标准设计研究院有限公司、中电投工程研究检测评定中心有限公司、中石油克拉玛依石化有限责任公司、广东云下汇金科技有限公司、天津江天数据科技有限公司、上海韓焱数据服务有限公司、中讯邮电咨询设计院有限公司、上海邮电设计咨询研究院有限公司、联想(北京)信息技术有限公司、润泽科技发展有限公司、北京中科仙络咨询服务有限公司、西安交通大学、兰洋(宁波)科技有限公司、北京秦淮数据有限公司、联通(广东)产业务有限公司、西安交通大学、兰洋(宁波)科技有限公司、北京秦淮数据有限公司、联通(广东)产业互联网有限公司、科华数据股份有限公司、威海克莱特菲尔风机股份有限公司、超聚变数字技术有限公司、曙光数据基础设施创新技术(北京)股份有限公司、中兴通讯股份有限公司、北京国信天元质量测评认证有限公司、丹佛斯(中国)投资有限公司、南京佳力图机房环境技术股份有限公司、祥博传热科技股份有限公司、北京万国长安科技有限公司、深圳市骏启科技有限公司、天津云尚信息科技有限公司、本文件主要起草人：蔡贵立、郭丰、徐榕、孙干、张磊、王新芳、陈孝元、赵春晓、韩玉仲、罗来龙、孙伟宏、张健、付宝福、闫健、丁聪、崔吉顺、沈诚、秦继恒、李楠、王梦骋、王舜、余伟雄、苏宁焕、赵龙武、贾晖、张鹏、刘帆、周英杰、王军、许海进、曾茂进、宋树昆、卢良江、洪驰、李继成、余热回收是绿色数据中心建设工作的重要组成部分(《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》(工信部联节(2019〕24号))。随着数据中心的功率密度和能耗的不断攀升，液冷技术得到了广泛的关注并发展出多种液冷数据中心解决方案。液冷数据中心具有余热品位相对较高，回收相对便利的特点。在液冷数据中心建设余热回收工程是有效实现能源综合利用、提高能源利用效率的重要途径。为推动余热回收工程建设，中国电子学会组织相关单位在相关实践经验基础上编制了本文件。除参考本文件外，液冷数据中心余热回收工程在设计时还应符合国家现行有关标准的规定以及数据中心用户的具体技术要求。以下单位和人员参与了本标准的研究制定工作，特此鸣谢(排名不分先后):中国电信集团有限公司、中国建筑标准设计研究院有限公司、广东华章数据技术有限公司、易事特集团股份有限公司、维谛技术有限公司、上海博乔智控节能技术有限公司。11范围本文件提供了液冷数据中心余热回收工程设计指南，包括工程设计工作导则、项目设计前期准备、项目综合设计、系统总体设计和分系统合成设计。本文件适用于指导液冷数据中心新建、改扩建余热回收工程的设计。也可研究以及设计其他类型数据中心新建、改扩建余热回收工程的参考。2规范性引用文件仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本GB/T4272设备及管道保温技术通则下列术语和定义适用于本文件。液冷系统liquidcoolingsystem由维持液冷过程持续稳定运行相关设备、部件、控制逻辑等组合而成的整体。液冷数据中心liquid-cooleddatacenters应用液冷系统建设的数据中心。通过与液冷系统结合，对液冷数据中心信息/通信设备所产生热量进行回收的余热回收系统。为实现对信息设备所产生热量的回收，在液冷数据中心新建、改建、扩建余热回收系统的工程。2一次冷却循环系统primarysidecoolingcirculationsystem液冷系统内，负责将信息/通信设备元器件的发热量传递至冷却液分配单元的冷却液循环系统。二次冷却循环系统secondarysidecoolingcirculationsystem液冷系统内，将通过冷却液分配单元热交换而来的信息/通信设备元器件所产生热量散发到环境中的冷却水循环系统。工程设计engineeringdesign围绕余热回收工程的具体项目，对建设该项目所需的技术、经济、资源、环境等条件进行综合分析、论证，并根据项目业主的要求，编制并输出建设该项目所需设计文件的工作过程。3.2缩略语下列缩略语适用于本文件。CDU冷却液分配单元CoolantDistributionUnitCECW余热回收系统综合能耗ComprehensiveEnergEWY余热回收年经济效益EconomicbenefitofWasteheatrecoveryinoneYearSCY年节约等效标煤量StandardCoalsavingamountinoneYear4工程设计工作导则工程设计工作包括项目设计前期准备(见第5章)和项目设计(见第6,7,8章)。4.2项目设计流程项目设计是在项目设计前期准备工作完成后编制并输出建设该项目所需设计文件的工作过程。一般由初步设计、施工图设计两阶段工作组成，宜按照图1所示流程组织开展。图1项目设计流程3设计参照初步设计相关内容，可单独也可结合设计前期准备工作同时开展。具体以满足业主要求或设计方认为有利为判断标准。如方案设计与初步设计内容差别不大，且有关主管部门在初步设计阶段没有审查要求，设计方也可与业主商定在方案设计审批后直接进入施工图设计。注5:对于将项目分别发包给几个设计单位或实施设计分包的情况，需要关注各承包或分包单位之间的协调。4.3项目设计工作方法目综合设计”、“系统总体设计”、“分系统合成设计”三个层次(示意图如图2,具体工程项目也可根据工程实际情况，以设计方认为有利为原则调整工作层次划分方式)并提出逐层分系统的合成设计，完成“系统总体设计”。设计设计设计注1:各层次名称仅用于大致体现各层次工作特点并实现对各注2:实际工作中也可根据项目实际情况灵活调整层次之间关系并分配各层次工作内容。4.3.2工作方法设计方在具体开展设计工作时，在某一设计阶段(尤其是初步设计阶段)中宜遵从由“项目综合设计”向“系统总体设计”再向“分系统合成设计”逐层次推进的工作方法，并在各层次之间采取推进、反馈、修正的方式优化设计成果(示意图如图3)。注：第6章为“项目综合设计”相关工作内容，第7章为“系统总体设计”相关工作内容；第8章为“分系统合成设4.4成果内容与质量控制4.4.1成果内容初步设计一般宜结合项目实际情况输出包括但不限于以下设计文件，具体根据业主要求进行调整。a)工程项目总体情况概述，主要包含：工程项目设计范围、设计依据、经济效益和环境效益评4估结论，以及其它需要说明的事项。b)余热回收利用技术方案，主要包含：液冷数据中心余热回收系统总体设计(包含技术途径、系统组成、系统功能、系统性能指标、系统集成等)、分系统设计、建设内容(含场地布置、子系统和设备部署方案)等主要内容。c)设备与选型，主要包含：设备、工程主材选型和技术参数要求等。d)工程概算书，主要包含：主要工程量、工程设计概算等。4.4.1.2施工图设计成果施工图设计一般宜结合项目实际情况输出包括但不限于以下设计文件，具体根据业主要求进行调整。a)设计图纸。b)工程预算书。c)计算书。4.4.2质量控制初步设计成果需满足编制施工图设计文件及初步设计审批(若有)的需要。施工图设计成果需满足设备材料采购、非标准设备制作和施工的需要。为保证设计成果质量，宜按图1所示，分别在初步设计及施工图设计完成后，由业主组织进行设计评审。相应设计成果经业主确认后(必要时经相关管理部门审批后)再转入下一阶段。对于评审中发现的问题，宜由设计方补充完善后，再次组织评审并通过或得到业主(必要时需包括相关管理部门)直接确认。评审形式包括但不限于专家评审会、具有资质机构复核复算等，具体根据业主要求实施。5项目设计前期准备5.1项目设计前期准备主要工作内容项目设计前期准备主要工作目的是为展开项目设计明确并输出设计依据。主要工作内容包括通过调查、勘察等形式确定项目界面、明确项目投资规模、明确设计范围等。5.2工程界面的确定在进行项目设计前，宜现场勘察并会商明确项目的工程界面。具体包括：项目所在场地物理边界、设备安装地面承重能力、建筑限高/层高，以及本项目与所在液冷数据中心的结合点、水源情况、电源情况和工期要求等。5.3项目投资规模的明确工程宜有明确的投资金额上限，工程设计宜在该投资上限下进行。如前期无明确的投资金额，宜在完成工程设计概/预算后，由业主确认投资金额。5.4设计范围的明确5.4.1在明确项目工程界面及投资金额后，宜根据设计任务书和其他建设依据，并宜在前期可行性研究报告的基础上，进行工程场地状况调查、数据中心余热资源评估、用户负荷需求评估等确认工作。进一步明确工程建设目标、建设规模、建设内容等，明确项目设计范围和内容。5.4.2在项目涉及各方达成共识前提下，也可在后续项目设计阶段优化调整项目工程界面、设计范围。5并宜以签署补充合同、协议、纪要等形式固化相关论证、协商结果，并在项目设计中予以体现。件。一般包含但不限于以下文件，具体也可根据业主要求调整。a)建设主管部门批复的设计任务书、建设计划和其它有效文件。b)工程合同、订货合同及相关协议。c)相关标准、规范。d)相关会议纪要。e)业主提供的设备、设施、成套系统、工程主材等的技术说明书。f)余热资源、用户负荷需求等评估报告。6项目综合设计6.1初步设计阶段6.1.1初步设计阶段项目综合设计在设计依据基础上开展的初步设计阶段项目综合设计主要工作内容一般包括：a)明确余热回收系统技术方案(含场地设备部署方案);b)明确需采购的设备、主材等的规格、数量；d)明确项目工程概算等。6.1.2.1余热回收系统技术方案基于本文件第7章、第8章展开设计。6.1.2.2场地设备部署方案宜充分考虑技术要求和用户后续系统运维管理需求。或在液冷数据中心改扩建时综合考虑建设方案。6.1.3设备与选型设备及选型等宜基于本文件第8章展开设计，并以符合系统总体设计要求和系统运行要求为先决条6.1.4项目预期效果估算初步设计阶段，宜对项目建设预期效果进行估算。具体宜按照业主/建设方要求或相关合同、协议内相关内容进行。也可选用下列指标进行估算(计算方式可参考附录A)。a)回收利用的余热占可回收余热资源的比率。b)直接经济效益。c)年节约等效标煤数量。d)余热回收系统综合能耗。6.1.5工程概算6.1.5.2项目为液冷数据中心建设项目的子项目时，项目与液冷数据中心建设项目共建共用部分概算宜由设计方与业主统筹考虑。66.2施工图设计阶段6.2.1施工图设计阶段项目综合设计层面主要工作内容施工图设计是为满足施工需要，在初步设计基础上进一步展开的设计工作。主要工作内容一般包括：a)形成设计图纸b)明确工程预算；c)形成计算书。6.2.2设计图纸按照图纸制作规范要求完成业主要求提供的、项目所涉及的、所有专业的设计图纸。并制作图纸封面及目录，附有设计说明和必要的设备、材料表。涉及设备施工安装的图纸，需同时附有施工说明。6.2.3工程预算项目工程预算一般包括工程费用、工程建设其他费用、预备费，以及建设期利息、铺底流动资金、固定资产投资方向调节税等应列入项目总投资中的相关费用。可采用工程量清单计价模式，也可采用工程定额计算模式进行计算。在施工图设计过程中，宜采用热模拟、流体模拟、建筑信息模型、设备安装爆炸图等工具检验设计结果，对照本文件第7章、第8章要求，验证系统及分系统设计方案。并宜将相关计算及分析过程以及结果形成计算书建档留存。7系统总体设计7.1系统总体设计层面主要工作内容7.1.1进行系统设计时需综合考虑热源、负荷及温位等情况，在符合政策、法律、法规、标准、规范等要求前提下，基于业主要求，根据余热资源量、热负荷需求量、系统运行效果预估算结果及场地等情况择优选择。7.1.2余热回收系统可选择接入液冷系统一次冷却循环系统或二次冷却循环系统提取余热，可选择与液冷系统串联或并联的运行方案，对余热可采取提质利用或直接利用两种类型，对余热提质利用的方式又包括热泵系统、光热系统、电辅助加热、锅炉辅助加热等，由此产生多种系统设计方案(部分可参见附录B)。进行系统设计时宜充分考虑综合利用光热、地热等清洁能源，以及与周边建筑、园区协同建立余热回收利用体系的可行性。7.2.1液冷数据中心类型及其特点适于建设余热回收系统的液冷数据中心类型及其液冷系统特点，可参考T/CIE051—2018、T/CIE—2021等标准。7.2.2对液冷系统影响进行余热回收系统设计时宜充分考虑对液冷系统运行影响。具体包括以下几个方面：a)在余热回收系统承担液冷系统部分冷却功能时，宜考虑余热回收系统造成的液冷系统冷却负7荷降低。宜对液冷系统进行补充设计，避免液冷系统出现运行效率降低的情况；b)宜考虑余热回收系统出现故障、其冷却作用降低或停用的状况，保证液冷系统具有充分处理原由余热回收系统所处理热量的能力，以保持信息设备运行正常；c)宜选取余热回收系统与液冷系统适宜的连接点及连接方式，并充分考虑引入、断开操作对对方系统运行的影响。7.2.3联合运行在满足信息/通信设备工作温度要求的前提下，可适当提高液冷一次冷却循环系统冷却液进出温度及液冷二次冷却循环系统供回水温度以提高数据中心余热利用率。但需充分考虑冷却液(冷却水)运行温度波动对余热回收系统运行状况及可回收余热量的影响，以及由此带来的对余热回收系统输出能力的影响。7.3负荷7.3.1负荷类型负荷可以是热负荷，也可以是冷负荷。7.3.2负荷选择7.3.2.1宜优先选择用量大、连续且稳定的用户作为余热回收系统输出负荷。但余热回收系统供热/冷能力需对负荷需求留有必要的冗余。温位是影响余热回收系统运行的重要因素，进行余热回收系统设计时需充分考虑热源、负荷的温位情况以及余热提质设备正常运行对温位的要求等因素综合确定余热回收系统设计方案。a)液冷系统一次冷却循环冷却液回液温位为50℃~60℃,负荷为日常生活用热水，采取余热直接利用方b)对液冷系统余热加热，用于低温余热发电时，供水温c)采用溴化锂低温制冷机制取低温冷水时，采取辅助加热方式保证溴化锂机回水温度不超过80℃:d)负荷为低温热水辐射供暖系统，采取水源热泵提质利用余热后满足供水温度≤60℃、供回水温差≤10℃、≥5℃等要求：e)水环热泵系统制热时正常工作温位为15℃~30℃,与热源温位处于同一区间，采取水环热泵提质利用8分系统合成设计8.1分系统合成设计层面主要工作内容余热回收系统通常由余热提质分系统、输配分系统、换热单元、储能分系统和监控分系统等构成。在各个分系统合成设计时，宜充分考虑场地情况、后续运维管理需求以及安全运行要求等，围绕系统总体设计要求(系统集成、系统指标)、系统运行场景、设备的用途和技术参数等展开设计，并按常8规设计相应的电源、防雷接地、给排水、照明等配套系统。8.2余热提质分系统8.2.1可根据所在地域的光照、地热等可再生能源情况及特点，针对液冷数据中心热源情况及负荷的需求，集成适宜的余热提质分系统，对液冷余热回收提质利用。8.2.2在选取热泵作为余热提质设备时，宜综合考虑热源、负荷温位以及热泵工作温度范围、转换效率等情况，开展各个相关子系统或设备的合成设计(热泵系统设计设备选型可参考附录C.1)。8.2.3当采用太阳能集热子系统作为余热加热提质分系统的部阳能集热系统设计及设备选型可参考附录C.2)。8.2.4可综合采用多种余热提质方式设计余热提质系统。宜在综合考虑经济、技术因素前提下，设计多能源互补余热高效提质系统，提高余热回收利用量。8.3输配分系统余热回收系统管网设计需注意如下事项。a)余热回收系统管网宜采用换热单元间接连接负荷管网，输出热能。b)当以水为热媒介质时，宜采用合适的材质的换热器和防锈管道，防止出现腐蚀和水垢。c)管网宜设置除污(网孔孔径宜≤20目孔径)、放气设施，并采取防止水击措施。d)宜在对热媒水有水质要求的分系统的出、回水总管等关键点设计取样装置。e)在存在GB/T4272、GB/T50264基本规定所列工况时，所涉及设备、管道、附件宜做相应保温(冷)设计，并注意所涉及设备、管道及其附件等一些不应绝热的要求。f)管径设计及管网设计宜有必要的冗余，并设置有必要的液位显示、阀门等装置。g)设计管网时宜注意避免与液冷系统管网产生干涉。并避免管网泄漏情况下对液冷系统以及信8.3.2热媒水水质对管网中的热媒水水质需注意如下事项。a)当余热回收系统自用热媒水时，热媒水处理宜符合GB/T50050的规定。注入和补充的热媒水质，宜符合GB/T12145热网补充水的质量要求。b)当余热回收系统与液冷系统共用热媒水(冷却水)时，热媒水处理宜符合液冷系统运行要求。c)当管网及各热媒水流经设备内管道为不锈钢材质时，热媒水中的氯离子含量宜≤25mg/L。8.3.3切换装置输配分系统与液冷系统的连接点宜安装有切换装置，且切换装置宜具备使液冷收系统引入、断开操作影响的技术措施。8.4换热单元8.4.1设计系统时宜合理减少余热回收换热流程，并优先选用高效换热设备。8.4.2余热回收系统换热单元(机组)的具体形式宜根据使用要求、场景，以及换热温差(接近点温差或对数平均温差)、安全性、体积、重量、成本、可靠性等参数确定(换热设备集成设计及选型可参考附录C.3)。8.4.3在余热回收系统接入液冷数据中心一次冷却循环系统时，其换热设备宜具备防冷却液/热媒水串9流措施。8.5储热分系统8.5.1余热回收系统宜配建储热分系统，通过余热储热系统合理调节热源与负荷之间的热平衡，提高热泵系统运行能效，保证余热资源持续稳定受控回收利用。8.5.2宜结合充放热应用场景、建设成本、装置结构类型、产品技术参数和集成系统相互关系等因素，并关注熔盐储热、岩土储热等新型储热技术进展，根据充放热需求，合理选择储热装置，确定储热分系统形式。8.5.3在利用常规储热水装置设计储热分系统时，储热装置可采用双体结构蓄热装置，亦可采用温度分层结构设计。并具有储热容量与用热量、供热量匹配优化的合理调度与智能化控制等功能。保温工艺宜采用双层不锈钢板结构，中间用聚氨酯整体发泡保温体，每24小时内箱(罐)水体温度下降宜≤5℃(容器设计可参考附录C.4)。8.6监控分系统余热回收系统监控分系统宜具备以下基本功能：a)具备和液冷系统CDU的联合监控功能；b)结合实际情况，在系统分界处、设备连接点等有代表性的位置设置可检测、记录供、回水的压力、温度、流量等参数的计量表计、远传仪表，并具备余热回收系统运行状态长期、连续监测及实时显示功能，其监测时间间隔不宜大于1min;c)具备控制切换装置平滑启动/关闭的功能；d)具备故障报警功能，并可在故障发生时按预案自动采取应急处理措施；e)智能化控制功能。(资料性)WHU——余热回收利用率，用百分号(%)表示；C——当地每KW·h(每度电)平均电价(元),平均电价为峰谷电价C——系数，其值为10000;按当量值计算，则为1.229tce/万KWh,1KWhE输出——余热回收系统核算边界内输出能源综合能耗，单位为吨标准煤E排水可两生能源——余热回收系统核算边界内非水可在生能源综合能耗，单位为t吨标准煤(tce)·可采用设备的额定功率、热量估算值，以及统计、测算值、经验数据等，分析相关因数。·可以同级规模、同型系统、同地区、同季节的运行平均值数据作为参考值进行估算。(资料性)图B.2余热回收串联二次冷却循环、提质利用余热提供热水方案示意图B.3余热回收串联二次冷却循环、直接利用余热提供热水方案示例该示例为余热回收系统与液冷数据中心二次冷却循环系统共用热媒(冷却)水串联运行，通过换热冷却塔B.4余热回收并联一次冷却循环、提质利用余热提供热水方案示例该示例为余热回收系统通过换热单元与一次冷却循环系统中的CDU并联运行，利用热泵系统进行余热提质回收，输出热水供使用(见图B.4)。冷却塔冷却塔一次冷却循环热回收板换热泵机组散热末端B.5余热回收串联一次冷却循环、提质利用余热提供热水方案示例该示例为余热回收系统通过换热单元与一次冷却循环系统中的CDU串联运行，利用热泵系统进行余热提质回收，输出热水供使用(见图B.5)。冷却塔冷却塔一次冷却循环图B.5余热回收串联一次冷却循环、提质利用余热提供热水方案示意图B.6余热回收并联二次冷却循环、提质利用余热串联发电方案示例该示例为余热回收系统通过换热单元与液冷数据中心液冷系统二次冷却循环系统并联运行，利用光热系统进行余热提质回收，再串联有机朗肯循环发电机组输出电力(见图B.6)。当季节性热需求较高时，以供热为主，热需求较低时，以供电为主，可有效平衡全年用热负荷波动需求。太阳能聚能集热装置太阳能聚能集热装置数据中心热源侧熔盐/岩土储热散热液冷换热系统发电机组B.7余热回收串联二次冷却循环、提质利用余热发电方案示例该示例为余热回收系统与液冷数据中心二次冷却循环系统共用热媒(冷却)水串联运行，经提质后，与有机朗肯循环发电机组进行热量换热，实现余热发电(见图B.7)。除氧器凝结水加热器~40℃冷凝器余热发电侧图B.7余热回收串联二次冷却循环、提质利用余热发电方案示意图(资料性)C.1热泵系统C.2太阳能集热系统太阳能集热系统的设计宜遵守GB50015—20196.6部分、GB50364、GB50定，可参考《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》等进行设计。相关规定。可参考SH/T3119、《国家建筑标准设计图集：热交换站工程设计施工图集(05R103)》等进C.4储热系统所用容器储热系统所用容