Моделирование теплового насоса и абсорбционной холодильного машины для утилизации тепловой энергии дата-центра

АКТУАЛЬНОСТЬ. Тепловую энергию дата-центра (или ЦОД – центра обработки данных) с воздушной системой охлаждения можно использовать, например, для подогрева воздуха в помещениях в зимнее время. Для этого может быть установлен теплообменник, который передаст тепло от системы охлаждения и использует его для нагрева воздуха, который затем поступает в здание. Известен ряд типовых потребителей тепловой энергии от дата-центров: жилые и офисные здания, теплицы. Например, компания Yandex открыла в 2015 году дата-центр в пригороде Хельсинки. Тепловая энергия от дата-центра поступает в систему отопления жилых домов. В центре обработки данных компании Facebook в Лулеа, в Швеции, тепло, выделяемое серверами, используется для обогрева воздуха, который затем направляется в офисы Facebook и соседние здания. Кроме того, тепло от дата-центра может быть использовано для отопления теплиц и других объектов сельского хозяйства. В частности, в Нидерландах тепло от дата-центров используется для обогрева теплиц, где выращиваются овощи, цветы и другие растения.

ЦЕЛЬ. Моделирование режимов работы теплового насоса и абсорбционной холодильного машины для утилизации тепловой энергии дата-центра.

МЕТОДЫ. Проведено моделирование режимов работы теплового насоса для интеграции дата-центра в систему централизованного теплоснабжения с расчетом теплового баланса и определением коэффициента трансформации тепловой энергии, который находится в диапазоне 3,4 – 4,5 в зависимости от расчетного режима. Дополнительно проведено моделирование режимов работы абсорбционной холодильной машины (АБХМ) для покрытия нагрузки на охлаждение дата-центра с расчетом теплового баланса.

РЕЗУЛЬТАТЫ. Построенная математическая модель является моделью единичного теплового насоса, путем объединения которых будет достигаться уровень покрытия требуемой тепловой мощности для здания. Модель выполнена для технологической связки теплового насоса и дата-центра в виде концепции «черного ящика», где в качестве черного ящика выступает дата-центр.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Интеграция теплового насоса в тепловую схему датацентра является актуальным решением в случае расположения объекта в зоне действия системы централизованного теплоснабжения. В свою очередь, применение АБХМ с холодильной мощностью 2000 кВт может иметь перспективы, т.к. в качестве источника холода в типовых проектах холодоснабжения дата-центров применяются группы чиллеров внутреннего размещения мощностью по 2000 кВт с выносными воздушными конденсаторами.

1. Caceres C.R., Sandberg M., Sotoca A. Planning data center locations in Swedish municipalities. A comparative case study of Luleå and Stockholm // Cities 150, 2024. p. 22.

2. Lu H., Zhang Z., Yang L. A review on airflow distribution and management in data center // Energy & Buildings 179, 2018. p. 265-277.

3. Alkurush A.A., Salem M.S., Abdelrehim O., et al. Data centers cooling: A critical review of techniques, challenges, and energy saving solutions // International Journal of Refrigeration 160, 2024. p. 246-262.

4. Patankar S.V. Airflow and cooling in a data center // Journal of Heat Transfer, 2010. p. 17.

5. Fakhim B., Behnia M., Armfield S.W., et al. Cooling solutions in an operational data centre: A case study // Applied Thermal Engineering 31, 2011. p. 2279-2291.

6. Lan J., Zhang Z., Liang X., et al. Experimental and numerical investigation on thermal performance of data center via fan-wall free cooling technology // Applied Thermal Engineering. 2023. 228: 120467.

7. Antal M., Cioara T., Anghel I., et al. Transforming Data Centers in Active Thermal Energy Players in Nearby Neighborhoods // Sustainability 10, 939, 2018. p. 20.

8. Du S, Cui Z., Wang R.Z., et al. Development and experimental study of a compact silica gel-water adsorption chiller for waste heat driven cooling in data centers // Energy Conversion and Management 300, 2024. p.10.

9. Дзино А.А., Малинина О.С. Системы прямых и обратных термодинамических циклов для получения тепла и холода // VII Международная научно-техническая конференция «Низ-котемпературные и пищевые технологии в XXI веке» Ч. I: Материалы конференции. – СПб.: Университет ИТМО, 2015. – С. 141–144.

10. Cola F., Hey J., Romagnoli A. Characterization of the droplet formation phase for the H2O–LiBr absorber An analytical and experimental analysis // Applied Energy 222, 2018. p.885897.

11. Huang C., Shao S., Wang N., et al. Performance analysis of compression-assisted absorption refrigeration-heating system for waste heat recovery of liquid-cooling data center// Energy 305, 2024. p. 13.

12. Borkowski M., Pilat A.K. Customized data center cooling system operating at significant outdoor temperature fluctuations // Applied Energy 306, 2022. p. 11.

13. Antal M., Cioara T., Anghel I., et al. Techno-economic study of an energy sharing network comprised of a data centre and multi-unit residential buildings for cold climate // Energy & Buildings 186, 2019. p. 261–275.

14. Gao T., David M., Geer J., et al. Experimental and numerical dynamic investigation of an energy efficient liquid cooled chiller-less datacenter test facility // Energy and Buildings 91, 2015. p.83-96.

15. Carbo A., Oro E., Salom J., et al. Experimental and numerical analysis for potential heat reuse in liquid cooled data centres // Energy Conversion and Management 112, 2016. p. 135– 145.

16. Ахременков А.А., Цирлин А.М. Математическая модель жидкостного погружного охлаждения вычислительных устройств / // Программные системы: теория и приложения, 2016, 7:1(28), с. 187–199.

17. He Z., Xi H., Ding T., et al. Energy efficiency optimization of an integrated heat pipe cooling system in data center based on genetic algorithm // Applied Thermal Engineering 182, 2021. p.9.

18. Yuana X., Liang Y., Hu X., et al. Waste heat recoveries in data centers: A review // Renewable and Sustainable Energy Reviews 188, 2023. p. 17.

19. Юдин А.К. Разработка энергетической модели дата-центра. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2025;27(4):147-156. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2025-27-4-147-156.

20. Tofani A. A case study on the integration of excess heat from Data Centres in the Stockholm district heating system // TRITA: TRITA-ITM-EX 2022:469, Stockholm, Sweden 2022. p. 56.

21. Lu T., Lü X., Valisuo P., et al. Innovative approaches for deep decarbonization of data centers and building space heating networks: Modeling and comparison of novel waste heat recovery systems for liquid cooling systems // Applied Energy 357, 2024. p. 16.