Análisis y optimización de Bombas de calor para la integración de centros de datos en la calefacción urbana

Abstract

[ES] Esta tesis investiga la integración de grandes bombas de calor para el enfriamiento de un centro de datos, aprovechando el calor excedido con la Red de Calefacción urbana, aumentando su temperatura de 45ºC a 85ºC. Concretamente, está previsto ayudar al gobierno Danés con los objetivos de reducción de emisiones establecidos para 2050.

El proyecto se centra especialmente en un centro de datos específico ubicado en Kassø, que tiene una necesidad de enfriamiento de aproximadamente 27MW. Para esta instalación se estudia la mejor opción en términos de fuente de calor, aire o agua, y para otros componentes como el tipo de compresor. El resultado reveló que el agua como fuente es preferible, y por tanto se evalúa dicha fuente de calor para la operación con bombas de calor de una etapa y de dos etapas, buscando configuraciones nuevas que pueden aumentar el rendimiento del sistema.

El método 'pinch' se aplica a las mejores opciones resultantes, y una diferencia de temperatura óptima se encontrará para obtener la mejor eficiencia alcanzable, y una mejora del 2.84% y 3.76% en el COP se muestra como resultado de la optimización 'pinch' para las bombas de calor de una y dos etapas, respectivamente. Para estos casos, es necesario diseñar una red de Intercambiadores de calor capaz de cumplir los requisitos de la optimización. Por lo tanto, dos redes se diseñan para las mejores configuraciones, en el caso del sitema con una etapa, no es posible lograr la diferencia de temperatura, establecida en 3K, y para el sistema de dos etapas, 2.93K se alcanza con 18 intercambiadores, considerando la red válida para su implementación.

[EN] This thesis investigates the integration of large Heat Pumps for the Datacenter cooling, taking profit from the exceeded heat with the District Heating Network, increasing its temperature from 45ºC to 85ºC. Concretely, is planned to help the Danish Government with the emission reduction objectives set by 2050.

The project is particularly focus on a specific datacenter placed in Kassø, which has a cooling necessity of approximately 27MW. For this facility is studied the best option in terms of heat source, Air or Water, and for other components such the compressor type. The result revealed that water as source is preferable, and this option is evaluated for the operation with one-stage and two-stage Heat pumps, looking for some new configurations that can increase the performance of the system.

The pinch method is applied to the resulting best options, and an optimal pinch point will be found to obtain the best efficiency reachable, and an improvement of the 2.84% and 3.76% in the COP is showed as a result of the pinch optimization for the one and two-stage Heat pumps, respectively. For these cases, is necessary to design a Heat Exchanger Network able to fulfil the requirements of the optimization. Therefore, two HEN are designed for the best ammonia configurations, for the case of the onestage, is not possible to achieve the temperature difference, set as 3K, and for the twostage 2.93K is reached with 18 exchangers, considering the HEN valid for its implementation.