浅谈利用济南某数据中心余热的供暖方式

李金苡

中能融合智慧科技有限公司

随着人工智能、云计算，大数据等信息技术高速发展，大型数据中心不断涌现。当前全球数据中心数量已超过 500 万个，预计 2020 年，全球数据中心耗电量将占全球总用电量的5%。截止目前，中国数据中心服务器装机量1800 万余台，国内数据中心总耗电量高达613 亿度。如何在高能耗数据中心寻找节能空间，缓解当前社会能源需求紧张，促进全球能源合理利用，是数据中心从业者不断探索的方向。本文以济南某数据中心为例，介绍余热回收原理及其应用方案，提出数据中心余热利用的可行性分析方案与建议，以期在社会级能源需求角度推动数据中心行业去关注能耗问题。

1 项目概况

济南某数据中心是国家级计算中心，位于济南市历城区彩石片区，是我国首台全部采用国产 CPU 和系统软件构建的千万亿次计算机系统，系科技部批准成立的国内三大千万亿次超级计算中心之一，总投资105 亿元，总建筑面积40.7 万m2。

该计算中心的服务器装机容量约600 匹，可提供的余热负荷约70 MW。

在园区周边，某房地产开发的住宅项目位于数据中心南侧，直线距离约600 m，为数据中心提供生活配套服务。

通过对终端用户热负荷进行模拟测算，可提取数据机房低品位热源，就地消纳数据机房余热，通过热泵升温，在冬季为计算中心办公、科研楼和周边居民供暖。该方法在节省采暖费用的同时降低冷却水系统耗电量，进一步增强机房冷却效果，减少煤炭和天然气能源的消耗[1]。此外，此举充分释放了节能空间、缓解政府压力，并积极响应国家关于推进“互联网 +”智慧能源发展的相关指示，提高能源利用效率助推园区绿色发展[2]。

2 资源条件与负荷分析

2.1 当地资源条件分析

电力：计算中心科技园主要电力供应来自于园区110 kV 变电站，供电为 10 kV 供电引入，高性能计算设备引入10 路10 kV 电源，两两一组，互为备用，同时配备柴油发电机及不间断电源作为应急电源保障。

天然气：天然气作为一种高效清洁的能源，是分布式能源系统的理想燃料。

计算中心科技园燃气气源主要来自济南港华燃气中压管线，气量较为充足。燃气低位热值为8200 大卡/Nm3。供热用燃气政府补贴后价格为1.71 元/Nm3，若采用分布式能源项目，天然气价格为3.3 元/Nm3。

余热资源：计算中心机房散热量大，常年运行温度，具有非常适合利用的余热资源。本项目考虑冬季利用计算中心机房余热为办公区域及周边居民供暖。

市政热力：科技园项目周边无市政管网供热条件，不可利用市政集中供热。

2.2 济南市相关政策支持条件

作为一种新兴的能源供应方式，对我国构建“两型社会”，大气污染防治，保护环境意义重大，日益受到全国各级政府的关注，济南的采暖、补贴收费标准有相关政策文件支持。

经汇总，济政发 【2018】 33 号文、济价费字 【2013】71 号文件、济政办函 【2018】 21 号文相关规定具体如表1 所示：

表1 济南采暖相关政策补贴价格

2.3 负荷条件分析

1）冷负荷分析

根据数据中心、房地产公司提供的资料，数据中心办公部分及房地产公建地块的设计冷负荷具体如表2 所示。

表2 数据中心办公楼及东山府商业冷负荷表

从表 2 中可以看出，公建总设计冷负荷25.86 MW，根据不同类型用户的用能特性，对典型日冷负荷逐时分析，结果如图 1，图中纵坐标单位为MW。

图1 数据中心及房地产典型日冷负荷变化曲线

从典型日逐时冷负荷图中可以看出，数据中心及房地产区域冷负荷从8:00 开始出现迅速增加，随着人员密度和室外气温的增加，冷负荷迅速上升，在 16:00时达到用能峰值，19:00 以后随着室外气温下降冷负荷逐渐降低。

2）热负荷分析

根据提供的资料，数据中心办公楼及房地产地块的设计热负荷如表3 所示。

表3 数据中心及房地产热负荷表

从表 3 中可以看出，本项目总设计热负荷27.84 MW，根据不同类型用户的用能特性，典型日热负荷逐时分析，结果如图2，图中纵坐标单位为MW。

图2 数据中心及房地产典型日热负荷变化曲线

从典型日逐时热负荷图中可以看出，夜间热负荷维持在10～15 MW 之间，白天随着办公及商业区域人员活动增加，热负荷迅速上升，在上午 10:00 时达到用能峰值。

2.4 供能范围

本项目研究范围为以数据中心机房余热为切入点，冬季通过回收计算机房余热、用热泵提温，为数据中心的科研楼和周边某地产建筑供热（居民住宅），燃气锅炉作为备用。

3 能源系统方案

3.1 设计思路

为了满足终端客户的用能需求，本项目因地制宜就地消纳数据机房余热外供，变废为宝、最大化释放能源利用价值，制定如下总体思路：

1）余热利用模式：以“数据机房余热 +热泵机组”为核心为房地产住宅地块和数据中心办公区域供能，并配以适当的燃气锅炉作为备用，以保障用户用能的安全。

2）智能调度：对科技园内的各产能主体，用能主体及能源网络进行统一监视控制，调度管理。

3）分期实施：考虑项目的建设时序和房地产入住率，为更好的匹配负荷增长，本项目分阶段实施。

3.2 工艺路线

系统工艺流程如图3 所示。

图3 工艺路线示意图

3.3 技术方案

设计参数根据本区块用户供暖的最高要求进行设计，且留有适当的过热度，减少采暖热水输送时的损失，设计冬季采暖供回水温度50/45 ℃[2]。

热源系统拟配置 4 台制冷量为 5979 kW 的高压离心式水源热泵，2 台7000 kW 燃气热水锅炉，配套辅助设备及相应的热力管网系统。

一期：配置 2 台热泵机组 +1 台燃气热水锅炉 +供热管网和相配套的辅助设施，解决数据中心办公区域和房地产公建采暖的用能需求。

二期：随着各建筑达产率提高，增配 2 台热泵机组+1 台燃气热水锅炉及配套设施，以解决增量负荷用能需求。

3.4 运行模式

余热外供主要用于冬季采暖。热泵自计算中心制冷机房冷却水侧吸热，冷却水供回水温度 20/28 ℃。经热泵提升后，用户侧供回水温度为 50/40 ℃。

数据中心机房热回收原理如图4 所示。从图中可以看出，冬季运行模式下，数据机房冷却水回水有一部分通过自然冷却模式进行冷却，另一部分输送至热源测，通过热泵回收其中的热量，提供供暖热水[1]。

图4 热回收原理图

热源测冬季供热平衡分析如图5 所示。

图5 冬季供热平衡分析图

3.5 热源侧选址

热源测的建设，应满足通风，泄爆及消防安全距离的要求。从能源输送的角度考虑应尽量靠近变配电所和冷、热、电负荷中心，周边供气、供水、排水等市政设施齐全，外管线距离短。为便于运行管理，机房最好独立设置[2]。但同时满足上述条件比较困难，根据上述要求结合本项目的特点，热源测拟建位置如图6 所示。

图6 热源侧站址图

4 余热利用方案综合性分析

4.1 节能性分析

采用数据中心余热采暖，不仅节省了一次能源天然气的消耗，也有显著的经济效益。

与天然气集中供热相对比，以一个采暖季为测算周期，将系统的固定投资费用和年运行成本平摊到采暖面积中，得到如下结论。

假定边界条件：济南采暖燃气补贴价格按照 1.71元/Nm3结算；取济南商业平均电价0.6 元/kWh；济南水价4 元/m3。

相关测算结果如表4 和表5。

表4 天然气采暖单价

表5 数据中心余热采暖单价

由表 4、5 可知，天然气集中供热的采暖单价为22.51 元/m2，数据中心余热采暖单价为19.38 元/m2，相比较，在一个采暖季每平米节省了3.13 元。据估算，该数据中心机房可释放约 70 MW 的热量，周边采暖建筑面积约50 万m2，综合考量，一个采暖季大概可节省150 万元[3]。

4.2 风险性分析

余热供暖系统主要用能为电能、备用锅炉燃料为天然气，基本不含硫分和灰分，排放烟气中基本无 SO2和烟尘。本项目所排放NOx污染物对其周围环境质量的影响在可接受的范围内，对周边环境影响较小，清洁环保，系统建设完全符合国家现行相关产业政策，属于国家鼓励建设类项目，具有很强抵抗政策风险能力[1]。

可能存在因电价和材料价格等因素的波动变化，以及地区物价指数、社会平均工资指数的变化和通货膨胀等因素导致项目经营成本增加的风险，需要有一定的保障措施。

4.3 社会性效益

项目为高效率、环保型机组，推进了山东省节能降耗减排和电源结构优化调整目标的实现。项目能保证用户用能的安全性，具有清洁能源利用的示范作用以及建设资源节约型和环境友好型社会的示范作用。

5 结论与建议

本项目符合国家“十三五”发展规划及节能减排的要求，符合建设资源节约型和环境友好型社会的国家政策，能满足项目健康、持续发展，符合环保要求，具有较好的经济效益、环境效益和社会效益，符合山东省新旧动能转换要求。

经论证，本项目社会、环境效益显著，技术方案合理，经济可行，建议加快展开项目的下一步工作。