数据中心余热回收技术应用

娄小军，韩冠军，李 印，刘海潮，尹朝辉

（1.中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080；2.中国移动通信集团有限公司，北京 100032）

0 引 言

近年来，随着5G移动通信、物联网、云计算、人工智能等技术的快速发展，数据中心建设数量和规模正迎来新一轮的爆发性增长。根据统计，全国数据中心总耗电量在2017年为1 200～1 300亿kW·h，预计到2025年将达到3 842.2亿kW·h[1]。数据中心消耗的电能会产生大量的热量，这些热量随着空调系统不断排放至室外环境，如果能对此部分余热加以利用，将会产生较大的经济价值[2]。利用数据中心余热回收技术可以回收制冷过程中产生的热量，并转化为采暖及生活热水的热源，降低数据中心空调系统和园区供热系统的能耗，提高能源综合利用率[3-5]。

1 相关标准及政策

数据中心余热利用作为综合节能措施，近年来引起了业界的极大关注，已有相关国家标准规范及政策对其提出要求[6]。《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）指出：有可利用的废热或工业余热的区域，热源宜采用废热或工业余热[7]。《数据中心设计规范》（GB 50174—2017）指出：数据中心空调系统设计时，应分别计算自然冷却和余热回收的经济效益，并应采用经济效益最大的节能设计方案[8]。住房城乡建设部印发的《绿色数据中心建筑评价技术细则》指出：数据中心辅助区和周边区域有供暖或生活热水需求时，宜设计能量综合利用方案，回收主机房空调系统的排热作为热源，宜采用热泵机组回收排热[9]。工业和信息化部、国家机关事务管理局、国家能源局联合发布的《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》提出：鼓励在自有场所建设自然冷源、自有系统余热回收利用或可再生能源发电等清洁能源利用系统[10]。工业和信息化部发布的《关于加强“十三五”信息通信业节能减排工作的指导意见》提出：推广绿色智能服务器、自然冷源、余热利用、分布式供能等先进技术和产品的应用。国家发展改革委发布的《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》中提出：推动数据中心采用高密度集成高效电子信息设备、新型机房精密空调、液冷、机柜模块化、余热回收利用等节能技术模式。

2 数据中心余热回收技术分类

根据数据中心空调系统方案和余热利用方式的不同，可以分为风侧余热回收技术、氟侧余热回收技术以及水侧余热回收技术，如图1所示。水侧余热回收技术根据余热来源可分为冷冻水侧余热回收和冷却水侧余热回收，目前在大型数据中心园区通常采用水侧余热回收方式，为园区提供采暖及生活热水热源。

图1 余热回收技术分类

2.1 风侧余热回收利用

对于距离数据中心机房较近且有热需求的房间，可以将机房的排风直接送到该类房间，用来在冬季维持室内温度。为了维持机房的正压，需要设置回风措施。由于机房和供热房间不是同一个消防分区，为了保证消防安全，风管应设置电动防火阀，火灾时防火阀自动关闭。此外，数据机房对空气粒子浓度有严格要求，需要在回风管道上设置空气过滤装置。

2.2 氟侧余热回收利用

2.2.1 氟侧余热回收供暖

氟侧余热回收供暖有两种形式：当热需求房间对噪声要求低且空间较大时，可以将风冷机房专用空调的冷凝器安装在该房间，将冷凝热直接排放在该房间，满足其热需求，例如停车库、柴发机房等场景；当热需求房间对噪声要求较高且空间有限时，可以采用分体空调或变制冷剂流量（Variable Refrigerant Volume，VRV）系统对此类房间供热，室外机布置在数据机房内，回收机房余热。

2.2.2 氟侧余热回收供热水

氟侧余热回收供热水系统的主要形式为在传统的压缩制冷循环中串联水-氟换热器，压缩机出口处高温高压的气体先经过水-氟换热器冷却后再经过风冷冷凝器，余热回收的热水可以储存在蓄热水箱中，供生活热水使用。同时系统由于水-氟换热器预冷，可以减少风冷冷凝器的风机功耗。

2.3 水侧余热回收利用

2.3.1 冷冻水侧余热回收利用

数据中心将一部分冷冻回水通过水泵输送至采暖建筑的空调机房，水源热泵主机与冷水机组并联，热泵主机吸收冷冻水中的热量，生成空调、采暖或生活热水，用以满足建筑的供热需求。水源热泵直接利用数据中心冷冻水的方案适合热用户离机房较近的项目，如果热用户较远，为了保证水力平衡，应增设间接换热用板式换热器（以下简称板换）、二次泵设备，如图2所示。

图2 冷冻水侧余热回收利用示意图

当某一时段数据机房的冷负荷和供暖建筑的热负荷相匹配时，可以关闭数据中心制冷系统，只运行热泵机组。当数据中心运行初期发热量较小，不能满足供暖建筑的热负荷时，应配置锅炉、市政供热等传统热源作为辅助热源。水源热泵冷冻水侧余热回收利用仅能满足建筑供热需求，为了满足建筑夏季制冷需求，水源热泵主机应配置冷却塔作为夏季冷却装置。

2.3.2 冷却水侧余热回收利用

数据中心冷却水侧余热利用方式和冷冻水侧余热利用方式一样，仅将热源水由冷冻水改为冷却水。由于冬季自然冷却时的冷却水回水温度会低于冷冻水回水温度，导致水源热泵性能系数（Coefficient Of Performance，COP）略低，而且冷却水水质较差，易造成热回收水系统结垢，因此建议优先选用冷冻水侧余热回收。

随着数据中心空调系统的发展，当采用服务器液冷方案时，由于液冷设备承受水温较高，因此可以全年采用冷却塔直接供冷。如果冬季冷却水温度能够保持40 ℃以上，则可以直接利用冷却水或通过板换间接利用冷却水进行供热。冷却水侧余热回收利用方案如图3所示。

图3 冷却水侧余热回收利用示意图（液冷）

2.4 余热回收技术对比分析

通过以上分析，总结不同余热回收方式的技术特点、应用规模以及应用注意事项，具体如表1所示。

表1 余热回收技术对比分析

3 国内外应用案例介绍

近年来，运营商及互联网公司根据自身业务需求建设了大量数据中心园区，并应用了余热回收技术。以中国移动某严寒地区超大数据中心园区为例，园区终期总规模约900 000 m2，分为机房区和生活区。利用一期3栋数据中心机楼余热，通过水源热泵机组提取机房冷冻水中热量，满足数据中心自身及园区冬季风机盘管、地暖、散热器采暖及生活热水等供热需求，总供热面积约100 000 m2。本系统在节省供热费用的同时，还可以降低冷却系统耗电量，减少煤炭或天然气等能源消耗。经过计算，一个采暖季可节省供热费用超过200万元，项目投资回收期为3～4年。

除此之外，国外大型数据中心园区中，余热回收系统应用广泛，特别是北欧地区，数据中心余热常用于城市区域供热系统。Facebook公司在丹麦欧登塞建设的数据中心园区已与区域供热企业签约，预计每年回收余热可为大约1.1万户家庭供暖。

4 结 论

通过介绍数据中心余热回收技术相关的国家标准政策、系统形式及国内外应用案例，在目前数字经济和新基建迅速发展的形势下，未来需要进一步加大政策引导和研发创新，并推动多方合作，因地制宜应用数据中心余热回收技术。加快建立数据中心余热回收利用相关标准、节能评估机制，评选数据中心余热回收应用典型案例、标杆等，推动场景化技术应用。与此同时，推动低温余热利用技术的创新应用，鼓励研发创新机构与数据中心企业开展余热回收研究合作，解决余热回收系统产品在设计、施工、监控以及运维等阶段存在的技术问题，提升数据中心余热利用技术的经济性。充分利用数据中心余热进行区域供热、工业生产供热以及农业生产供热等，探索低成本、规模化推广的技术路线及商业模式，打造良好的产业形态。