数据中心余热回收系统应用研究

张 飞，贺 晓，程 序，魏文豪，张 琪，王 蕾（中讯邮电咨询设计院有限公司郑州分公司，河南郑州 450007）

0 前言

近年来，随着信息化的高度发展，数据中心建设步伐加快，数据中心所使用的服务器和网络传输设备将高品位电能转化为低品位热能，最终通过空调系统散到室外环境中，没有被充分利用，造成极大的损失。我国数据中心整体用电量以每年超过10%的速度递增，2018 年全年共消耗电量1 608.89 亿kW·h，超过整个上海市用电量［1］。预计到2030 年我国数据中心整体用电量预计将突破4 000 亿kW·h，占全社会用电量的比重将升至3.7%［2］。

数据中心的余热可以作为区域能源的廉价热源，这样可以降低区域能源供热运行成本。部分地区鼓励数据中心采用余热回收利用措施，为周边建筑提供热源［3］。

1 数据中心余热回收应用现状分析

1 m3水1 ℃的温差蕴含的能量约为4 200 kJ，1 m3空气1 ℃的温差蕴含的能量约为1.3 kJ。显然单位体积空气蕴含的能量远不及水蕴含的能量，因此，目前数据中心的余热回收主要是回收水系统中的热量。

目前，国外对数据中心余热进行回收利用的案例较多，尤其在北欧的国家。例如早在2011 年，芬兰赫尔辛基公共能源公司就开始研究通过不同的方式对云计算数据中心产出的大量废热进行收集，向企业建筑或居民家中供暖［4］；俄罗斯Yandex 公司利用其位于芬兰南部城市曼采莱的数据中心产生的余热为该城市供暖，帮助曼采莱减少了约40%碳排放量；数据中心供应商DigiPlex 和挪威最大的区域供热供应商For⁃tum Oslo Varme AS 合作为5 000 户奥斯陆公寓供热。在芬兰和挪威等国家，部分地方政府与当地数据中心签署热量回收意向书，向数据中心购买热量提供给周边社区居民。

随着数据中心建设的加速，国内数据中心采用余热回收项目也在逐渐增加，如天津滨海新区腾讯数据中心采用余热回收方式给约9 200 m2办公区域供暖［5］；武汉建设银行数据中心采用余热回收方式给约10 万m2办公楼供暖［6］；北京某数据中心采用余热回收方式提供居民生活热水［7］；南京江北新区数据中心采用余热回收方式给园区供热［8］；河北廊坊某数据中心采用余热回收方式给约2 000 m2办公楼供暖［9］；国网清数科技园数据中心余热回收项目［10］等。

2 不同余热回收方式对比分析

2.1 数据中心冷冻水空调系统图

根据《数据中心设计规范》（GB50174−2017），将数据中心运行中断所导致的危害进行分级，划分为A、B、C 三级。A 级安全等级最高，近似要求能够实现在线运行和无单点故障。

数据中心冷冻水空调系统增加热回收模块，一般通过板式换热器将数据中心和热回收部分进行隔离，设置合理的水泵、阀门、仪表等部件，能够实现数据中心的安全可靠运行，不降低系统的安全等级，不产生单点故障。运行过程中，可通过热回水系统的变频水泵保证热水回水温度稳定，当回收能量增大时，可增加变频水泵的频率提高水泵转速，反之亦然，进而减少对数据中心冷冻水供回水温度的影响。增加热回收模块对原数据中心系统几乎没有影响。数据中心常见热回收系统如图1所示。

图1 数据中心常见热回收系统图

2.2 冷冻水和冷却水热回收系统对比

热回收系统可以从数据中心冷冻水也可以从冷却水回收余热。当余热回收接至冷冻水管路时，一般接至冷冻水的回水管（高温侧），经过板式换热器（或者热泵机组后）冷冻水回水温度降低或者接近冷冻水的供水温度，具体原理图如图2 所示。当余热回收接至冷却水管路时，一般接至冷却水的回水管（高温侧），经过板式换热器（或者热泵机组后）冷冻水回水温度降低或者接近冷却水的供水温度，具体原理如图3所示。

图2 热回收取自冷冻水示意图

图3 热回收取自冷却水示意图

冷冻水热回收和冷却水热回收对比如表1 所示。从表1可以看出，冷冻水热回收系统更加成熟一些，建议一般采用冷冻水热回收系统。

表1 冷冻水热回收和冷却水热回收比较

2.3 热回收与冷源串联与并联对比

热回收系统与数据中心冷源的连接方式有并联和串联2 种。以常见的热回收接至冷冻水系统为例，当热回收系统与数据中心冷源并联时，一般接至自冷冻水的回水管（高温侧），经过板换（或者热泵机组后）冷冻水回水温度降低或者接近冷冻水的供水温度，然后接至冷冻水的供水管（低温侧）。当与数据中心冷源串联时，一般取自冷冻水的回水管（高温侧），经过板换（或者热泵机组后）冷冻水回水温度降低或者接近冷冻水的供水温度，然后接至冷冻水的回水管（高温侧），具体原理如图4 所示。相对并联连接方式，串联时变频水泵的扬程除了需要克服管路损失外，还要承担板换（或者热泵机组）的阻力，因此扬程相对较大。

图4 热回收系统与数据中心冷源串联示意图

热回收系统与数据中心冷源并联、串联比较如表2所示。

表2 热回收系统与数据中心冷源并联、串联比较

当热回收负荷比较大时，建议采用热回收系统与数据中心冷源并联，并设置热回收变频水泵以及板换的方式，保证热回收回水温度稳定运行。当热回收负荷比较小时，建议采用热回收系统与数据中心冷源串联的方式。

3 经济性和节能性分析

3.1 项目介绍

以某典型数据中心为例，整个园区约6.3 万m2，数据中心机房本期约2 万m2，终期约6 万m2，办公区域约1 万m2，数据中心冷源为4+1 台1 200 RT 冷水主机，冷冻水供回水温度为12/18℃。办公区域采用常规的燃气锅炉房，供暖时间约为90天。

3.2 节能、环保性分析

计算不同余热回收率下节约天然气使用量和减少二氧化碳排放量，结果如表3所示。其中，天然气热值取35 588 kJ/m3。

由表3 可以看出，数据中心采用余热回收系统节能效益非常可观，能源节约量大，环保效益显著。

表3 不同余热回收率下，数据中心冷源节能、环保分析

3.3 经济性分析

3.3.1 初投资

将燃气锅炉房供暖和余热回收系统初投资进行比较，如表4 所示。从表4 可以看出，与燃气锅炉房供暖系统相比，余热回收系统初投资增加约600万元。

表4 燃气锅炉房供暖和余热回收系统初投资进行比较

3.3.2 运行电费及投资回收期

冬季冷冻水温度为12/18℃，经过板换换热后水温为11/17℃，通过离心式热泵机组提升为40/45 ℃，经过多个厂家选型后，热回收系统热泵机组能效约为5.3，考虑变频水泵等其他损失，整个热源能效取5，不同余热回收率下运行费用及回收期如表5所示。

表5 不同余热回收率下运行费用及回收期

由计算结果可知，数据中心余热回收系统的经济性与余热回收率密切相关，当余热回收率比较低时经济性比较差。本项目办公区域年耗热量约90万kWh，余热回收率约2.5%，经济性较差。因此，可考虑将余热销售给供热公司或者周边热用户等方式，通过增加余热回收率的方式提高热回收系统的经济性。

4 结束语

通过对数据中心余热回收系统的应用研究，得到的主要结论如下。

a）数据中心的余热可以作为区域能源的热源，而不影响数据中心的安全性。

b）数据中心余热回收的形式比较多样。冷冻水热回收系统更加成熟，建议一般采用冷冻水热回收系统；当热回收负荷比较大时，建议采用热回收系统与数据中心冷源并联，并设置热回收变频水泵以及板换的方式，保证热回水回水温度稳定运行，当热回收负荷比较小时，建议采用热回收系统与数据中心冷源串联的形式。

c）数据中心的余热回收对节能减排具有重要意义。

d）数据中心余热回收系统的经济性与余热回收率密切相关，当余热回收率比较低时经济性比较差，可考虑将余热销售给供热公司或者周边热用户等方式，通过增加余热回收率的方式提高热回收系统的经济性。