文｜ 中國農(nóng)業(yè)大學 袁小艷 陳 光

北京工業(yè)大學 孫 晗

北京科計通電子工程有限公司 黃群驥

1 序言

信息化時代的到來，對計算機能夠處理的數(shù)據(jù)和運行速度有了越來越高的要求，芯片集成度有了大幅的增長。晶體管數(shù)目的急劇增加直接導致了芯片功率和散熱量的增加，伺服器以高達3kW/m2～10kW/m2的熱流密度向網(wǎng)絡中心機房室內(nèi)環(huán)境放熱，隨著服務器性能及功率的提高，熱流密度還將繼續(xù)快速攀升[1]。

電子器件正常的工作溫度范圍一般為-5℃ ～+65℃[2]，超過這個范圍，元件性能將顯著下降，不能穩(wěn)定工作，也勢必影響系統(tǒng)運行的可靠性。電子元件發(fā)生故障的概率是隨溫度的升高而顯著增長，如果不能對CPU進行有效控溫，將會引起CPU性能降低以至損壞，減少使用壽命，CPU元件溫度每升高10℃，系統(tǒng)的可靠性降低50%。

空調(diào)降溫是保障數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)安全工作，避免出現(xiàn)燒毀、運轉(zhuǎn)失靈的必需手段。美國APC公司113號白皮書指出，使用水冷式精密空調(diào)的網(wǎng)絡中心機房用電效率可知：IT設備消耗了輸入到機房總電能的30%，機房空調(diào)制冷系統(tǒng)消耗為45%[3]。國內(nèi)機房用電能耗通常占辦公樓電耗的40%～60%，機房部分水冷中央空調(diào)機房設計排熱密度已達1.5kW/m2建筑面積，機房已經(jīng)成為一個高能耗的“排熱爐”。我國90%以上小型機房多采用空冷型空調(diào)機，排熱密度已達0.5～1.0kW/m2建筑面積，機房消耗電能轉(zhuǎn)換為熱能排向室外，導致夏季機房室外機周邊環(huán)境極度高溫，產(chǎn)生“熱島效應”，嚴重導致機房降溫不暢或引起設備燒毀；風機噪音、排熱密度過高影響周邊環(huán)境溫度產(chǎn)生糾紛。

空調(diào)耗能占總輸入電量的比例最大，其節(jié)能潛力也最大，近年來國內(nèi)外機房空調(diào)各種節(jié)能技術得到迅速發(fā)展。如新風節(jié)能技術，直接引入新風或采用熱交換新風系統(tǒng)（包括熱管換熱器、顯熱換熱器、乙二醇換熱器、自由節(jié)能機組以及板式換熱器），但此類技術易堵塞系統(tǒng)，需頻繁清洗設備。RandeepSingh等人[4]對水蓄冷的熱管式冷凝器作了研究。李長云[5]提出三種利用自然冷源隔絕換熱方案，王景剛、康利改等[6]在對廊坊的IDC機房空調(diào)進行了利用天然室外冷源空調(diào)節(jié)能改造，節(jié)電30%以上。尹貞 勤[7]、 錢 康[8]、Omar M.A1-Rabghi、Mohammed M.Akyurt[9]等都提出合理充分的利用室外新風作為冷源可以提高空調(diào)系統(tǒng)的能效，達到節(jié)能的目的。

其他研究者側(cè)重于制冷設備的改進，如電子閥膨脹技術、水泵與壓縮機變頻技術、室外機霧化噴淋技術、蒸發(fā)式冷氣機使用。也有關于中央空調(diào)動態(tài)流量空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)的研究應用。

以上研究基本觀點是將電子設備熱能認為是“廢熱”或“垃圾”熱，出發(fā)點在于“排”而非“變廢為寶”。我國城市建筑密度大大高于西方發(fā)達國家，機房大多建在建筑密集的辦公樓或居民區(qū)，一方面機房周邊環(huán)境排熱空間狹窄，另一方面臨近建筑有大量的低位熱（50℃以下）用于生活熱水及建筑供暖的需求。通過對機房及周邊建筑用冷熱系統(tǒng)綜合考慮、合理設計，充分利用機房電子設備廢熱來滿足四季熱水及冬季供暖的需求，既可以為數(shù)據(jù)中心降溫，又可為臨近建筑供暖及生活熱水；在夏季部分緩減排熱導致的“熱島效應”糾紛，又可滿足冬季鄰近建筑的供暖，機房空調(diào)運行能耗也可適當降低。

2 網(wǎng)絡中心電子設備廢熱綜合利用技術途徑

目前數(shù)據(jù)中心的節(jié)能技術手段豐富?？紤]安全可靠及成本、運營管理，將依據(jù)不同的機房環(huán)境及特定情況，機房空調(diào)領域提出了諸多節(jié)能方法：小型機房約90%使用高效空冷型精密空凋、大型機房約10%采用水冷—冷卻塔散熱的中央空調(diào)，其他節(jié)能技術如上提及的新風節(jié)能、壓縮機變頻技術、送風節(jié)能、機房溫濕度設定值節(jié)能控制、機柜的不同布置方式等。

對于面積達上千及上萬平米的數(shù)據(jù)中心，通常較為安全可靠且系統(tǒng)能耗較低的方式是冷凍水—水冷配合冷卻塔散熱的大型離心式蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)，其機房廢熱通過冷卻塔排向環(huán)境，最終將電能轉(zhuǎn)化為熱能散掉，每天電能運營費高達幾萬至幾十萬。

以上兩類空調(diào)制冷模式均采用向大氣環(huán)境放熱的形式，即單冷模式，沒有有效利用排出的電子廢熱。

在數(shù)據(jù)中心鄰近的建筑物有冬季供暖及全年生活熱水需求，其溫度范圍在40℃～55℃即可滿足。我國傳統(tǒng)建筑供暖模式是采用燃煤、燃氣鍋爐配套暖氣片散熱取暖，這需要消耗不可再生的化石能源；國家“十二五”規(guī)劃鼓勵采用較為先進的地源熱泵—地板采暖需要較大的場地提供低品位地能、太陽能—熱泵聯(lián)供—地板采暖受不穩(wěn)定的太陽能并要求大型的儲能系統(tǒng)才能持續(xù)可靠運行，在城市建筑密集群落不適宜推行。

將機房使用的單制冷模式按制冷熱泵聯(lián)合模式運行，制冷設備系統(tǒng)的制冷低溫端（蒸發(fā)器側(cè)）為機房提供冷量，電子廢熱則通過蒸發(fā)器吸熱—壓縮機增壓升溫—冷凝器放熱，冷凝熱通過水吸熱循環(huán)至鄰近建筑供暖系統(tǒng)。其綜合效果實現(xiàn)了一臺制冷機既制冷又供熱，大大提高了系統(tǒng)的能源綜合利用效率（能效比COP）。機房及其相鄰建筑各取所需，節(jié)省了運行能耗費用，既改善環(huán)境又減少至少一半以上的高品位能源（電及化石燃料）消耗。

由于數(shù)據(jù)中心的電子設備發(fā)熱穩(wěn)定，全年恒定，若加以合理利用及設計可以滿足周邊普通辦公生活，用建筑全年的熱水及冬季供暖，符合可持續(xù)發(fā)展及節(jié)能減排的國家政策。

2.1 小型空冷型精密空調(diào)機的制冷—熱泵運行模式

現(xiàn)有機房空冷型蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)模式，依靠風冷冷凝器向室外排出機房電器設

機房水冷與空冷互補型制冷熱泵聯(lián)合運行系統(tǒng)[10]（專利號201010202073.0），在傳統(tǒng)系統(tǒng)壓縮機與風冷冷凝器中串入熱量利用系統(tǒng)，保障系統(tǒng)既有制冷降溫的功能，又可利用廢熱用于供暖及洗??；并對制冷系統(tǒng)起安全平衡保護作用。系統(tǒng)在有供熱需求時，水冷冷凝器將其熱量通過熱量利用系統(tǒng)轉(zhuǎn)換出來用于供暖與洗浴，其制冷系數(shù)較單風冷模式高5%～15%；在熱負荷需求減少時，風冷冷凝器正常工作排熱，對高溫冷凝散熱波動起平衡作用；在沒有供熱需求時，水—氣排熱器輔助風冷冷凝器工作保障制冷降溫的首要目標。該聯(lián)合制冷熱泵循環(huán)模式能保障制冷的安全可靠運行并使制冷系統(tǒng)避免出現(xiàn)因高溫高壓保護而停機的危險。測試分析技術指標如表1所示。

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大型機房采用水冷—冷卻塔散熱的中央空調(diào)，其春末、夏季、初秋等季節(jié)，制冷機組運行如圖3實線部分運行所示；其冬季如圖4所示。

2.2 中央空調(diào)的制冷—熱泵運行模式

非冬季低溫冷卻按如下原理運行：來自機房水冷機柜或冷交換器的13℃左右的冷卻水被制冷機組蒸發(fā)器降溫成為8℃的冷水，冷凍水進入水冷機柜或冷交換器，與電子設備環(huán)境進行冷交換后實現(xiàn)對機房降溫控溫；機房電子設備熱通過制冷循環(huán)被水冷冷凝器帶出，再通過冷卻塔（水—大氣熱交換器）二次熱交換將熱量散至大氣。冷凝器冷媒入口溫度可高達80℃，出口溫度約32℃。

冬季冷卻塔大氣冷卻降溫按如下原理運行：冬季制冷壓縮機不啟動，利用天然大氣冷量自產(chǎn)冷凍水，從機房水冷機柜或冷交換器的13℃～18℃左右的冷卻水進入冷卻塔向大氣排除熱量，降溫成為8℃～13℃的冷凍水，冷凍水進入水冷機柜或冷交換器，與空氣進行冷交換后實現(xiàn)對機房降溫控溫。其缺點是：二次冷卻塔雖然可以保障機房環(huán)境控制在要求溫度（21℃），滿足了機房降溫的單一指標要求，但電能轉(zhuǎn)化為熱能沒有得到利用，排向大氣，其實是一種浪費，其系統(tǒng)制冷系數(shù)COP大約為5～6，即消耗空調(diào)用電能1kW,得到5～6kW的冷量；廢熱沒有利用，可能對環(huán)境造成“熱島效應”。

利用機房制冷制熱聯(lián)合運行模式，可實現(xiàn)夏季為機房制冷，冬季運行機房制冷—臨近建筑制熱的綜合利用效果，如圖5所示。

3 網(wǎng)絡中心電子設備廢熱綜合利用經(jīng)濟效益分析

3.1 小型空冷型機房空調(diào)制冷—熱泵運行模式

以北京市一個600m2面積機房空冷型空調(diào)為例，其空冷機組配置如下：1#機型其名義制冷量52.2kW機型4臺，單臺系統(tǒng)能耗22.6kW；2#機型名義制冷量33.1kW 機型3臺，單臺系統(tǒng)耗電14.4kW；全部空調(diào)設備總耗電133.6kW，每年總計耗電81.923萬度。采用制冷熱泵聯(lián)合運行，可為5740～6760m2鄰近建筑供暖，保守計算可至少為4000m2建筑供暖，或至少日產(chǎn)196噸熱水。其中計算采暖建筑按60W/m2計熱負荷；熱水初始溫度設為20℃，熱水出口溫度為45℃，熱水量以整數(shù)計；最少供暖面積及最少日產(chǎn)熱水按配置機器實際運行承擔70%負荷、熱損失15%計算；實際總耗電按70%設計電功率計。

供暖回收經(jīng)濟性分析：

（1）采用制冷熱泵聯(lián)合運行模式，機房設備總投入約120萬元，鄰近建筑4000m2采暖系統(tǒng)投入140萬元，聯(lián)合運行系統(tǒng)集成投入70萬元，合計330萬元；運行費用：機房空調(diào)設備運行65.55萬元，供暖系統(tǒng)1.6萬元，系統(tǒng)集成0.3萬元，合計67.45萬元，計算中未計算供暖季產(chǎn)額外的熱水收益。

（2）單風冷機房空調(diào)與市政供暖獨立：單風冷機房設備投入105萬元，供暖系統(tǒng)投入140萬元，市政供暖基礎投入50萬元，合計295萬元；運行費用：單風冷機房空調(diào)設備運行65.55萬元，供暖系統(tǒng)無，市政供暖11.2萬元，合計76.75萬元。

（3）單風冷機房空調(diào)與獨立熱泵供暖系統(tǒng)：單風冷機房設備投入105萬元，供暖系統(tǒng)投入140萬元，熱泵裝置及基礎設施投入120萬元，合計365萬元；運行費用：單風冷機房空調(diào)設備運行65.55萬元，供暖系統(tǒng)無，獨立熱泵供暖29.55萬元，合計95.10萬元。該模式適合郊區(qū)，建筑周邊無法獲得市政供暖，且要求有大量低品位熱的供應條件。

如上分析，“制冷熱泵聯(lián)合運行系統(tǒng)”的模式投資較“單風冷機房空調(diào)與市政供暖獨立”的模式增加35萬元，但供暖運行費用每年省9.3萬，僅供暖一項3.76年收回增加的投資；若在其他季利用熱水則可提前至1年左右收回增加的投資。顯然“制冷熱泵聯(lián)合運行系統(tǒng)”新模式較“單風冷機房空調(diào)與獨立熱泵供暖系統(tǒng)”的模式具有顯著投資回報優(yōu)勢。

3.2 中央空調(diào)的制冷—熱泵運行模式

某機房采用中央空調(diào)模式，電子設備負荷1.5kW/m2，設計中央空調(diào)某一臺為機房面積為480m2提供制冷負荷為730kW，機房空調(diào)冷凝排熱量為860kW，壓縮機功率130kW，制冷系數(shù)5.6，熱泵系數(shù)6.6，其水泵能耗33kW，系統(tǒng)運行電耗為163kW，相比于冷卻塔自然散冷（運行水泵及風機電耗9kW），制冷機組在冬季供暖時按熱泵運行新增電耗154kW。按60W/m2采暖負荷為臨近建筑提供供暖熱，機房廢熱可為臨近9500m3普通辦公用建筑供暖。

上述9500m2建筑面積若按蒸汽供暖，其蒸汽供暖量值為750kW（折合蒸汽流量1324kg/h），每噸蒸汽按198元/噸計，供暖季120天計，需要付蒸汽取暖費 75.4998萬元；水泵耗電25kW，付電費4.536萬元，合計80.0358萬元

若機房制冷機組按制冷—熱泵運行為機房提供冷量，為建筑提供供暖，電費執(zhí)行峰谷電價，全負荷運行，白天16小時0.8元/度，夜間8小時0.29元/度，一天平均電價為0.63元/度，供暖季120天計算，總系統(tǒng)相比冷卻塔自然散冷新增耗電154kW，須付電費27.9418萬元。

機房制冷熱泵聯(lián)合運行費用較蒸汽供暖每年供暖季省52.094萬元。且對供暖建筑方無初投主機設備費，僅利用機房中央空調(diào)機組設備，幾乎為零投入。

對機房而言，相比冷卻塔自然散冷排放模式，制冷熱泵機組聯(lián)合運行能保障機房制冷穩(wěn)定不波動。

4 結論及問題

據(jù)調(diào)查，北京市網(wǎng)絡中心總面積大約在40萬平方米，用電量每年約在20億度；以每平方米機房產(chǎn)熱600W計，若通過電子廢熱綜合節(jié)能技術利用，1m2機房面積可以在冬季保障相鄰普通建筑10m2供暖需熱，既可減少機房臨近建筑的供暖主機設備投入，又可省卻供暖運行費用。單供暖一項對網(wǎng)絡中心及其相鄰建筑節(jié)能率可達42%（5個月供暖時間計算）；若結合洗浴及儲能技術，則可將機房廢熱利用率至少提升到60%以上。初步預估，按全北京機房總面積40萬平方米估算，廢熱回收僅建筑供暖一項可提供5個月冬季供暖建筑面積400萬平方米，回收廢熱7220億大卡，按一噸標煤估計排放二氧化碳為2.7噸為依據(jù)，可折合標煤102萬噸，減少CO2排放量276萬噸。這大致相當于北京市飲料、食品制造業(yè)及農(nóng)副產(chǎn)品加工業(yè)（約95.78萬噸標煤）耗能；若為周邊辦公樓、居民、洗浴中心等提供洗浴及生活熱水則可減排量更大。可見網(wǎng)絡中心電子廢熱利用潛力巨大，對我國的綠色低碳目標實現(xiàn)意義重大。

存在的矛盾及需要解決的問題:

（1）以上討論需建立在個別案例分析基礎上，實際機房應用時需要充分調(diào)查機房建筑及用冷需求及周邊建筑用熱需求，機房用冷安全為重中之重，其次才是臨近建筑用熱，盡可能對規(guī)劃中的數(shù)據(jù)中心用冷及相鄰建筑用熱合并考慮，實現(xiàn)冷熱聯(lián)供的節(jié)能模式；空調(diào)制冷設備匹配、空調(diào)運營控制、無熱需求均須保障排熱通暢，需要對每個案例進行精心設計，監(jiān)測分析，積累經(jīng)驗。

（2）機房的建筑及設備涉及跨越了多部門多行業(yè)，目前各部門大多為獨立運行，導致冷熱聯(lián)供技術難以推廣。應鼓勵交叉專業(yè)及運營部門聯(lián)合協(xié)調(diào)，建立符合我國現(xiàn)行狀況的機房建筑節(jié)能體系，發(fā)展完善機房節(jié)能技術。比如按機房功能、設備負荷、建筑要求實行用電配額制度，如“機房碳排放權”制度，評估各類機房碳排放額度，這樣可以促進機房及臨近建筑聯(lián)合用能節(jié)能技術的開發(fā)、利用，降低綜合能耗。

（3）數(shù)據(jù)中心是最近十年才迅猛發(fā)展的一個新興行業(yè)，從業(yè)人員大多為電子通信領域，對空調(diào)節(jié)能技術比較陌生，應鼓勵行業(yè)交流學習；空調(diào)領域從業(yè)人員對信息機房運營環(huán)境陌生導致節(jié)能技術難以廣泛實施，應從政策、資金鼓勵新技術的應用，在實施中摸索適合我國機房建筑環(huán)境的節(jié)能技術。

1 Mochizuki M,Saito Y;Nguyen T.Practical application of heat pipe and vapor chamber for cooling high performance personal computer,Fujikura Giho, 2005，108（1）:19-25

2 王光宇.基于ANSYS的電子元件熱分析應用研究[D].陜西：西北工業(yè)大學電子與通信工程學院，2005

3 李會永，丁波.淺析數(shù)據(jù)核心機房節(jié)能技術與措施[J].有線電視技術，2009，16（7）

4 RandeepSingh,MasatakaMochizuki,KoichiMashiko,ThangNguyen.Heat pipe based cold energy storage systems for data center energy conservation[J].Energy 36(2011)：2802-2811

5 李長云.利用自然冷源進行隔絕換熱的節(jié)能措施[J].電信技術，2008（8）：52-53

6 王景剛，康利改，劉杰.廊坊IDC機房空調(diào)節(jié)能改造可行性分析[J].制冷與空調(diào)，2009，9（1）：78-82.

7 尹貞勤.程控交換機房空調(diào)設計探討[J].安徽建筑，1999（4）：29-31

8 錢康.建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術措施探討[J].制冷空調(diào)，2002，23（3）：58-59

9 Omar M Al-rubghi,Mohammed M Akyurt.A survey of energy efficient strategies for effective air conditioning [J].Energy Conversion and Management，2004，45（11-12）：1643～1654

10 袁小艷，盧皋.國家發(fā)明專利：一種計算機房制冷熱泵聯(lián)合運行系統(tǒng)，專利號201010202073.0