孫付龍 王洪梅

【摘要】? ? 本文結合山東大學青島校區(qū)現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)和圖書館冬季供暖系統(tǒng)的運行原理，從實際角度觸發(fā)，根據(jù)數(shù)據(jù)中心制冷機房和圖書館地源熱泵機房所處位置的優(yōu)越性，介紹了如何利用數(shù)據(jù)中心IT設備運行過程中所產(chǎn)生余熱的構想。希望在冬季通過給圖書館供暖的地源熱泵系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心IT設備運行過程中產(chǎn)生的熱量進行回收，從而降低圖書館地源熱泵系統(tǒng)的能源消耗;同時停用數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的冷卻側室外散熱設備，從而減少冬季對數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的維護成本，延長室外冷卻塔等相關設施的使用壽命，達到雙贏的目的。

【關鍵詞】? ? 數(shù)據(jù)中心? ? 地源熱泵? ? 余熱利用? ? 節(jié)能減排

引言：

隨著信息技術的快速發(fā)展，校園的信息化和智慧化建設成為國內(nèi)雙一流建設高校率先實現(xiàn)一流的重點建設內(nèi)容，一流的信息化建設不僅對學校的教學和科研起到有利的支撐作用，還為在校師生的工作和生活提供了極大的便利。為落實山東大學“兩不出”的政策要求，山東大學青島校區(qū)的信息化建設要求率先實現(xiàn)一流。

山東大學青島校區(qū)數(shù)據(jù)中心位于圖書館一層，是青島校區(qū)信息化建設和智慧校園建設的核心組成部分;是校區(qū)的校園網(wǎng)核心、高性能計算中心、虛擬化和云服務中心;并托管了各科研單位的服務器。數(shù)據(jù)中心在承載上述功能的背后配備了完善的供配電和制冷空調(diào)等基礎設施系統(tǒng)，為IT設備7×24小時不間斷的運行提供良好的基礎設施支撐，保障了校園內(nèi)各個業(yè)務系統(tǒng)的連續(xù)性、可用性。隨著數(shù)據(jù)中心相關業(yè)務系統(tǒng)的部署，各類設備不斷的增加，數(shù)據(jù)中心也成為了一個巨大的能源消耗中心。

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的IT設備所消耗的電能最終絕大部分轉化為熱能散發(fā)到機房內(nèi)，為了維持設備正常運轉時所需要的環(huán)境溫度。機房的制冷空調(diào)系統(tǒng)通過熱交換的方式將這部分熱能散發(fā)到外界環(huán)境中，在寒冷的冬季無疑造成了熱能的浪費。然而近年來隨著數(shù)據(jù)中心數(shù)量不斷增加、規(guī)模不斷增大，數(shù)據(jù)中心高能耗問題越來越受到關注，因此數(shù)據(jù)中心的熱能回收越來越受到重視，被作為數(shù)據(jù)中心節(jié)能的重要措施。

山東大學青島校區(qū)圖書館是目前國內(nèi)單體建筑面積最大的圖書館，冬季圖書館的供熱系統(tǒng)所使用的熱量是由圖書館負一層的地源熱泵系統(tǒng)通過熱泵機組消耗電能做工從地下水中抽取的熱量來提供;數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)則采用水冷機組、板式換熱器、室外開放式冷卻塔和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)將來自機房IT設備所產(chǎn)生的熱量散發(fā)到大氣中。

實際環(huán)境中圖書館的地源熱泵機房與數(shù)據(jù)中心的制冷機房系統(tǒng)緊鄰，只有一墻之隔。在此考慮在冬季將數(shù)據(jù)中心IT設備運行產(chǎn)生的熱量，通過圖書館的地源熱泵系統(tǒng)來進行回收，以提供圖書館冬季供熱的輔助熱量，減少地源熱泵系統(tǒng)的能源消耗;同時停用數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的冷卻側室外散熱設備（冷卻循環(huán)泵、板式換熱器、室外冷卻塔、室外冷卻塔管路伴熱系統(tǒng)），以減少冬季對數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)冷卻循環(huán)泵、室外開放式冷卻塔、板式換熱器、室外冷卻管道加熱系統(tǒng)的維護成本，延長室外冷卻塔等相關設施的使用壽命，達到雙贏的目的。

二、系統(tǒng)介紹

山東大學青島校區(qū)數(shù)據(jù)中心占地3600平方米，規(guī)劃建設443個標準服務器機柜，72臺機房精密空調(diào);制冷機房設置在圖書館負一層，采用集中式水冷空調(diào)系統(tǒng)進行制冷，目前配備3臺螺桿式冷水機組、3臺冷卻循環(huán)泵、3臺冷凍循環(huán)泵、4臺室外開式冷卻塔，冷凍水供回水溫度為12/18℃，具體設備參數(shù)如表1所示。

冬季，數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)工作在全自然模式下，依靠自然的低溫環(huán)境對機房服務器進行降溫。機房內(nèi)部服務器運行所產(chǎn)生的熱量，通過機房內(nèi)精密空調(diào)的氣流組織與冷凍水循環(huán)系統(tǒng)進行熱交換將熱量傳遞給冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，冷凍水循環(huán)系統(tǒng)通過板式換熱器與冷卻水循環(huán)系統(tǒng)進行熱交換將熱量傳遞給冷卻水循環(huán)系統(tǒng)（夏季則通過制冷機組做工的方式進行這個環(huán)節(jié)的熱量交換），冷卻水系統(tǒng)將這部分熱量帶到室外開放式冷卻塔進行散熱，以維持冷卻水系統(tǒng)正常的回水溫度。通過上述熱交換過程，數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)部服務器所產(chǎn)生的熱量最終被釋放到大氣中，使數(shù)據(jù)中心機房始終保持在適合服務器運行的環(huán)境溫度下。冬季數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)熱交換原理如圖1所示。

山東大學青島校區(qū)圖書館熱泵機房設置在圖書館負一層，與數(shù)據(jù)中心制冷機房僅一墻之隔，采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進行制熱，目前配備3臺595.6kW的離心式熱泵機組、4臺55kW用戶側循環(huán)水泵、4臺55kW地源側循環(huán)水泵。

冬季，圖書館辦公區(qū)域由圖書館熱泵機房通過從地源的水中獲取熱量來供暖。在熱泵機組的蒸發(fā)器中，通過將制冷劑由高壓液態(tài)轉變?yōu)榈蛪簹鈶B(tài)狀態(tài)的過程來吸收自地源水中的熱量，通過熱泵機組做工的形式把攜帶熱量的低壓氣態(tài)制冷劑循環(huán)到冷凝器中，在冷凝器中則通過把制冷劑由低壓氣態(tài)轉變?yōu)楦邏阂簯B(tài)的過程釋放所攜帶的熱量給辦公區(qū)域循環(huán)水系統(tǒng)，辦公區(qū)域的循環(huán)水系統(tǒng)吸收熱量后，隨著水的循環(huán)將熱量散發(fā)到辦公區(qū)域進行供熱。冬季，圖書館空調(diào)系統(tǒng)熱交換原理如圖2所示：

三、數(shù)據(jù)中心余熱利用構想

在寒冷的冬季，數(shù)據(jù)中心服務器消耗電能所產(chǎn)生的熱量最終被排放到了大氣中不能得到有效利用，同時數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)面臨著冷卻塔結冰，開啟室外冷卻水管路電伴熱系統(tǒng)以防止冷卻水管路結冰的情況。這增加了數(shù)據(jù)中心冷卻水系統(tǒng)冬季的維護成本和電能消耗，減少了冷卻水循環(huán)管路和冷卻塔的使用壽命。白白浪費了大量熱源。在此考慮冬季能否將數(shù)據(jù)中心服務器所產(chǎn)生的熱源進行有效利用，以響應國家建設綠色數(shù)據(jù)中心的運行要求，到達節(jié)能減排的目的。在冬季將數(shù)據(jù)中心的冷凍水循環(huán)系統(tǒng)與圖書館熱泵機房的地源水循環(huán)系統(tǒng)進行結合，將圖書館熱泵機房的離心熱泵機組的蒸發(fā)器與數(shù)據(jù)中心冷凍水回水管路相連接，將來自數(shù)據(jù)中心機房18℃的冷凍水輸送至熱泵機房的熱泵機組進行熱交換，將熱交換后的冷凍水再輸送到機房精密空調(diào)給IT設備降溫。此過程在冬季將數(shù)據(jù)中心服務器所產(chǎn)生的熱量用來供給圖書館辦公區(qū)域取暖使用，并停用數(shù)據(jù)中心冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、板式換熱器，冷卻循環(huán)泵、冷卻塔和冷卻管路電伴熱系統(tǒng)，減少了冬季冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻塔冬季的維護費用，延長了相關設施的使用壽命。數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)余熱回收系統(tǒng)如圖3所示。

四、結束語

本文對目前針對數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)和圖書館地源熱泵系統(tǒng)的工作原理進行了分析，并結合兩個系統(tǒng)所處的地理位置優(yōu)勢進行了數(shù)據(jù)中心余熱利用的構想，初始階段數(shù)據(jù)中心的負載量較小，所產(chǎn)生的余熱不足以支撐整個圖書館冬季供暖的熱量需求，此時數(shù)據(jù)中心服務器所產(chǎn)生的熱量只能作為地源熱泵系統(tǒng)地源側的輔助熱量，但隨著數(shù)據(jù)中心IT設備數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)中心所消耗的電能也必將逐步增加，所產(chǎn)生的余熱也會逐漸增多，這部分熱量在圖書館地源熱泵系統(tǒng)所需要的整體熱量中所占的比例將逐漸增大，甚至可以完全取代熱泵系統(tǒng)地源側的循環(huán)系統(tǒng)，減少地源熱泵地源側循環(huán)系統(tǒng)的電能消耗。

參? 考? 文? 獻

[1]羅玉慶.大型數(shù)據(jù)中心余熱回收利用節(jié)能研究.節(jié)能技術與應用，2019，8：46-47

[2]譚力.加快數(shù)據(jù)中心余熱回收利用技術推廣應用的建議.中國計算機報，2021-7-5-周013

[3]崔科.數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻及余熱回收系統(tǒng)技術分析.節(jié)能技術，2020，38（04）：379-384

[4]王玉蓮.已建成數(shù)據(jù)機房余熱利用初探.節(jié)能，2019，38（06），67-68