李國柱, 崔美華, 黃凱良, 馮國會(huì), 王清勤， 王帥， 孫子軒

(1.沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院， 沈陽 100168； 2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司， 北京 100013)

隨著數(shù)據(jù)中心行業(yè)的高速發(fā)展，巨大的能源消耗是全球數(shù)據(jù)中心共同面臨的問題。2015年，工業(yè)和信息化部、國家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局、國家能源局聯(lián)合發(fā)布的《國家綠色數(shù)據(jù)中心試點(diǎn)工作方案》顯示, 全球數(shù)據(jù)中心耗電量占全球總耗電量的比例為1.1%～1.5%。瑞典研究員 Anders Andrae 發(fā)布的《消費(fèi)者總功耗預(yù)測》[1]顯示，到2025年全球數(shù)據(jù)中心能耗將占到信息和通信技術(shù)(information and communication technology，ICT)行業(yè)總能耗的33%，數(shù)據(jù)中心的碳足跡將達(dá)到全球碳足跡的5.5%。同時(shí)，數(shù)據(jù)中心能耗占全球能耗的比例將從2015年的0.9%上升到2025年的4.5%，直到2030年的8%[2]。 數(shù)據(jù)中心的能耗密度通常為120～940 W/m2， 但對(duì)于業(yè)務(wù)量繁雜的大型數(shù)據(jù)中心而言，其能耗密度高達(dá)1 080～3 230 W/m2[3]，是普通商業(yè)建筑能耗密度的十幾甚至數(shù)十倍。

中國數(shù)據(jù)中心發(fā)展起步晚于歐洲國家，但數(shù)據(jù)中心的電量消耗不容小覷，數(shù)據(jù)中心總耗電量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，且占社會(huì)耗電量的比例不斷增大，根據(jù)工業(yè)和信息化部、國家能源局的數(shù)據(jù)，全國數(shù)據(jù)中心耗電量由2014年的829 億kW·h增長到2020年的2 002 億kW·h，占全社會(huì)用電量比重由1.5%增長到2.7%。其中，僅2016年一年中國數(shù)據(jù)中心總耗電量已超過三峽大壩當(dāng)年全年的總發(fā)電量[4]，預(yù)計(jì)到2025年，全國數(shù)據(jù)中心總耗電量將達(dá)到社會(huì)總用電量的4.05%[5]?？紤]到“十四五”新基建帶動(dòng)數(shù)據(jù)中心和相關(guān)產(chǎn)業(yè)投資，預(yù)計(jì)“十四五”期間數(shù)據(jù)中心用電需求年均增速約12%[6]。

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器等IT設(shè)備功率密度高達(dá)300～2 000 W/m2[7]，且全年不間斷運(yùn)行，即使在系統(tǒng)空閑時(shí)，仍舊會(huì)消耗60%～100%的最大功率[8]，而IT設(shè)備消耗的約97%的電力都轉(zhuǎn)化為熱量[9]。數(shù)據(jù)中心余熱的可用性取決于電力消耗[10]，據(jù)測算，其中68%電力消耗產(chǎn)生的余熱可被回收利用[11]，正因數(shù)據(jù)中心余熱資源豐富，數(shù)據(jù)中心余熱利用成為現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)，并且數(shù)據(jù)中心余熱應(yīng)用場景廣泛，如建筑供暖[12]、生活用水加熱[13-14]、冷凝廠發(fā)電[13]、海水淡化[13]、游泳池加熱[15]、生物質(zhì)加熱[16]、數(shù)據(jù)中心冷卻[17]以及余熱出售[18]等，將數(shù)據(jù)中心余熱回收用于建筑供暖，是研究人員較為關(guān)注的利用方式之一。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，按現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心規(guī)模計(jì)算，中國北方地區(qū)數(shù)據(jù)中心的可回收余熱總量約10 GW，理論上可支持3 億m2建筑供暖[19]。

因此，現(xiàn)梳理涉及數(shù)據(jù)中心余熱利用的政策文件及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分析數(shù)據(jù)中心余熱溫度的影響因素，最后介紹中外數(shù)據(jù)中心余熱在建筑供暖中的研究和實(shí)踐，以期為數(shù)據(jù)中心余熱回收利用的研究工作提供一定的參考和借鑒。

1 支持?jǐn)?shù)據(jù)中心余熱利用的政策及標(biāo)準(zhǔn)

工業(yè)和信息化部、國家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局、國家能源局于2015年聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于印發(fā)國家綠色數(shù)據(jù)中心試點(diǎn)工作方案的通知》是國家較早的鼓勵(lì)數(shù)據(jù)中心余熱利用的文件。近年來，圍繞信息通信業(yè)節(jié)能減排、綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)等發(fā)布的一系列政策文件，均對(duì)數(shù)據(jù)中心余熱回收利用提出了要求。地方有關(guān)部門積極落實(shí)相關(guān)要求并制訂具體方案，如北京市經(jīng)濟(jì)和信息化局《北京市數(shù)據(jù)中心統(tǒng)籌發(fā)展實(shí)施方案(2021—2023年)》中明確提出“鼓勵(lì)數(shù)據(jù)中心采用余熱回收利用措施，為周邊建筑提供熱源，提高能源再利用效率?！北?為近年來數(shù)據(jù)中心余熱利用相關(guān)支持政策，由表1可以看出，從國家到地方政策都在探索和鼓勵(lì)數(shù)據(jù)中心的余熱回收利用。

表1 數(shù)據(jù)中心余熱利用的支持政策及內(nèi)容Table 1 Supporting policies and contents of data center waste heat utilization

近年來數(shù)據(jù)中心行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(表2)陸續(xù)發(fā)布,多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)包含鼓勵(lì)回收機(jī)房排熱再利用等有關(guān)內(nèi)容，數(shù)據(jù)中心余熱回收再利用逐漸得到重視。為規(guī)范互聯(lián)網(wǎng)通信行業(yè)數(shù)據(jù)中心綠色建筑評(píng)價(jià)工作，由住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)的《綠色數(shù)據(jù)中心建筑評(píng)價(jià)技術(shù)細(xì)則》評(píng)分項(xiàng)5.2.15中提到“數(shù)據(jù)中心輔助區(qū)和周邊區(qū)域有供暖或生活熱水需求時(shí)，宜設(shè)計(jì)能量綜合利用方案，回收主機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的排熱作為熱源，宜采用熱泵機(jī)組回收排熱。”滿足“參評(píng)數(shù)據(jù)中心的供暖全部由熱回收提供”或“采暖季總余熱回收利用率達(dá)到30%以上”規(guī)則之一即可獲得6分。2021年，國家全文強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目規(guī)范(征求意見稿)》也明確提出“當(dāng)余熱回收經(jīng)濟(jì)效益較大時(shí)，應(yīng)回收主機(jī)房排熱”的規(guī)定。

表2 涉及數(shù)據(jù)中心余熱利用的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定Table 2 Relevant standards and regulations related to waste heat utilization of data center

在有關(guān)政策和標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)下，數(shù)據(jù)中心余熱回收利用開始起步發(fā)展，目前，北京、上海等少數(shù)城市率先出臺(tái)的地方政策也提到數(shù)據(jù)中心余熱利用的有關(guān)內(nèi)容，對(duì)于今后其他城市政策的落實(shí)起到了帶頭作用。雖然政策形成了一定的導(dǎo)向作用，但尚未出臺(tái)數(shù)據(jù)中心余熱利用的專門技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)方案，數(shù)據(jù)中心余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)維模式有待細(xì)化。加強(qiáng)政策引導(dǎo)、完善標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、開展技術(shù)研發(fā)，是進(jìn)一步推進(jìn)數(shù)據(jù)中心余熱利用的有效方式。

2 數(shù)據(jù)中心余熱溫度的影響因素

數(shù)據(jù)中心余熱利用潛力巨大，但影響余熱利用的因素也有很多，包括溫度水平不合適、熱量需求不足、投資成本高、數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商與區(qū)域供熱公司的利益沖突以及商業(yè)模式不完善[12,20]，其中，數(shù)據(jù)中心余熱溫度是影響熱回收技術(shù)選擇和熱利用可行性的關(guān)鍵因素[14,21-24]。本文將數(shù)據(jù)中心余熱溫度的影響因素作為討論重點(diǎn)，Ebrahimi等[13]和Davies等[14]分別針對(duì)不同冷卻形式、不同收集位置對(duì)余熱溫度的影響進(jìn)行了詳細(xì)研究，本文依據(jù)其觀點(diǎn)梳理分析如下。

2.1 冷卻技術(shù)對(duì)余熱溫度的影響

數(shù)據(jù)中心的冷卻技術(shù)方案多樣，相關(guān)方案有自然冷卻[25-26]、噴霧冷卻[27]、液體冷卻[25,28-30]、蒸發(fā)冷卻[31]等。不同的冷卻技術(shù)產(chǎn)生的余熱溫度不同，中外學(xué)者對(duì)于數(shù)據(jù)中心風(fēng)冷技術(shù)、水冷技術(shù)，以及兩相冷卻技術(shù)研究較多，不同類型冷卻技術(shù)產(chǎn)生的余熱溫度及收集位置如表3所示。

表3 不同類型冷卻技術(shù)余熱溫度及收集位置[13-14,28-29]Table 3 Waste heat temperature and collection location of different types of cooling technologies[13-14,28-29]

多數(shù)風(fēng)冷型數(shù)據(jù)中心設(shè)置冷熱通道，冷卻服務(wù)器所需要的低溫空氣由冷通道送入，國家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50174—2017要求冷通道或機(jī)柜進(jìn)風(fēng)區(qū)域溫度為18～27 ℃，產(chǎn)生的熱量經(jīng)過熱通道回到機(jī)房精密空調(diào)(computer room air conditioner，CRAC)。從回收的余熱品質(zhì)來看，余熱收集的最佳位置位于服務(wù)器機(jī)架的出風(fēng)口處，就余熱回收難易程度而言，從CRAC回風(fēng)口或冷水機(jī)組回水處收集余熱相對(duì)簡單。對(duì)于風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心，35 ℃左右的余熱適用于熱水預(yù)熱或空間加熱，也可用于提升進(jìn)入數(shù)據(jù)中心的外部空氣溫度，防止結(jié)冰或結(jié)露，若用于集中供暖等對(duì)熱量質(zhì)量要求更高的場所，則需要結(jié)合熱泵進(jìn)行溫度提升[13]。高密度數(shù)據(jù)中心常采用液體冷卻技術(shù)，如芯片冷管式、浸入式水冷等[30-32]，以高比熱容的液體取代空氣，減小冷量與熱源的距離，余熱回收也更加便捷[33]，從水冷數(shù)據(jù)中心提取的60～70 ℃的余熱，適用于集中供暖和熱水生產(chǎn)[13]。兩相冷卻技術(shù)屬于液體冷卻技術(shù)中的一種，相比風(fēng)冷和水冷技術(shù)，兩相冷卻技術(shù)收集的余熱品質(zhì)更高，可滿足更多場合的熱量需求，關(guān)于常見的余熱回收技術(shù)與主要的數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)是否能夠集成，Ebrahimi等[13]對(duì)此進(jìn)行了適用性分析如表4所示。

表4 數(shù)據(jù)中心余熱與典型余熱回收利用場景的適用性[13]Table 4 Applicability of data center waste heat and typical waste heat recovery and utilization scenarios[13]

2.2 收集位置對(duì)余熱溫度的影響

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器通常由高度集成的微處理器、附加存儲(chǔ)器和包括輸入輸出(I/O)設(shè)備、磁盤驅(qū)動(dòng)器和電源在內(nèi)的輔助組件構(gòu)成[12]。不同類型電子元件的發(fā)熱量不同，微處理器中包含的CPU作為服務(wù)器的核心組件，其發(fā)熱量占據(jù)服務(wù)器總發(fā)熱量的大部分，而內(nèi)存模塊、芯片組、電源的發(fā)熱量較少且固定[34]。Daives等[14]基于Intel和IBM數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器和高性能集群的溫度及熱值進(jìn)行整理，服務(wù)器機(jī)架中的主要部件所占熱量比例及其溫度值如表5所示。

表5 IT服務(wù)器機(jī)架主要部件所占熱量比例及其溫度值[14]Table 5 Heat proportion and temperature value of main components of it server rack[14]

美國室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE)[35]對(duì)不同類型服務(wù)器組件利用率進(jìn)行了匯總(表6)，服務(wù)器性質(zhì)及用途不同，其組件利用率不同，服務(wù)器的發(fā)熱量也存在差異。服務(wù)器機(jī)架的發(fā)熱量不僅與服務(wù)器組件類型還與服務(wù)器機(jī)架進(jìn)口空氣、服務(wù)器負(fù)載率相關(guān)，多個(gè)因素的影響可能導(dǎo)致服務(wù)器機(jī)架內(nèi)余熱溫度和熱密度的不同。若根據(jù)服務(wù)器機(jī)架內(nèi)產(chǎn)熱情況及熱量需求，有針對(duì)性地從數(shù)據(jù)中心多個(gè)位置收集熱量，利于高品質(zhì)的余熱流被利用[14]。

表6 不同工作負(fù)載類型組件利用率[35] Table 6 Component utilization of different workload types[35]

3 數(shù)據(jù)中心余熱在建筑供暖中的應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)中心余熱供暖在國外的應(yīng)用

歐美國家對(duì)數(shù)據(jù)中心余熱的回收利用研究較早，已形成固定的模式，并取得良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。早在2010年，歐美國家就開始回收數(shù)據(jù)中心余熱用于市政供暖[19]。其中，芬蘭在余熱回收及輸送方面擁有較多的實(shí)踐及技術(shù)積累，數(shù)據(jù)中心余熱由專門從事相關(guān)領(lǐng)域的能源公司進(jìn)行管理使用，通常余熱在提升建筑室內(nèi)溫度后，冷卻后的空氣會(huì)被回收用至數(shù)據(jù)中心服務(wù)器降溫，不僅實(shí)現(xiàn)了變“廢”為“熱”，更做到了物盡其用，為數(shù)據(jù)中心綠色化、低碳化提供了行之有效的實(shí)現(xiàn)路徑。

從數(shù)據(jù)中心空氣中回收的30～40 ℃的余熱通?？梢灾苯佑糜诟浇ㄖ┡八訜?，常見的形式為小型化數(shù)據(jù)中心或服務(wù)器臨近供熱建筑布置。Liu等[36]將小型云服務(wù)器分散布置在公寓樓和辦公樓，服務(wù)器散發(fā)的熱量可以為私人空間或辦公區(qū)域供暖，減小碳足跡。該技術(shù)實(shí)施同期，芬蘭首都赫爾辛基市實(shí)施了同樣想法的項(xiàng)目，Academica公司將數(shù)據(jù)中心服務(wù)器產(chǎn)生的余熱用于區(qū)域供暖系統(tǒng)，可為500個(gè)中央公寓供暖[37]。將分散布置較小規(guī)模的數(shù)據(jù)中心在本地使用余熱的方法稱為環(huán)境機(jī)會(huì)計(jì)算(environmentally opportunistic computing，EOC)[38-41]。該方法是將分布式“集裝箱化”數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)連接或集成到現(xiàn)有或新建的建筑，利用數(shù)據(jù)中心設(shè)備的熱量來抵消建筑的供暖需求[38]。Woodruff[39]提到芬蘭某數(shù)據(jù)中心及美國能源部的國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室均采用EOC方法，將數(shù)據(jù)中心的熱量用于家庭、辦公室及研究實(shí)驗(yàn)室的空間空暖。

區(qū)域供暖是數(shù)據(jù)中心余熱利用一個(gè)有前景的應(yīng)用方式[11,14]，也是低質(zhì)量能源再利用最常見和簡單的應(yīng)用[42]。若將余熱用于區(qū)域供熱系統(tǒng)，或從冷凍水中回收低溫?zé)?，則需要使用熱泵對(duì)溫度進(jìn)行提升。Deymi-Dashtebayaz等[43-44]提出了一種結(jié)合自然冷卻和數(shù)據(jù)中心余熱回收的系統(tǒng)(圖1)，利用空氣源熱泵將余熱用于相鄰辦公樓，在熱泵循環(huán)中，液態(tài)制冷劑通過膨脹閥變?yōu)榈蛪簝上嗷旌衔镞M(jìn)入蒸發(fā)器，接收來自數(shù)據(jù)中心熱空氣的熱量后轉(zhuǎn)化為低壓蒸汽，在壓縮機(jī)中被壓縮，以高壓熱蒸汽的形式進(jìn)入冷凝器，而數(shù)據(jù)中心附近建筑供暖所需的熱量一部分是通過冷凝器中的制冷劑和供水之間的熱量傳遞來提供的。其研究表明，引入該系統(tǒng)的辦公樓每年可節(jié)省天然氣15 000 m3，年CO2減排量267 t。俄羅斯搜索引擎公司Yandex在芬蘭曼采萊鎮(zhèn)的數(shù)據(jù)中心，通過熱泵技術(shù)使數(shù)據(jù)中心熱空氣溫度由最初的30～45 ℃升高至55～60 ℃后輸送至當(dāng)?shù)氐墓嵯到y(tǒng)，所提供的熱水能夠幫助當(dāng)?shù)販p少約50%的天然氣消耗及40%的碳排放量[45]。同樣，瑞典愛立信[46]、Telia[47]等公司在芬蘭建設(shè)的數(shù)據(jù)中心也將余熱用于當(dāng)?shù)貐^(qū)域供熱系統(tǒng)，預(yù)計(jì)回收的熱量分別滿足約1 000 戶、25 000 戶家庭的供暖需求。

圖1 空氣源熱泵與數(shù)據(jù)中心耦合的原理圖[44]Fig.1 Schematic diagram of coupling between air source heat pump and data center[44]

3.2 數(shù)據(jù)中心余熱供暖在國內(nèi)的應(yīng)用

國內(nèi)數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商逐漸意識(shí)到余熱利用的必要性，陸續(xù)開始在余熱回收方面進(jìn)行研發(fā)、布局，如阿里巴巴千島湖數(shù)據(jù)中心、騰訊天津數(shù)據(jù)中心、萬國數(shù)據(jù)北京三號(hào)數(shù)據(jù)中心，以及即將投產(chǎn)的UCloud優(yōu)刻得烏蘭察布云計(jì)算中心等。其中，騰訊天津數(shù)據(jù)中心余熱回收項(xiàng)目采用磁懸浮熱泵機(jī)組，“磁懸浮”技術(shù)與成熟的離心壓縮機(jī)技術(shù)相結(jié)合對(duì)數(shù)據(jù)中心冷凍水余熱二次提溫，在冬季替代市政供熱，數(shù)據(jù)顯示，若提取園區(qū)冬季全部熱量可滿足約5 100 戶居民采暖需求，減少約16 萬t CO2排放量[48]。同樣，萬國數(shù)據(jù)北京三號(hào)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目使用螺桿式水源熱泵對(duì)外實(shí)現(xiàn)供熱，通過自建供熱管道與數(shù)據(jù)中心所在園區(qū)內(nèi)原有的換熱站連接，熱用戶通過使用數(shù)據(jù)中心余熱減少標(biāo)準(zhǔn)煤消耗約620.5 t[49]。而UCloud優(yōu)刻得烏蘭察布云計(jì)算中心項(xiàng)目采用了水源多聯(lián)機(jī)余熱回收技術(shù)，回收的余熱每年可減少7 380 t CO2排放量[50]。相比國外，中國數(shù)據(jù)中心余熱回收的實(shí)際應(yīng)用案例并不多，需要更多的實(shí)踐和積累。

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心余熱回收方法之一是利用熱泵技術(shù)，水源熱泵作為回收低品位余熱的節(jié)能裝置[51]，該方面的案例研究較多。袁小艷等[52]對(duì)余熱用于臨近建筑生活熱水及供暖等方面進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，1 m2數(shù)據(jù)中心面積可滿足臨近建筑10 m2供暖的熱量需求，僅考慮供暖情況下對(duì)數(shù)據(jù)中心及其臨近建筑的節(jié)能率可達(dá)42%。李先庭等[53]提出一種數(shù)據(jù)中心熱回收用于建筑供熱的綜合系統(tǒng)，通過熱管/熱泵復(fù)合空調(diào)獲取數(shù)據(jù)中心熱量，利用水源熱泵為建筑供熱，節(jié)能率達(dá)60%。Huang等[54]提出了一種基于三流體換熱器的熱泵/熱管一體式熱回收系統(tǒng)并對(duì)其在寒冷地區(qū)的應(yīng)用效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明，從一個(gè)5 kW數(shù)據(jù)中心獲取的9 525.4 kW·h熱量可以滿足天津60 m2住宅房間的熱量需求，系統(tǒng)全年綜合能效比達(dá)4.75。李朋安[55]和羅玉慶等[56]對(duì)利用水源熱泵將數(shù)據(jù)中心余熱用至附近辦公樓供暖系統(tǒng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，采用余熱回收系統(tǒng)的供暖方式較之前傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)而言，運(yùn)行費(fèi)用分別可節(jié)省19.26萬元、91萬元。呂萌萌等[57]采用水源熱泵機(jī)組為項(xiàng)目研發(fā)辦公及餐廳區(qū)域進(jìn)行余熱供暖方案，采用余熱回收利用系統(tǒng)顯示，CO2、SO2年減排量分別為222 t、10 t。

Zhang等[58]建議使用帶熱虹吸的水冷式集成空調(diào)作為熱回收系統(tǒng)，用于冷卻互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心和為數(shù)據(jù)中心附近的辦公樓供暖，其研究表明，與傳統(tǒng)冷卻和加熱系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的制冷和供暖節(jié)能潛力分別為33%和60%。張國輝等[59]在此基礎(chǔ)上，研究了上述熱回收系統(tǒng)在我國北方地區(qū)典型城市的應(yīng)用效果，總結(jié)出對(duì)于常規(guī)散熱密度(600 W/m2)的中小型數(shù)據(jù)中心采用該熱回收供熱系統(tǒng)的技術(shù)方案，系統(tǒng)原理如圖2所示，在供暖季，開啟水源熱泵機(jī)組，水源熱泵機(jī)組制熱量大于等于建筑熱負(fù)荷時(shí)，閥門V1～V4開啟， 閥門V5～V7關(guān)閉，此時(shí)鍋爐不運(yùn)行，水源熱泵機(jī)組回收數(shù)據(jù)中心的部分散熱量用于供暖，剩余部分熱量由冷卻塔排放到環(huán)境中；當(dāng)水源熱泵機(jī)組的制熱量小于建筑熱負(fù)荷時(shí)，閥門V1、V2、V5和V7開啟，閥門V3、V4、V6關(guān)閉，水源熱泵機(jī)組回收數(shù)據(jù)中心全部散熱量用于供暖，不足的熱量由鍋爐補(bǔ)充。其研究表明，每10 000 m3數(shù)據(jù)中心可以為哈爾濱1.3 萬m2、北京1.6 萬m2居住建筑供暖，相比燃?xì)忮仩t供暖，可節(jié)省天然氣8.75 萬m3以上。

圖2 基于水冷式復(fù)合空調(diào)的熱回收系統(tǒng)原理[59]Fig.2 Principle of heat recovery system based on water-cooled composite air conditioner[59]

He等[42]將分布式冷卻系統(tǒng)引入呼和浩特市某數(shù)據(jù)中心，利用熱泵技術(shù)將18 ℃的冷凍水溫度提升至54 ℃左右用于區(qū)域供暖，結(jié)果表明，采用余熱利用系統(tǒng)每年可減少約10%的電力消耗，對(duì)比燃煤鍋爐加熱系統(tǒng)，每年可節(jié)煤約1.8 萬t。余熱回收系統(tǒng)方案及各節(jié)點(diǎn)溫度情況如圖3所示。同樣，Li等[60]

圖3 余熱回收系統(tǒng)方案及各節(jié)點(diǎn)溫度[42]Fig.3 Scheme of waste heat recovery system and temperature of each node[42]

利用CO2跨臨界熱泵技術(shù)回收數(shù)據(jù)中心余熱用于區(qū)域供暖， 結(jié)果表明，采用數(shù)據(jù)中心余熱供暖較電加熱、燃?xì)饧訜岬绕胀ü┡绞侥茉闯杀镜?3.0%～75.0%，與燃?xì)夤┡啾?，每年可減少CO2排放12 880 t。

3.3 數(shù)據(jù)中心余熱供暖的條件與技術(shù)分析

采用數(shù)據(jù)中心余熱為建筑供暖時(shí)，首先考慮熱源與用戶的匹配度。根據(jù)數(shù)據(jù)中心余熱規(guī)模、余熱品質(zhì)以及輸送距離等因素進(jìn)行考量，若數(shù)據(jù)中心規(guī)模小且余熱溫度較低，數(shù)據(jù)中心余熱以向周邊建筑供暖為主，而大型數(shù)據(jù)中心的余熱可以匯入城市管網(wǎng)進(jìn)行集中供暖。

其次，考慮余熱回收技術(shù)與數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)形式的適用性。常見的余熱回收技術(shù)包括熱泵、換熱器、熱管、蓄熱裝置等，對(duì)于設(shè)有獨(dú)立熱回收通道的數(shù)據(jù)中心，其內(nèi)部產(chǎn)生的熱空氣可由公共管道輸送至空氣處理單元，根據(jù)從水側(cè)或空氣側(cè)收集熱量位置的不同，可采用水-冷媒熱交換器或水-空氣熱交換器，而熱泵作為最廣泛使用的余熱回收技術(shù)，在使用時(shí)也要考慮源溫度和輸送溫度對(duì)熱泵效率的影響。

最后，把握經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的平衡。數(shù)據(jù)中心余熱回收用于建筑供暖的經(jīng)濟(jì)效益與項(xiàng)目初期投資、熱用戶需求及電價(jià)等因素有關(guān)，初期投資少、回收的余熱溫度高更易于形成良好的經(jīng)濟(jì)效益，而增加環(huán)境效益通常需要較高的投資，如增設(shè)熱能儲(chǔ)存裝置等，這往往需要對(duì)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的最大化進(jìn)行調(diào)節(jié)與平衡。

4 結(jié)論

(1)政策標(biāo)準(zhǔn)方面，數(shù)據(jù)中心行業(yè)系列政策標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)中心余熱回收利用形成了一定的推動(dòng)作用，進(jìn)一步激發(fā)了有關(guān)部門對(duì)數(shù)據(jù)中心行業(yè)創(chuàng)新、節(jié)能的意識(shí)。目前來看，國家對(duì)此積極倡導(dǎo)、地方逐步推進(jìn)落實(shí)，但數(shù)據(jù)中心余熱利用相關(guān)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇及運(yùn)維管理等政策、方案有待統(tǒng)一完善，后續(xù)應(yīng)聚焦數(shù)據(jù)中心余熱利用關(guān)鍵技術(shù)，建立健全數(shù)據(jù)中心余熱利用標(biāo)準(zhǔn)體系及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，引導(dǎo)和促進(jìn)數(shù)據(jù)中心余熱回收利用模式的發(fā)展。

(2)余熱溫度影響因素方面，數(shù)據(jù)中心余熱溫度是余熱利用的關(guān)鍵因素，不同應(yīng)用場景對(duì)熱源溫度的要求不同，通常以此來衡量是否需要對(duì)余熱溫度進(jìn)行二次提升。數(shù)據(jù)中心余熱溫度不僅受服務(wù)器類型、數(shù)量的影響，還與余熱收集位置的選取有關(guān)。在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)形式，選擇適宜的余熱收集位置，最大程度地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心余熱利用效益最大化。

(3)工程應(yīng)用方面，在國外，數(shù)據(jù)中心余熱供暖的實(shí)踐較多，常見的形式一是通過小型數(shù)據(jù)中心取代大型數(shù)據(jù)中心或數(shù)據(jù)中心邊緣化布置，實(shí)現(xiàn)余熱就近供應(yīng)；二是將數(shù)據(jù)中心余熱統(tǒng)一收集輸送至供熱管網(wǎng)，供多個(gè)熱用戶使用。在國內(nèi)，應(yīng)用實(shí)踐主要是將數(shù)據(jù)中心余熱就近供應(yīng)給辦公區(qū)域或私人空間，缺乏更多的實(shí)際工程項(xiàng)目支撐。統(tǒng)籌協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)中心與熱力部門的發(fā)展建設(shè)，解決跨領(lǐng)域跨行業(yè)合作壁壘，落實(shí)責(zé)任主體，推進(jìn)數(shù)據(jù)中心余熱在區(qū)域供暖中的應(yīng)用實(shí)踐。