婁小軍，韓冠軍，李 印，劉海潮，尹朝輝

（1.中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080；2.中國移動通信集團(tuán)有限公司，北京 100032）

0 引 言

近年來，隨著5G移動通信、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心建設(shè)數(shù)量和規(guī)模正迎來新一輪的爆發(fā)性增長。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國數(shù)據(jù)中心總耗電量在2017年為1 200～1 300億kW·h，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到3 842.2億kW·h[1]。數(shù)據(jù)中心消耗的電能會產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量隨著空調(diào)系統(tǒng)不斷排放至室外環(huán)境，如果能對此部分余熱加以利用，將會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2]。利用數(shù)據(jù)中心余熱回收技術(shù)可以回收制冷過程中產(chǎn)生的熱量，并轉(zhuǎn)化為采暖及生活熱水的熱源，降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)和園區(qū)供熱系統(tǒng)的能耗，提高能源綜合利用率[3-5]。

1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及政策

數(shù)據(jù)中心余熱利用作為綜合節(jié)能措施，近年來引起了業(yè)界的極大關(guān)注，已有相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及政策對其提出要求[6]?！豆步ㄖ?jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189—2015）指出：有可利用的廢熱或工業(yè)余熱的區(qū)域，熱源宜采用廢熱或工業(yè)余熱[7]。《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50174—2017）指出：數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)分別計(jì)算自然冷卻和余熱回收的經(jīng)濟(jì)效益，并應(yīng)采用經(jīng)濟(jì)效益最大的節(jié)能設(shè)計(jì)方案[8]。住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)的《綠色數(shù)據(jù)中心建筑評價(jià)技術(shù)細(xì)則》指出：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[9]。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《關(guān)于加強(qiáng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見》提出：鼓勵(lì)在自有場所建設(shè)自然冷源、自有系統(tǒng)余熱回收利用或可再生能源發(fā)電等清潔能源利用系統(tǒng)[10]。工業(yè)和信息化部發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)“十三五”信息通信業(yè)節(jié)能減排工作的指導(dǎo)意見》提出：推廣綠色智能服務(wù)器、自然冷源、余熱利用、分布式供能等先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品的應(yīng)用。國家發(fā)展改革委發(fā)布的《全國一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系算力樞紐實(shí)施方案》中提出：推動數(shù)據(jù)中心采用高密度集成高效電子信息設(shè)備、新型機(jī)房精密空調(diào)、液冷、機(jī)柜模塊化、余熱回收利用等節(jié)能技術(shù)模式。

2 數(shù)據(jù)中心余熱回收技術(shù)分類

根據(jù)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)方案和余熱利用方式的不同，可以分為風(fēng)側(cè)余熱回收技術(shù)、氟側(cè)余熱回收技術(shù)以及水側(cè)余熱回收技術(shù)，如圖1所示。水側(cè)余熱回收技術(shù)根據(jù)余熱來源可分為冷凍水側(cè)余熱回收和冷卻水側(cè)余熱回收，目前在大型數(shù)據(jù)中心園區(qū)通常采用水側(cè)余熱回收方式，為園區(qū)提供采暖及生活熱水熱源。

圖1 余熱回收技術(shù)分類

2.1 風(fēng)側(cè)余熱回收利用

對于距離數(shù)據(jù)中心機(jī)房較近且有熱需求的房間，可以將機(jī)房的排風(fēng)直接送到該類房間，用來在冬季維持室內(nèi)溫度。為了維持機(jī)房的正壓，需要設(shè)置回風(fēng)措施。由于機(jī)房和供熱房間不是同一個(gè)消防分區(qū)，為了保證消防安全，風(fēng)管應(yīng)設(shè)置電動防火閥，火災(zāi)時(shí)防火閥自動關(guān)閉。此外，數(shù)據(jù)機(jī)房對空氣粒子濃度有嚴(yán)格要求，需要在回風(fēng)管道上設(shè)置空氣過濾裝置。

2.2 氟側(cè)余熱回收利用

2.2.1 氟側(cè)余熱回收供暖

氟側(cè)余熱回收供暖有兩種形式：當(dāng)熱需求房間對噪聲要求低且空間較大時(shí)，可以將風(fēng)冷機(jī)房專用空調(diào)的冷凝器安裝在該房間，將冷凝熱直接排放在該房間，滿足其熱需求，例如停車庫、柴發(fā)機(jī)房等場景；當(dāng)熱需求房間對噪聲要求較高且空間有限時(shí)，可以采用分體空調(diào)或變制冷劑流量（Variable Refrigerant Volume，VRV）系統(tǒng)對此類房間供熱，室外機(jī)布置在數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)，回收機(jī)房余熱。

2.2.2 氟側(cè)余熱回收供熱水

氟側(cè)余熱回收供熱水系統(tǒng)的主要形式為在傳統(tǒng)的壓縮制冷循環(huán)中串聯(lián)水-氟換熱器，壓縮機(jī)出口處高溫高壓的氣體先經(jīng)過水-氟換熱器冷卻后再經(jīng)過風(fēng)冷冷凝器，余熱回收的熱水可以儲存在蓄熱水箱中，供生活熱水使用。同時(shí)系統(tǒng)由于水-氟換熱器預(yù)冷，可以減少風(fēng)冷冷凝器的風(fēng)機(jī)功耗。

2.3 水側(cè)余熱回收利用

2.3.1 冷凍水側(cè)余熱回收利用

數(shù)據(jù)中心將一部分冷凍回水通過水泵輸送至采暖建筑的空調(diào)機(jī)房，水源熱泵主機(jī)與冷水機(jī)組并聯(lián)，熱泵主機(jī)吸收冷凍水中的熱量，生成空調(diào)、采暖或生活熱水，用以滿足建筑的供熱需求。水源熱泵直接利用數(shù)據(jù)中心冷凍水的方案適合熱用戶離機(jī)房較近的項(xiàng)目，如果熱用戶較遠(yuǎn)，為了保證水力平衡，應(yīng)增設(shè)間接換熱用板式換熱器（以下簡稱板換）、二次泵設(shè)備，如圖2所示。

圖2 冷凍水側(cè)余熱回收利用示意圖

當(dāng)某一時(shí)段數(shù)據(jù)機(jī)房的冷負(fù)荷和供暖建筑的熱負(fù)荷相匹配時(shí)，可以關(guān)閉數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)，只運(yùn)行熱泵機(jī)組。當(dāng)數(shù)據(jù)中心運(yùn)行初期發(fā)熱量較小，不能滿足供暖建筑的熱負(fù)荷時(shí)，應(yīng)配置鍋爐、市政供熱等傳統(tǒng)熱源作為輔助熱源。水源熱泵冷凍水側(cè)余熱回收利用僅能滿足建筑供熱需求，為了滿足建筑夏季制冷需求，水源熱泵主機(jī)應(yīng)配置冷卻塔作為夏季冷卻裝置。

2.3.2 冷卻水側(cè)余熱回收利用

數(shù)據(jù)中心冷卻水側(cè)余熱利用方式和冷凍水側(cè)余熱利用方式一樣，僅將熱源水由冷凍水改為冷卻水。由于冬季自然冷卻時(shí)的冷卻水回水溫度會低于冷凍水回水溫度，導(dǎo)致水源熱泵性能系數(shù)（Coefficient Of Performance，COP）略低，而且冷卻水水質(zhì)較差，易造成熱回收水系統(tǒng)結(jié)垢，因此建議優(yōu)先選用冷凍水側(cè)余熱回收。

隨著數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展，當(dāng)采用服務(wù)器液冷方案時(shí)，由于液冷設(shè)備承受水溫較高，因此可以全年采用冷卻塔直接供冷。如果冬季冷卻水溫度能夠保持40 ℃以上，則可以直接利用冷卻水或通過板換間接利用冷卻水進(jìn)行供熱。冷卻水側(cè)余熱回收利用方案如圖3所示。

圖3 冷卻水側(cè)余熱回收利用示意圖（液冷）

2.4 余熱回收技術(shù)對比分析

通過以上分析，總結(jié)不同余熱回收方式的技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用規(guī)模以及應(yīng)用注意事項(xiàng)，具體如表1所示。

表1 余熱回收技術(shù)對比分析

3 國內(nèi)外應(yīng)用案例介紹

近年來，運(yùn)營商及互聯(lián)網(wǎng)公司根據(jù)自身業(yè)務(wù)需求建設(shè)了大量數(shù)據(jù)中心園區(qū)，并應(yīng)用了余熱回收技術(shù)。以中國移動某嚴(yán)寒地區(qū)超大數(shù)據(jù)中心園區(qū)為例，園區(qū)終期總規(guī)模約900 000 m2，分為機(jī)房區(qū)和生活區(qū)。利用一期3棟數(shù)據(jù)中心機(jī)樓余熱，通過水源熱泵機(jī)組提取機(jī)房冷凍水中熱量，滿足數(shù)據(jù)中心自身及園區(qū)冬季風(fēng)機(jī)盤管、地暖、散熱器采暖及生活熱水等供熱需求，總供熱面積約100 000 m2。本系統(tǒng)在節(jié)省供熱費(fèi)用的同時(shí)，還可以降低冷卻系統(tǒng)耗電量，減少煤炭或天然氣等能源消耗。經(jīng)過計(jì)算，一個(gè)采暖季可節(jié)省供熱費(fèi)用超過200萬元，項(xiàng)目投資回收期為3～4年。

除此之外，國外大型數(shù)據(jù)中心園區(qū)中，余熱回收系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，特別是北歐地區(qū)，數(shù)據(jù)中心余熱常用于城市區(qū)域供熱系統(tǒng)。Facebook公司在丹麥歐登塞建設(shè)的數(shù)據(jù)中心園區(qū)已與區(qū)域供熱企業(yè)簽約，預(yù)計(jì)每年回收余熱可為大約1.1萬戶家庭供暖。

4 結(jié) 論

通過介紹數(shù)據(jù)中心余熱回收技術(shù)相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)政策、系統(tǒng)形式及國內(nèi)外應(yīng)用案例，在目前數(shù)字經(jīng)濟(jì)和新基建迅速發(fā)展的形勢下，未來需要進(jìn)一步加大政策引導(dǎo)和研發(fā)創(chuàng)新，并推動多方合作，因地制宜應(yīng)用數(shù)據(jù)中心余熱回收技術(shù)。加快建立數(shù)據(jù)中心余熱回收利用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、節(jié)能評估機(jī)制，評選數(shù)據(jù)中心余熱回收應(yīng)用典型案例、標(biāo)桿等，推動場景化技術(shù)應(yīng)用。與此同時(shí)，推動低溫余熱利用技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，鼓勵(lì)研發(fā)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)與數(shù)據(jù)中心企業(yè)開展余熱回收研究合作，解決余熱回收系統(tǒng)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)控以及運(yùn)維等階段存在的技術(shù)問題，提升數(shù)據(jù)中心余熱利用技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。充分利用數(shù)據(jù)中心余熱進(jìn)行區(qū)域供熱、工業(yè)生產(chǎn)供熱以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供熱等，探索低成本、規(guī)?；茝V的技術(shù)路線及商業(yè)模式，打造良好的產(chǎn)業(yè)形態(tài)。