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摘要：我國數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，其能耗及余熱回收利用技術(shù)日益受到關(guān)注。分析數(shù)據(jù)中心的能耗特點及冷卻方法，詳細介紹不同數(shù)據(jù)中心余熱回收利用技術(shù)，討論有效和經(jīng)濟合理的回收利用數(shù)據(jù)中心余熱的方式，進一步對數(shù)據(jù)中心余熱用于跨季節(jié)相變儲熱的應(yīng)用前景進行深入研究。
結(jié)果表明，數(shù)據(jù)中心排熱量大且穩(wěn)定，跨季節(jié)相變儲熱能夠提高余熱利用率，解決供暖在時間、空間上的供需不匹配問題，有效保障全年供熱的平穩(wěn)。
引言
數(shù)據(jù)中心是信息生產(chǎn)、計算、儲存、傳輸?shù)奈锢磔d體。“東數(shù)西算”將東部算力需求有序引導(dǎo)到西部，優(yōu)化數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局，促進東西部協(xié)同聯(lián)動。數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展速度快、輻射范圍廣、影響程度深，正在成為重組全球要素資源、重塑全球經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、改變?nèi)蚋偁幐窬值年P(guān)鍵力量。根據(jù)數(shù)字經(jīng)濟需求變化，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模不斷擴大，其設(shè)計必須遵守綠色低碳的理念。
工信部2021年7月印發(fā)的《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動計劃（2021~2023年）》提出，全國數(shù)據(jù)中心機架的建設(shè)規(guī)模年均增速在20%左右。數(shù)據(jù)中心能耗總量也在不斷增長。
數(shù)據(jù)中心用電量中的很大一部分被轉(zhuǎn)化為廢熱。數(shù)據(jù)中心散熱量大，直接將廢熱排入大氣會造成能源浪費，促使全球氣候變暖。數(shù)據(jù)中心余熱屬于低品位熱源，可適配的余熱利用技術(shù)相缺乏。由于液體的比熱容和導(dǎo)熱性能遠高于空氣，采用液冷技術(shù)的數(shù)據(jù)中心余熱品位更高，且易于回收，余熱回收的可行性增大。文中對數(shù)據(jù)中心余熱利用現(xiàn)狀進行梳理，并分析利用數(shù)據(jù)中心余熱跨季節(jié)儲熱。
1 數(shù)據(jù)中心發(fā)展趨勢
1.1 數(shù)據(jù)中心規(guī)模與能耗分析
2015~2019年，全球數(shù)據(jù)中心規(guī)?？傮w平穩(wěn)增長，數(shù)據(jù)中心機架數(shù)量由637.4萬架增長至750.3萬架，年均復(fù)合增長率達到4.16%，全球數(shù)據(jù)中心建設(shè)速度整體呈增長趨勢。我國數(shù)據(jù)中心機架規(guī)模也持續(xù)增長，大型以上數(shù)據(jù)中心規(guī)模增長比較迅速。截至2021年底，我國在用數(shù)據(jù)中心機架規(guī)模達到520萬架，其近五年的年均復(fù)合增速超過30%。
數(shù)據(jù)中心能耗指數(shù)據(jù)中心各種用能設(shè)備消耗的能源總和，用能設(shè)備主要包括：服務(wù)器、交換機、空調(diào)、配電、安防和照明系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)中心能耗一般為120~940W/m2，部分大型數(shù)據(jù)中心能耗甚至達到1080~3 230W/m2。
1.2 數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)
數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)主要包括自然冷卻技術(shù)、空氣冷卻技術(shù)與液體冷卻技術(shù)。為了保證數(shù)據(jù)中心內(nèi)部服務(wù)器的高效使用，防止服務(wù)器故障，服務(wù)器內(nèi)空氣溫度應(yīng)該保持18~28℃。自然冷卻技術(shù)是一種空氣冷卻技術(shù)，利用環(huán)境冷空氣冷卻。自然冷卻技術(shù)的節(jié)能效果在很大限度上取決于外部環(huán)境的溫度和濕度條件，更適合低熱密度的數(shù)據(jù)中心。傳統(tǒng)的采用風(fēng)冷技術(shù)的數(shù)據(jù)中心通過機房的專用空調(diào)產(chǎn)生冷空氣給IT設(shè)備降溫，風(fēng)冷系統(tǒng)中熱冷通道如圖1所示。
圖1 風(fēng)冷系統(tǒng)中熱冷通道
大型數(shù)據(jù)中心的水循環(huán)制冷系統(tǒng)基本都采用水冷式冷水機組的制冷系統(tǒng)，該制冷系統(tǒng)比風(fēng)冷式冷水機組的制冷系統(tǒng)更節(jié)能。液體冷卻技術(shù)又被分為間接式冷卻和直接式冷卻兩大類，前者將冷板附著在電子元器件上，利用冷板里流動的液體帶走熱量，后者將電子元器件直接浸沒在專用的液體里。
2 數(shù)據(jù)中心余熱利用現(xiàn)狀
2.1 數(shù)據(jù)中心余熱特點
數(shù)據(jù)中心余熱指通過冷卻系統(tǒng)以冷卻水、空氣或冷凝熱形式離開數(shù)據(jù)中心的能量，由于數(shù)據(jù)中心一般規(guī)模較大且需要不間斷運行，其余熱具有余熱品質(zhì)較低、熱量相對穩(wěn)定、產(chǎn)熱量大的特點。數(shù)據(jù)中心風(fēng)冷系統(tǒng)余熱溫度通常為25~45℃；液冷系統(tǒng)可在靠近CPU等部位捕獲熱流，余熱溫度通常為60~75℃。
2.2 余熱直接利用技術(shù)
數(shù)據(jù)中心余熱直接利用技術(shù)中，風(fēng)管與數(shù)據(jù)中心內(nèi)的熱通道相連，機架設(shè)備散出的熱空氣直接被輸送至有需要的區(qū)域，數(shù)據(jù)中心余熱直接利用系統(tǒng)如圖2所示。余熱直接利用系統(tǒng)簡單，造價低廉，可以被應(yīng)用于短距離運輸、規(guī)模小的情景。數(shù)據(jù)中心機房附近的小房間（管理房、備品間等）可以直接利用其熱空氣采暖。
圖2 數(shù)據(jù)中心余熱直接利用系統(tǒng)
2.3 熱泵回收技術(shù)
傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心風(fēng)冷系統(tǒng)利用熱空氣供暖時，需要更高質(zhì)量的熱量，此時可以利用熱泵系統(tǒng)提高余熱溫度，風(fēng)冷系統(tǒng)中余熱與熱泵系統(tǒng)的結(jié)合如圖3所示。DeymiDashtebayaz[17]等利用熱泵技術(shù)回收數(shù)據(jù)中心余熱，該系統(tǒng)可以節(jié)省機械冷卻的電能消耗以及面積為416m2的相鄰辦公樓的天然氣燃料消耗，提高數(shù)據(jù)中心的電力使用效率、能源再利用系數(shù)和能源再利用效率。
圖3 風(fēng)冷系統(tǒng)中余熱與熱泵系統(tǒng)的結(jié)合
如表1所示。集中供熱更適合液冷服務(wù)器廢熱捕獲溫度較高的情況，液冷型數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的余熱可直接用于區(qū)域供暖或生活熱水生產(chǎn)，熱泵可在溫度不能滿足要求時啟用。液冷系統(tǒng)中余熱與熱泵系統(tǒng)的結(jié)合如圖4所示。
表1 部分數(shù)據(jù)中心余熱熱泵回收項目的參數(shù)
注：“—”代表文獻中未列出該數(shù)據(jù)，下表同。
圖4 液冷系統(tǒng)中余熱與熱泵系統(tǒng)的結(jié)合
2.4 制冷回收技術(shù)
研究在吸收式冷卻循環(huán)中使用數(shù)據(jù)中心余熱。在蒸汽壓縮制冷循環(huán)中，壓縮機消耗功率很大。因此采用吸收式冷卻替代或輔助空調(diào)機房，不僅可以降低系統(tǒng)運行所需的功率，還可以將數(shù)據(jù)中心余熱用作吸收式發(fā)電機熱源，數(shù)據(jù)中心余熱與吸收式制冷系統(tǒng)的結(jié)合如圖5所示。Haywood等利用數(shù)據(jù)中心余熱驅(qū)動單效溴化鋰水吸收式制冷機組。彭佳杰等將硅膠-水吸附式制冷機組應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心余熱回收且給水冷背板系統(tǒng)提供冷量，滿足服務(wù)器直接水冷和水冷背板的需求，具有顯著的節(jié)能效果。
圖5 數(shù)據(jù)中心余熱與吸收式制冷系統(tǒng)的結(jié)合
2.5 有機朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)
數(shù)據(jù)中心的余熱可以通過有機朗肯循環(huán)(ORC)直接發(fā)電，數(shù)據(jù)中心余熱與有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)合如圖6所示。
圖6 數(shù)據(jù)中心余熱與有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)合
ORC的工作原理與蒸汽朗肯循環(huán)相同，但使用沸點較低的有機流體作為工作流體。ORC是數(shù)據(jù)中心余熱回收的一個可行手段，可以利用余熱生產(chǎn)低成本電力，通過減少整個數(shù)據(jù)中心的電力消耗產(chǎn)生經(jīng)濟效益。數(shù)據(jù)中心余熱用于有機朗肯循環(huán)發(fā)電的研究屬于起步階段，整體循環(huán)效率相對偏低。
2.6 余熱儲存回收技術(shù)
余熱儲存回收技術(shù)可以有效降低供給側(cè)的用熱成本，減少化石燃料的燃燒和有害氣體的排放。部分數(shù)據(jù)中心余熱儲存回收技術(shù)案例如表2所示。
表2 部分數(shù)據(jù)中心余熱儲存回收技術(shù)
數(shù)據(jù)中心排出的熱量經(jīng)過蓄水池或儲熱罐進行回收存儲，需要時釋放儲存的熱量進行放熱，以便于解決供需不匹配問題。Oró等將數(shù)據(jù)中心余熱用于室內(nèi)游泳館空調(diào)系統(tǒng)，通過出售多余的熱量，運營費用降低18%。
3 數(shù)據(jù)中心余熱跨季節(jié)儲熱分析
數(shù)據(jù)中心年余熱排放量較高。經(jīng)調(diào)研，濟南某數(shù)據(jù)中心年余熱排放量約為2.20×10（15次方）J；芬蘭南部的基卡科努米市利用數(shù)據(jù)中心年余熱排放量約為1.314×10（14次方）J；位于河北省張家口市張北縣的阿里巴巴張北數(shù)據(jù)中心阿里云張北數(shù)據(jù)中心年余熱排放量約為5.67×10（15次方）J；天津濱海數(shù)據(jù)中心年余熱排放量約為1.89×10（15次方）J；中國移動（廣西）數(shù)據(jù)中心年余熱排放量約為2.83×10（15次方）J。
跨季節(jié)儲熱技術(shù)在非供暖期間進行儲熱，在供暖期間將儲存的熱量供給需求側(cè)，數(shù)據(jù)中心余熱跨季節(jié)儲熱結(jié)構(gòu)如圖7所示。理論計算時需要注意：余熱排放過程中暫不考慮熱損失；無機相變材料暫不考慮其過冷與相分離現(xiàn)象；假設(shè)相變材料到達相變溫度點完全相變。
圖7 數(shù)據(jù)中心余熱跨季節(jié)儲熱結(jié)構(gòu)
3.1 無相變儲熱
無相變儲熱利用水箱、巖石類、埋管、含水層等對數(shù)據(jù)中心余熱進行蓄熱，將余熱熱量傳遞給介質(zhì)，達到儲存目的。將數(shù)據(jù)中心排放的余熱用于顯熱儲存，在非供暖時期，利用多溫區(qū)連續(xù)集熱技術(shù)將數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的余熱儲存在大型蓄水池內(nèi)；在供暖時期，通過高能效熱泵技術(shù)利用數(shù)據(jù)中心余熱，實現(xiàn)寒冷區(qū)域跨季節(jié)低碳供暖。
無相變蓄水池儲熱容積Qj為：
式中：c——水的比熱容，J/(kg·K)；m——水質(zhì)量，kg；tb——余熱加熱的終溫，℃；tm——為蓄水池的初溫，℃。
顯熱儲熱具有質(zhì)量大、體積大、儲熱密度小的特點。部分數(shù)據(jù)中心余熱無相變儲熱的蓄水池儲熱容積如表3所示。
表3部分數(shù)據(jù)中心余熱無相變儲熱的蓄水池儲熱容積/m2
3.2 相變儲熱
潛熱儲能技術(shù)利用相變材料存儲液態(tài)和固態(tài)相變中的潛在能量，具有比顯熱儲能更高的空間效率。直接接觸式相變儲熱器中，傳熱介質(zhì)與相變材料直接混合接觸，無壁面導(dǎo)熱熱阻，換熱系數(shù)較高，效率更高。利用數(shù)據(jù)中心余熱時，相變潛熱更高的材料的儲熱效果更好，可以選取六水氯化鈣和三水和醋酸鈉作為儲熱罐中的相變材料，相變材料的物性參數(shù)如表4所示。
表4 相變材料的物性參數(shù)
相變材料儲熱罐儲熱容積Qj'為：
式中：mx——相變材料質(zhì)量，kg；Δh——相變材料的相變熱，J/g。
相變儲熱技術(shù)的儲熱密度大且建造容積小，溫度波動幅度小，部分數(shù)據(jù)中心余熱相變儲熱的熱罐容積如表5所示。
表5 部分數(shù)據(jù)中心余熱相變儲熱的儲熱罐儲熱容積/m2
3.3 有無相變儲熱的經(jīng)濟性對比分析
上述案例中，阿里巴巴張北數(shù)據(jù)中心的建造容積最大，因為其排熱量最大。余熱溫度不同時，影響系統(tǒng)建造容積的主要因素是溫差，溫差越大，所需建造容積越小。液冷系統(tǒng)排出的余熱溫度相對較高，溫差較大，其建造容積小于風(fēng)冷系統(tǒng)。系統(tǒng)建造成本包括地皮、工商業(yè)用水、六水氯化鈣、儲熱罐和建造費（含人工）。部分數(shù)據(jù)中心有無相變儲熱容積建造成本對比如圖8所示。運用相變材料進行潛熱存儲的技術(shù)較蓄水池顯熱儲熱優(yōu)勢更大。
圖8 部分數(shù)據(jù)中心有無相變儲熱容積建造成本對比
3.4 跨季節(jié)相變儲熱技術(shù)分析
數(shù)據(jù)中心余熱跨季節(jié)儲熱技術(shù)符合國家節(jié)能減排政策，數(shù)據(jù)中心附近的工業(yè)園或居民小區(qū)可以充分利用其排放的余熱進行生活供暖或用水。將數(shù)據(jù)中心余熱作為冬季供暖的主要熱源可以滿足部分小區(qū)用戶需求。儲熱計算過程如下：供暖時期將儲存熱輸出給使用側(cè)，非供暖時期儲熱輸出熱量為0。
式中：Q1——數(shù)據(jù)中心向儲熱水池提供的熱能，kJ；Qi——儲熱水池或儲熱罐的內(nèi)能變化量，kJ；Q2——儲熱水池或儲熱罐的散熱量，kJ；Q——儲熱水池或儲熱罐的取熱量，kJ。
儲熱水池或儲熱罐的內(nèi)能變化量Qi為：
其中：V——儲熱水池的容積，m3；ρ——水的密度，kg/m3；C——水的比熱容，J/kg；ts——s時刻儲熱水池內(nèi)的水溫，℃；ts+1——s+1時刻儲熱水池的水溫，℃。
上述案例中的數(shù)據(jù)中心余熱用于跨季節(jié)儲熱，計算非供暖期間利用相變材料儲熱的熱量。規(guī)范公寓樓冬季供暖指標為150W/m2，普通小區(qū)建筑面積約80~120m2，小區(qū)用戶約1000~3000戶。數(shù)據(jù)中心余熱跨季節(jié)相變儲熱及供暖情況如表6所示。利用數(shù)據(jù)中心余熱進行跨季節(jié)相變儲熱，幾乎可以滿足小區(qū)整個冬季供暖。
表6 數(shù)據(jù)中心余熱跨季節(jié)相變儲熱及供暖情況
注：儲熱介質(zhì)為三水合醋酸鈉，儲熱溫度為60~75℃。
4 結(jié)語
文中對數(shù)據(jù)中心余熱回收利用技術(shù)進行探討，在此基礎(chǔ)上討論數(shù)據(jù)中心風(fēng)冷系統(tǒng)和液冷系統(tǒng)分類集成的適用性。
可以得出以下結(jié)論：與傳統(tǒng)的風(fēng)冷系統(tǒng)相比，液冷系統(tǒng)可以提供更高質(zhì)量的余熱，利用場景更豐富。將數(shù)據(jù)中心余熱用于跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)中，利用相變儲熱技術(shù)，在相變溫度下能夠儲存更多的能量，同時可以減少蓄能裝置空間以及建造費用等。
相同儲熱量條件下，運用相變材料的儲熱罐儲存容積比蓄水池儲熱容積減少4/5，成本降低1/6，并且返回的低溫水可以降低數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的冷負荷，有效降低數(shù)據(jù)中心的PUE值。數(shù)據(jù)中心余熱跨季節(jié)相變儲熱系統(tǒng)全年穩(wěn)定運行，可以有效降低用戶冬季的用熱成本，減少化石燃料的燃燒，降低溫室氣體的產(chǎn)生。
