引言
隨著人工智能、云計(jì)算，大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)高速發(fā)展，大型數(shù)據(jù)中心不斷涌現(xiàn)。當(dāng)前全球數(shù)據(jù)中心數(shù)量已超過400萬個(gè)，其中超大數(shù)據(jù)中心已超過500個(gè)；預(yù)計(jì)2020年，全球數(shù)據(jù)中心耗電量將占全球總用電量的5%；截止2018年底，中國數(shù)據(jù)中心服務(wù)器裝機(jī)量為1200萬臺，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心總耗電量高達(dá)613億度。如何在高能耗數(shù)據(jù)中心尋找節(jié)能空間，緩解當(dāng)前社會能源需求緊張，促進(jìn)全球能源合理利用，是數(shù)據(jù)中心從業(yè)者不斷探索的方向。本文以騰訊天津數(shù)據(jù)中心為例，介紹余熱回收原理及其成熟應(yīng)用方案，秉持“科技向善”的愿景，提出數(shù)據(jù)中心余熱利用的可行性分析與建議，以期站在社會級能源需求角度推動數(shù)據(jù)中心行業(yè)關(guān)注能耗問題。
一、項(xiàng)目概況
余熱回收項(xiàng)目位于天津?yàn)I海新區(qū)騰訊數(shù)據(jù)中心，園區(qū)占地面積9萬平方米，辦公區(qū)域9200平方米，供辦公區(qū)域余熱回收利用的機(jī)房為園區(qū)DC1棟，其建筑使用面積2萬平方米，冷凍水系統(tǒng)采用5臺1300冷噸離心式冷水機(jī)組，冷凍水供回水溫度10/18℃，園區(qū)辦公樓安裝一臺冷水機(jī)組為辦公區(qū)域夏季供冷，冬季為北方統(tǒng)一市政采暖。本項(xiàng)目利用DC1棟機(jī)房冷凍水余熱二次提溫替代市政供熱，提取低品位熱源，節(jié)省采暖費(fèi)用的同時(shí)降低冷卻水系統(tǒng)耗電量，且進(jìn)一步增強(qiáng)機(jī)房冷卻效果，減少煤炭或天然氣能源的消耗。
項(xiàng)目選取磁懸浮熱泵機(jī)組，采用“磁懸浮”技術(shù)結(jié)合成熟的離心壓縮機(jī)技術(shù)，其制熱效率高于傳統(tǒng)電制冷機(jī)（螺桿機(jī)、離心機(jī)等），運(yùn)行省電、噪音低。機(jī)組制熱額定COP高達(dá)4.9，比其他電熱泵節(jié)電40%，同時(shí)相對于傳統(tǒng)機(jī)組，體積減小30—50%，重量減輕30%。
選取DC1棟冷凍系統(tǒng)末端回水為取水口，通過園區(qū)內(nèi)一段地埋管道輸送到辦公樓冷機(jī)房內(nèi)。在辦公樓冷機(jī)房內(nèi)安裝兩臺循環(huán)水泵，將20℃冷凍回水送至熱泵機(jī)組，并將熱泵機(jī)組15℃回水送至DC1棟機(jī)房。其水泵選型如下：
熱泵的熱力學(xué)過程為逆卡諾循環(huán)。它由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、節(jié)流裝置四大部件組成。低溫液態(tài)有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收外部熱源的熱量而發(fā)生氣化；在壓縮機(jī)中經(jīng)過壓縮后變?yōu)楦邷馗邏旱墓べ|(zhì)蒸汽；然后工質(zhì)進(jìn)入到冷凝器中與用熱端進(jìn)行換熱，釋放熱量、工質(zhì)溫度降低并變?yōu)橐簯B(tài)；隨后進(jìn)入節(jié)流裝置降溫降壓變?yōu)榈蜏匾簯B(tài)工質(zhì)，回入到蒸發(fā)器中繼續(xù)循環(huán)。
圖1.騰訊天津數(shù)據(jù)中心余熱回收系統(tǒng)圖
騰訊天津數(shù)據(jù)中心DC1棟精密空調(diào)冷凍水供回水溫度 15/20℃，可回收的余熱高達(dá) 5233kW，通過計(jì)算辦公樓采暖負(fù)荷為540kW，在熱泵運(yùn)行階段只需提取1/10熱量，即可滿足辦公樓采暖需求。如下圖所示，冷凍水回水溫度20℃，一部分經(jīng)過熱泵機(jī)組后，轉(zhuǎn)換為15℃冷水返回?cái)?shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)，剩余9/10進(jìn)入機(jī)房原制冷系統(tǒng)（冬季自然冷卻板換模式）。
圖2.騰訊天津數(shù)據(jù)中心余熱回收動態(tài)運(yùn)行圖
二、余熱回收節(jié)能分析
2.1 DC1棟余熱回收節(jié)能量計(jì)算
熱泵機(jī)組通過回收DC1棟冷凍回水低品位熱源，一方面向園區(qū)辦公樓提供冬季供暖，減少每年碳排放量；另一方面向機(jī)房返回15℃冷凍水用于機(jī)房制冷，減少機(jī)房冷卻負(fù)荷和水資源消耗。
圖3.騰訊天津數(shù)據(jù)中心余熱回收現(xiàn)場運(yùn)行圖
根據(jù)額定工況下參數(shù)計(jì)算，對比通過余熱回收與傳統(tǒng)市政采暖所需成本支出，實(shí)測天津冬季采暖一周數(shù)據(jù)后取平均值，電力消耗數(shù)據(jù)如下表，成本統(tǒng)計(jì)如下：
出，余熱回收比原市政采暖（未加設(shè)備成本及政府補(bǔ)貼）每日成本節(jié)省2828.48元，以天津開發(fā)區(qū)6個(gè)月供暖季計(jì)算，冬季節(jié)省成本約50萬元。
據(jù)天津住建委要求，對余熱回收改造前后進(jìn)行能耗計(jì)算：減少能耗標(biāo)煤量達(dá)1620.87噸，相當(dāng)于減少約4040噸二氧化碳排放量，碳排放當(dāng)量約為種植22萬棵大樹，年節(jié)能量達(dá)461.62噸，總節(jié)能率達(dá)28.48%。所節(jié)省能耗明細(xì)如下：
2.2大型數(shù)據(jù)中心全園區(qū)余熱回收可行性分析
騰訊天津數(shù)據(jù)中心園區(qū)共計(jì)3棟IDC大樓，僅回收DC1棟數(shù)據(jù)中心1/10余熱用于辦公樓供暖，投資回報(bào)周期約3年；若將騰訊天津數(shù)據(jù)中心1/3/4號樓全部進(jìn)行余熱回收于熱力公司，熱量用于采暖可覆蓋的面積達(dá)到46萬平，如果用于家庭采暖，可滿足5100多戶居民的用熱需求，減少二氧化碳量達(dá)16萬噸，碳排放當(dāng)量約為種植880萬棵大樹，有效減少地球不可再生能源的消耗。
若考慮全年余熱回收，將夏季回收熱用于民用熱水及周邊公建需求，冬季將數(shù)據(jù)中心全部熱源用于民用采暖，由此減少的能耗極為可觀，同時(shí)采用此方案將減少制冷系統(tǒng)部分運(yùn)行費(fèi)用及園區(qū)辦公樓采暖費(fèi)用，累加售賣出去的余熱費(fèi)用，收益將極為可觀。在開展社會公益的同時(shí)，也增加了執(zhí)行者的收益，讓綠色環(huán)保深入數(shù)據(jù)中心行業(yè)內(nèi)。
三、關(guān)于數(shù)據(jù)中心PUE小于1的探討
數(shù)據(jù)中心從業(yè)者為減少數(shù)據(jù)中心能耗，推動行業(yè)向綠色數(shù)據(jù)中心發(fā)展的過程中，提出了PUE概念，即數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負(fù)載使用的能源之比，PUE = 數(shù)據(jù)中心總設(shè)備能耗/IT設(shè)備能耗。當(dāng)前，PUE值已經(jīng)成為國際上比較通行的數(shù)據(jù)中心電力使用效率的衡量指標(biāo)，越接近1則可認(rèn)為該數(shù)據(jù)中心越綠色節(jié)能，那么PUE是否可能＜1呢？
在以往定義中，PUE=數(shù)據(jù)中心總設(shè)備能耗/IT設(shè)備能耗，理論計(jì)算上，將能耗*電費(fèi)，PUE則可以=總電費(fèi)/IT用電費(fèi)用，如果我們把余熱回收帶來的收益算進(jìn)去，IT自身產(chǎn)生的廢熱被再次利用，且被利用的足夠充分，是否可以實(shí)現(xiàn)PUE＜1？
以該項(xiàng)目為例，余熱回收不會改變傳統(tǒng)PUE定義，但是從費(fèi)用角度看PUE，它發(fā)生了顯著的變化：
根據(jù)初步估算數(shù)據(jù)顯示，引入余熱回收后，PUE值有明顯變化，當(dāng)考慮全年余熱回收時(shí)，PUE值實(shí)現(xiàn)了＜1的可能，可見余熱回收不僅是低品位能源再利用的方式，更是改變數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)能源評估模式的一次嘗試。
當(dāng)然，這里只是就余熱回收和PUE這個(gè)話題作一些有意思的探討，騰訊數(shù)據(jù)中心從來不追求極致的PUE指標(biāo)，而是更關(guān)注對運(yùn)營的極致追求。
圖4.騰訊天津數(shù)據(jù)中心
由于該項(xiàng)目于2019年10月落地，騰訊天津數(shù)據(jù)中心將用一年時(shí)間記錄改造后余熱回收的節(jié)能及成本分析，對比數(shù)據(jù)中心能耗，驗(yàn)證其在數(shù)據(jù)中心可持久推廣的可行性，用騰訊IDC人微小的力量，踐行騰訊“科技向善”的愿景。
四、科技反哺社會
余熱回收概念已提出多年，在數(shù)據(jù)中心行業(yè)內(nèi)成熟應(yīng)用的案例在國內(nèi)還是少數(shù)，而在北歐國家，早在2011年，芬蘭赫爾辛基公共能源公司研究通過不同的方式對云計(jì)算數(shù)據(jù)中心產(chǎn)出的大量廢熱進(jìn)行收集，供企業(yè)建筑及民用建筑供暖，并將冷卻后氣體輸送回?cái)?shù)據(jù)中心用于末端降溫。芬蘭和挪威等國家部分地方政府與當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù)中心簽署熱量回收意向書，向數(shù)據(jù)中心購買熱量提供給周邊社區(qū)居民，惠及大眾。
縱觀國內(nèi)數(shù)據(jù)中心對于冷源系統(tǒng)的研究主要集中在制冷機(jī)組性能能效提高，冷熱源技術(shù)方案優(yōu)化、自然冷卻和可再生能源利用等方面。對于數(shù)據(jù)中心余熱回收的利用，目前工程案例和研究方案中，大多是將余熱直接排放到周圍環(huán)境，造成可利用熱量的浪費(fèi)且加劇城市熱島效應(yīng)。近年來，我國北方地區(qū)開始建設(shè)大型數(shù)據(jù)中心，基于北方采暖需求，若將數(shù)據(jù)中心余熱回收用于居民冬季采暖，則可極大的減少能源損耗，推動行業(yè)向綠色建筑發(fā)展。基于此，我們提出以下能源利用方案：
1.在數(shù)據(jù)中心外建立一個(gè)能源站，將數(shù)據(jù)中心余熱回收利用后產(chǎn)生的中高溫水并入市政熱力管網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)冷量和熱量的合理利用。
2.能源站在為數(shù)據(jù)中心提供冷源及為市政熱力管網(wǎng)提供熱源的同時(shí)，將采用燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)，供數(shù)據(jù)中心用電。
3.能源站采用直燃熱泵制冷制熱，熱泵維護(hù)期間，峰平時(shí)段利用自發(fā)電、谷值時(shí)段利用低谷電，通過磁懸浮熱泵制冷。
該方案將改變數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施冷量和電力供給方式，利用能源站保證數(shù)據(jù)中心雙冷源和雙電來源同時(shí)（對于T1、T2級別數(shù)據(jù)中心可完全依賴能源站冷電源，免去基礎(chǔ)設(shè)施建造成本），還可將余熱作為盈利來源，以較低價(jià)格售賣給熱力公司，如若走北歐政府簽約模式，居民即可以較低價(jià)格獲取市政采暖，不僅減少數(shù)據(jù)中心成本，同時(shí)減少自然能源使用，一舉多得。
五、結(jié)語
本文在對數(shù)據(jù)中心余熱回收技術(shù)方案、能耗分析及其推廣復(fù)用性做了初步分析，以騰訊天津數(shù)據(jù)中心余熱回收供辦公樓采暖為案例，分析該方案實(shí)際應(yīng)用的可行性和可推廣性，踐行騰訊“科技向善”的愿景，以騰訊IDC人的微薄之力，推動行業(yè)更加關(guān)注非可再生能源的消耗。本文分析得出以下結(jié)論：
1. 騰訊天津數(shù)據(jù)中心提取全園區(qū)1/40熱量即可滿足辦公樓采暖需求，每年可節(jié)省采暖費(fèi)50余萬，減少能耗標(biāo)煤量達(dá)1620.87噸，相當(dāng)于減少約4040噸二氧化碳排放量，碳排放當(dāng)量約為種植22萬棵大樹，年節(jié)能量達(dá)461.62噸，總節(jié)能率達(dá)28.48%。
2. 回收騰訊天津數(shù)據(jù)中心冬季全部余熱，熱量用于采暖可覆蓋的面積達(dá)到46萬平方米，如果用于家庭采暖，可滿足5100多戶居民的用熱需求。減排二氧化碳量達(dá)16萬噸，碳排放當(dāng)量約為種植880萬棵大樹，有效減少地球不可再生能源的消耗。
3.提出改變數(shù)據(jù)中心冷源電源供給方式，建立外包能源站，將數(shù)據(jù)中心余熱并入市政熱網(wǎng)，通過熱泵技術(shù)為數(shù)據(jù)中心提供冷源和用戶采暖，并用燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)為數(shù)據(jù)中心供電，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心冷熱電源自產(chǎn)自銷，熱源對外售賣可獲得盈利，正向引導(dǎo)業(yè)內(nèi)廠商主動向綠色數(shù)據(jù)中心靠攏，減少自然能源消耗，將綠色環(huán)保、降低非可再生能源消耗深入到數(shù)據(jù)中心行業(yè)內(nèi)。
