数据中心余热回收应用案例分析
引言
随着人工智能、云计算，大数据等信息技术高速发展，大型数据中心不断涌现。当前全球数据中心数量已超过400万个，其中超大数据中心已超过500个；预计2020年，全球数据中心耗电量将占全球总用电量的5%；截止2018年底，中国数据中心服务器装机量为1200万台，国内数据中心总耗电量高达613亿度。如何在高能耗数据中心寻找节能空间，缓解当前社会能源需求紧张，促进全球能源合理利用，是数据中心从业者不断探索的方向。本文以腾讯天津数据中心为例，介绍余热回收原理及其成熟应用方案，秉持“科技向善”的愿景，提出数据中心余热利用的可行性分析与建议，以期站在社会级能源需求角度推动数据中心行业关注能耗问题。
一、项目概况
余热回收项目位于天津滨海新区腾讯数据中心，园区占地面积9万平方米，办公区域9200平方米，供办公区域余热回收利用的机房为园区DC1栋，其建筑使用面积2万平方米，冷冻水系统采用5台1300冷吨离心式冷水机组，冷冻水供回水温度10/18℃，园区办公楼安装一台冷水机组为办公区域夏季供冷，冬季为北方统一市政采暖。本项目利用DC1栋机房冷冻水余热二次提温替代市政供热，提取低品位热源，节省采暖费用的同时降低冷却水系统耗电量，且进一步增强机房冷却效果，减少煤炭或天然气能源的消耗。
项目选取磁悬浮热泵机组，采用“磁悬浮”技术结合成熟的离心压缩机技术，其制热效率高于传统电制冷机（螺杆机、离心机等），运行省电、噪音低。机组制热额定COP高达4.9，比其他电热泵节电40%，同时相对于传统机组，体积减小30—50%，重量减轻30%。
表1.主机设备参数
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设备 |
制热量 |
最大输入功率 |
冷冻水(低温水) 额定出/入口温度 |
冷却水(中温水)额定出/入口温度 |
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磁悬浮热泵 |
6000 kW |
135kW |
15/20℃ |
55/45℃ |
选取DC1栋冷冻系统末端回水为取水口，通过园区内一段地埋管道输送到办公楼冷机房内。在办公楼冷机房内安装两台循环水泵，将20℃冷冻回水送至热泵机组，并将热泵机组15℃回水送至DC1栋机房。其水泵选型如下：
表2.泵组设备参数
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设备 |
流量 |
扬程 |
功率 |
|
低温泵 |
80 m³ /h |
38m |
15kW |
|
中温泵 |
50 m³ /h |
34m |
7.5kW |
热泵的热力学过程为逆卡诺循环。它由蒸发器、冷凝器、压缩机、节流装置四大部件组成。低温液态有机工质在蒸发器中吸收外部热源的热量而发生气化；在压缩机中经过压缩后变为高温高压的工质蒸汽；然后工质进入到冷凝器中与用热端进行换热，释放热量、工质温度降低并变为液态；随后进入节流装置降温降压变为低温液态工质，回入到蒸发器中继续循环。
图1.腾讯天津数据中心余热回收系统图
腾讯天津数据中心DC1栋精密空调冷冻水供回水温度 15/20℃，可回收的余热高达 5233kW，通过计算办公楼采暖负荷为540kW，在热泵运行阶段只需提取1/10热量，即可满足办公楼采暖需求。如下图所示，冷冻水回水温度20℃，一部分经过热泵机组后，转换为15℃冷水返回数据中心制冷系统，剩余9/10进入机房原制冷系统（冬季自然冷却板换模式）。
图2.腾讯天津数据中心余热回收动态运行图
二、余热回收节能分析
2.1 DC1 栋余热回收节能量计算
热泵机组通过回收DC1栋冷冻回水低品位热源，一方面向园区办公楼提供冬季供暖，减少每年碳排放量；另一方面向机房返回15℃冷冻水用于机房制冷，减少机房冷却负荷和水资源消耗。
图3.腾讯天津数据中心余热回收现场运行图
根据额定工况下参数计算，对比通过余热回收与传统市政采暖所需成本支出，实测天津冬季采暖一周数据后取平均值，电力消耗数据如下表，成本统计如下：
表3.余热回收与市政采暖每日成本对比值
|
供暖方式 |
采暖费 （日） |
热泵系统 每日电费（元） |
原市政水泵 耗电量（度） |
DC1栋制冷 系统耗电量 （度） |
成本 （元） |
|
市政采暖 |
3167 |
0 |
171.6 |
2808 |
6146.6 |
|
余热回收 |
0 |
588.12 |
0 |
2730 |
3318.12 |
由表3可以看出，余热回收比原市政采暖（未加设备成本及政府补贴）每日成本节省2828.48元，以天津开发区6个月供暖季计算，冬季节省成本约50万元。
据天津住建委要求，对余热回收改造前后进行能耗计算：减少能耗标煤量达1620.87吨，相当于减少约4040吨二氧化碳排放量，碳排放当量约为种植22万棵大树，年节能量达461.62吨，总节能率达28.48%。所节省能耗明细如下：
表4.住建委改造节能率计算表
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年用电量 |
kWh |
5145620 |
|
电折标系数 |
tce/万kWh |
3.15 |
|
年用电标煤量 |
t |
1620.87 |
|
年用气量 |
m³ |
N/A |
|
气折标系数 |
tce/万 m³ |
12.9971 |
|
年用气标煤量 |
t |
0.00 |
|
合计能耗标煤量 |
t |
1620.87 |
|
单位面积能耗 |
kgce/m² |
163.30 |
|
单位面积能耗 |
kWh/m² |
518.40 |
|
年节能量 |
t |
461.62 |
|
节能率 |
% |
28.48% |
2.2 大型数据中心全园区余热回收可行性分析
腾讯天津数据中心园区共计3栋IDC大楼，仅回收DC1栋数据中心1/10余热用于办公楼供暖，投资回报周期约3年；若将腾讯天津数据中心1/3/4号楼全部进行余热回收于热力公司，热量用于采暖可覆盖的面积达到46万平，如果用于家庭采暖，可满足 5100多 户 居民的用热需求，减少二氧化碳量达16万吨，碳排放当量约为种植 880 万 棵 大树，有效减少地球不可再生能源的消耗。
表5.冬季余热回收（全园区）热量
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总回收热量（KW） |
热泵总功率（KW） |
总制热量（KW） |
采暖覆盖面积 |
减排二氧化碳 |
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22000 |
5500 |
26950 |
46万m² |
16万T碳排放当量 |
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目前IDC总负载 |
热泵制冷 COP=4 |
热泵制热 COP=4.9 |
按户均90 m²可覆盖 5100户 |
880万棵 大树 |
若考虑全年余热回收，将夏季回收热用于民用热水及周边公建需求，冬季将数据中心全部热源用于民用采暖，由此减少的能耗极为可观，同时采用此方案将减少制冷系统部分运行费用及园区办公楼采暖费用，累加售卖出去的余热费用，收益将极为可观。在开展社会公益的同时，也增加了执行者的收益，让绿色环保深入数据中心行业内。
三、关于数据中心PUE小于1的探讨
数据中心从业者为减少数据中心能耗，推动行业向绿色数据中心发展的过程中，提出了PUE概念，即数据中心消耗的所有能源与IT负载使用的能源之比，PUE = 数据中心总设备能耗/IT设备能耗。当前，PUE值已经成为国际上比较通行的数据中心电力使用效率的衡量指标，越接近1则可认为该数据中心越绿色节能，那么PUE是否可能＜1呢？
在以往定义中，PUE=数据中心总设备能耗/IT设备能耗，理论计算上，将能耗*电费，PUE则可以=总电费/IT用电费用，如果我们把余热回收带来的收益算进去，IT自身产生的废热被再次利用，且被利用的足够充分，是否可以实现PUE＜1？
以该项目为例，余热回收不会改变传统PUE定义，但是从费用角度看PUE，它发生了显著的变化：
根据初步估算数据显示，引入余热回收后，PUE值有明显变化，当考虑全年余热回收时，PUE值实现了＜1的可能，可见余热回收不仅是低品位能源再利用的方式，更是改变数据中心传统能源评估模式的一次尝试。
当然，这里只是就余热回收和PUE这个话题作一些有意思的探讨，腾讯数据中心从来不追求极致的PUE指标，而是更关注对运营的极致追求。
图4.腾讯天津数据中心
由于该项目于2019年10月落地，腾讯天津数据中心将用一年时间记录改造后余热回收的节能及成本分析，对比数据中心能耗，验证其在数据中心可持久推广的可行性，用腾讯IDC人微小的力量，践行腾讯“科技向善”的愿景。
四、科技反哺社会
余热回收概念已提出多年，在数据中心行业内成熟应用的案例在国内还是少数，而在北欧国家，早在2011年，芬兰赫尔辛基公共能源公司研究通过不同的方式对云计算数据中心产出的大量废热进行收集，供企业建筑及民用建筑供暖，并将冷却后气体输送回数据中心用于末端降温。芬兰和挪威等国家部分地方政府与当地数据中心签署热量回收意向书，向数据中心购买热量提供给周边社区居民，惠及大众。
纵观国内数据中心对于冷源系统的研究主要集中在制冷机组性能能效提高，冷热源技术方案优化、自然冷却和可再生能源利用等方面。对于数据中心余热回收的利用，目前工程案例和研究方案中，大多是将余热直接排放到周围环境，造成可利用热量的浪费且加剧城市热岛效应。近年来，我国北方地区开始建设大型数据中心，基于北方采暖需求，若将数据中心余热回收用于居民冬季采暖，则可极大的减少能源损耗，推动行业向绿色建筑发展。基于此，我们提出以下能源利用方案：
1.在数据中心外建立一个能源站，将数据中心余热回收利用后产生的中高温水并入市政热力管网，实现冷量和热量的合理利用。
2.能源站在为数据中心提供冷源及为市政热力管网提供热源的同时，将采用燃气发电技术，供数据中心用电。
3.能源站采用直燃热泵制冷制热，热泵维护期间，峰平时段利用自发电、谷值时段利用低谷电，通过磁悬浮热泵制冷。
该方案将改变数据中心传统基础设施冷量和电力供给方式，利用能源站保证数据中心双冷源和双电来源同时（对于T1、T2级别数据中心可完全依赖能源站冷电源，免去基础设施建造成本），还可将余热作为盈利来源，以较低价格售卖给热力公司，如若走北欧政府签约模式，居民即可以较低价格获取市政采暖，不仅减少数据中心成本，同时减少自然能源使用，一举多得。
五、结语
本文在对数据中心余热回收技术方案、能耗分析及其推广复用性做了初步分析，以腾讯天津数据中心余热回收供办公楼采暖为案例，分析该方案实际应用的可行性和可推广性，践行腾讯“科技向善”的愿景，以腾讯IDC人的微薄之力，推动行业更加关注非可再生能源的消耗。本文分析得出以下结论：
1. 腾讯天津数据中心提取全园区1/40热量即可满足办公楼采暖需求，每年可节省采暖费50余万，减少能耗标煤量达1620.87吨，相当于减少约4040吨二氧化碳排放量，碳排放当量约为种植22万棵大树，年节能量达461.62吨，总节能率达28.48%。
2. 回收腾讯天津数据中心冬季全部余热，热量用于采暖可覆盖的面积达到46万平方米，如果用于家庭采暖，可满足 5100多 户 居民的用热需求。 减排二氧化碳量达16万吨，碳排放当量约为种植 880万 棵 大树，有效减少地球不可再生能源的消耗。
3.提出改变数据中心冷源电源供给方式，建立外包能源站，将数据中心余热并入市政热网，通过热泵技术为数据中心提供冷源和用户采暖，并用燃气发电技术为数据中心供电，实现数据中心冷热电源自产自销，热源对外售卖可获得盈利，正向引导业内厂商主动向绿色数据中心靠拢，减少自然能源消耗，将绿色环保、降低非可再生能源消耗深入到数据中心行业内。
