引言
隨著人工智能、云計算，大數(shù)據等信息技術高速發(fā)展，大型數(shù)據中心不斷涌現(xiàn)。當前全球數(shù)據中心數(shù)量已超過400萬個，其中超大數(shù)據中心已超過500個；預計2020年，全球數(shù)據中心耗電量將占全球總用電量的5%；截止2018年底，中國數(shù)據中心服務器裝機量為1200萬臺，國內數(shù)據中心總耗電量高達613億度。如何在高能耗數(shù)據中心尋找節(jié)能空間，緩解當前社會能源需求緊張，促進全球能源合理利用，是數(shù)據中心從業(yè)者不斷探索的方向。本文以騰訊天津數(shù)據中心為例，介紹余熱回收原理及其成熟應用方案，秉持“科技向善”的愿景，提出數(shù)據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)據中心行業(yè)關注能耗問題。
一、項目概況
余熱回收項目位于天津濱海新區(qū)騰訊數(shù)據中心，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冷噸離心式冷水機組，冷凍水供回水溫度10/18℃，園區(qū)辦公樓安裝一臺冷水機組為辦公區(qū)域夏季供冷，冬季為北方統(tǒng)一市政采暖。本項目利用DC1棟機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)省采暖費用的同時降低冷卻水系統(tǒng)耗電量，且進一步增強機房冷卻效果，減少煤炭或天然氣能源的消耗。
項目選取磁懸浮熱泵機組，采用“磁懸浮”技術結合成熟的離心壓縮機技術，其制熱效率高于傳統(tǒng)電制冷機（螺桿機、離心機等），運行省電、噪音低。機組制熱額定COP高達4.9，比其他電熱泵節(jié)電40%，同時相對于傳統(tǒng)機組，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)內一段地埋管道輸送到辦公樓冷機房內。在辦公樓冷機房內安裝兩臺循環(huán)水泵，將20℃冷凍回水送至熱泵機組，并將熱泵機組15℃回水送至DC1棟機房。其水泵選型如下：
熱泵的熱力學過程為逆卡諾循環(huán)。它由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機、節(jié)流裝置四大部件組成。低溫液態(tài)有機工質在蒸發(fā)器中吸收外部熱源的熱量而發(fā)生氣化；在壓縮機中經過壓縮后變?yōu)楦邷馗邏旱墓べ|蒸汽；然后工質進入到冷凝器中與用熱端進行換熱，釋放熱量、工質溫度降低并變?yōu)橐簯B(tài)；隨后進入節(jié)流裝置降溫降壓變?yōu)榈蜏匾簯B(tài)工質，回入到蒸發(fā)器中繼續(xù)循環(huán)。
圖1.騰訊天津數(shù)據中心余熱回收系統(tǒng)圖
騰訊天津數(shù)據中心DC1棟精密空調冷凍水供回水溫度 15/20℃，可回收的余熱高達 5233kW，通過計算辦公樓采暖負荷為540kW，在熱泵運行階段只需提取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℃，一部分經過熱泵機組后，轉換為15℃冷水返回數(shù)據中心制冷系統(tǒng)，剩余9/10進入機房原制冷系統(tǒng)（冬季自然冷卻板換模式）。
圖2.騰訊天津數(shù)據中心余熱回收動態(tài)運行圖
二、余熱回收節(jié)能分析
2.1 DC1棟余熱回收節(jié)能量計算
熱泵機組通過回收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；另一方面向機房返回15℃冷凍水用于機房制冷，減少機房冷卻負荷和水資源消耗。
圖3.騰訊天津數(shù)據中心余熱回收現(xiàn)場運行圖
根據額定工況下參數(shù)計算，對比通過余熱回收與傳統(tǒng)市政采暖所需成本支出，實測天津冬季采暖一周數(shù)據后取平均值，電力消耗數(shù)據如下表，成本統(tǒng)計如下：
出，余熱回收比原市政采暖（未加設備成本及政府補貼）每日成本節(jié)省2828.48元，以天津開發(fā)區(qū)6個月供暖季計算，冬季節(jié)省成本約50萬元。
據天津住建委要求，對余熱回收改造前后進行能耗計算：減少能耗標煤量達1620.87噸，相當于減少約4040噸二氧化碳排放量，碳排放當量約為種植22萬棵大樹，年節(jié)能量達461.62噸，總節(jié)能率達28.48%。所節(jié)省能耗明細如下：
2.2大型數(shù)據中心全園區(qū)余熱回收可行性分析
騰訊天津數(shù)據中心園區(qū)共計3棟IDC大樓，僅回收DC1棟數(shù)據中心1/10余熱用于辦公樓供暖，投資回報周期約3年；若將騰訊天津數(shù)據中心1/3/4號樓全部進行余熱回收于熱力公司，熱量用于采暖可覆蓋的面積達到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16萬噸，碳排放當量約為種植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，同時采用此方案將減少制冷系統(tǒng)部分運行費用及園區(qū)辦公樓采暖費用，累加售賣出去的余熱費用，收益將極為可觀。在開展社會公益的同時，也增加了執(zhí)行者的收益，讓綠色環(huán)保深入數(shù)據中心行業(yè)內。
三、關于數(shù)據中心PUE小于1的探討
數(shù)據中心從業(yè)者為減少數(shù)據中心能耗，推動行業(yè)向綠色數(shù)據中心發(fā)展的過程中，提出了PUE概念，即數(shù)據中心消耗的所有能源與IT負載使用的能源之比，PUE = 數(shù)據中心總設備能耗/IT設備能耗。當前，PUE值已經成為國際上比較通行的數(shù)據中心電力使用效率的衡量指標，越接近1則可認為該數(shù)據中心越綠色節(jié)能，那么PUE是否可能＜1呢？
在以往定義中，PUE=數(shù)據中心總設備能耗/IT設備能耗，理論計算上，將能耗*電費，PUE則可以=總電費/IT用電費用，如果我們把余熱回收帶來的收益算進去，IT自身產生的廢熱被再次利用，且被利用的足夠充分，是否可以實現(xiàn)PUE＜1？
以該項目為例，余熱回收不會改變傳統(tǒng)PUE定義，但是從費用角度看PUE，它發(fā)生了顯著的變化：
根據初步估算數(shù)據顯示，引入余熱回收后，PUE值有明顯變化，當考慮全年余熱回收時，PUE值實現(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)據中心傳統(tǒng)能源評估模式的一次嘗試。
當然，這里只是就余熱回收和PUE這個話題作一些有意思的探討，騰訊數(shù)據中心從來不追求極致的PUE指標，而是更關注對運營的極致追求。
圖4.騰訊天津數(shù)據中心
由于該項目于2019年10月落地，騰訊天津數(shù)據中心將用一年時間記錄改造后余熱回收的節(jié)能及成本分析，對比數(shù)據中心能耗，驗證其在數(shù)據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)據中心行業(yè)內成熟應用的案例在國內還是少數(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算數(shù)據中心產出的大量廢熱進行收集，供企業(yè)建筑及民用建筑供暖，并將冷卻后氣體輸送回數(shù)據中心用于末端降溫。芬蘭和挪威等國家部分地方政府與當?shù)財?shù)據中心簽署熱量回收意向書，向數(shù)據中心購買熱量提供給周邊社區(qū)居民，惠及大眾。
縱觀國內數(shù)據中心對于冷源系統(tǒng)的研究主要集中在制冷機組性能能效提高，冷熱源技術方案優(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且加劇城市熱島效應。近年來，我國北方地區(qū)開始建設大型數(shù)據中心，基于北方采暖需求，若將數(shù)據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?；诖?，我們提出以下能源利用方案：
1.在數(shù)據中心外建立一個能源站，將數(shù)據中心余熱回收利用后產生的中高溫水并入市政熱力管網，實現(xiàn)冷量和熱量的合理利用。
2.能源站在為數(shù)據中心提供冷源及為市政熱力管網提供熱源的同時，將采用燃氣發(fā)電技術，供數(shù)據中心用電。
3.能源站采用直燃熱泵制冷制熱，熱泵維護期間，峰平時段利用自發(fā)電、谷值時段利用低谷電，通過磁懸浮熱泵制冷。
該方案將改變數(shù)據中心傳統(tǒng)基礎設施冷量和電力供給方式，利用能源站保證數(shù)據中心雙冷源和雙電來源同時（對于T1、T2級別數(shù)據中心可完全依賴能源站冷電源，免去基礎設施建造成本），還可將余熱作為盈利來源，以較低價格售賣給熱力公司，如若走北歐政府簽約模式，居民即可以較低價格獲取市政采暖，不僅減少數(shù)據中心成本，同時減少自然能源使用，一舉多得。
五、結語
本文在對數(shù)據中心余熱回收技術方案、能耗分析及其推廣復用性做了初步分析，以騰訊天津數(shù)據中心余熱回收供辦公樓采暖為案例，分析該方案實際應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)更加關注非可再生能源的消耗。本文分析得出以下結論：
1. 騰訊天津數(shù)據中心提取全園區(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50余萬，減少能耗標煤量達1620.87噸，相當于減少約4040噸二氧化碳排放量，碳排放當量約為種植22萬棵大樹，年節(jié)能量達461.62噸，總節(jié)能率達28.48%。
2. 回收騰訊天津數(shù)據中心冬季全部余熱，熱量用于采暖可覆蓋的面積達到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16萬噸，碳排放當量約為種植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)據中心冷源電源供給方式，建立外包能源站，將數(shù)據中心余熱并入市政熱網，通過熱泵技術為數(shù)據中心提供冷源和用戶采暖，并用燃氣發(fā)電技術為數(shù)據中心供電，實現(xiàn)數(shù)據中心冷熱電源自產自銷，熱源對外售賣可獲得盈利，正向引導業(yè)內廠商主動向綠色數(shù)據中心靠攏，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)據中心行業(yè)內。
