一、我国数据中心余热回收各级政府政策导向
　　
　　为了引领数据中心绿色发展，国家有关部委发布了一系列的相关政策，如表1所示，不少政策将余热回收纳入技术推广的范畴。
　　
　　各地政府积极响应中央及国家部委相关政策，发布适用于本地绿色数据中心发展的相关政策。
　　
　　其中8个国家努力枢纽节点除处于我国南部的粤港澳大湾区枢纽没有特别提及余热回收外，其他枢纽节点均对余热回收提出了具体要求。北京、宁夏、四川、重庆、上海及浙江等省市均为多部门联合发布相关政策，确保各个部门统一联动；甘肃、上海、江苏及安徽等省市同时给出了具体实施意见或者具体举措。
　　　　
　　国家部委及省市层面上述这些相关政策起到了积极的引导作用，随着后期配套政策进一步细化，逐步落实，必将进一步推动数据中心余热回收技术的蓬勃发展。
　　
　　二、数据中心余热回收评价指标
　　
　　1.性能评价指标
　　
　　电能使用效率(power usage effectiveness,PUE)是绿色网格(The green grid,TGG)提出的数据中心能效指标，广泛应用于数据中心的节能评价，其计算公式如式(1)所示：
　　                
　　式(1)中：EDC是数据中心消耗的所有能源；EIT为数据中心IT设备消耗的能源。PUE值大于1，越接近1表明非IT设备耗能越少，即能效水平越好。
　　
　　同时，TGG提出采用能源重复利用系数(ERF)来量化数据中心消耗能源的再利用情况，可用于评价数据中心的余热回收性能，其计算公式如式(2)所示：
　　               
　　式(2)中：Ere为回收重复使用的能源。由式(2)可知，ERF值越大表明回收重复利用的能源越多。再生能源利用效率(ERE)是TGG提出的另一个用于评估余热回收的性能指标，其计算公式如式(3)所示：
　            　
　　由式(3)可以看出，与PUE类似，ERE值越小，表示再生能源的利用效率越高。
　　
　　另外，标准煤节约量、二氧化碳排放量也是低碳大环境下引入关注的评价指标。
　　
　　2.经济价值评价指标
　　
　　经济效益是热回收技术推广的驱动力，投资回收期是常用的经济评价指标，对于热回收系统而言，投资回收期就是因增加热回收系统而增加的投资成本从节省的运行费用中回收回来需要的时间。其计算公式如式(4)所示：
　       　
　　式(4)中:Ps为投资回收期(a);Ci为初投资增加成本(元);Os为每年节省运行费用(元);Cr热回收系统初投资(元);Co原参照系统初投资(元);Oo原参照系统年运行费用(元);Or热回收系统年运行费用(元)。
　　
　　三、数据中心余热形式
　　
　　就服务器散热而言，目前主要有3种途径：风冷、液冷及风液混合冷却。风冷通过循环空气冷却服务器，液冷则是通过液态工质冷却服务器，而混合冷却则是服务器的主要发热元件(如CPU、GPU)采用液冷冷却,其他元器件仍然通过空气冷却,典型的应用是冷板式液冷服务器。风冷及液冷服务器可以利用的主要余热品位如表2所示。
　　
　　
　　相关测试研究表明,CPU可以承受的极限温度为120℃,服务器芯片的极限温度为85℃,两相液冷服务器数据中心的余热温度可以达到75℃,理论上,若在服务器芯片热源侧直接利用余热,则余热温度可达到85℃。
　　
　　四、数据中心热回收技术
　　
　　1.数据中心余热供热
　　
　　1）风侧余热利用技术
　　
　　冬季时寒冷地区可以直接利用UPS间的余热将电池室维持在适宜的充放电温度范围内。集装箱移动式数据中心可以将高温排气直接接入温室大棚加以利用,或者引入保温热箱进行动物养殖。新风直接自然冷却场合,冬季低温时可以利用室内余热化霜、提高室外新风温度。
　　
　　如图1所示,L1等提出采用数据中心室内排风搭配室外太阳能集热器一起为固体除湿床提供用于脱附再生的热风,数据中心的排风提高了集热器空气入口温度,而太阳能集热器又进一步提高了数据中心的排风余热品位,扩大了其应用范围。
　　
　　国疆等设计全热交换器在冬季间接利用数据机房及变配电室的回风余热将辅助用房、门厅及运维监控室维持在适宜温度。另外,通过加装空气水(乙二醇溶液)换热单元、空气源热泵和水机或者专门用于热回收的空调箱机组等方式也可以间接回收空调回风余热。DASHTEBAYAZ等提出将风冷热系统的蒸发器设计在数据中心空调的回风管中回收余热,通过数值模拟及节能分析发现,回风温度由24.85℃提升至29.85℃,ERE由2.3降至1.6左右,热回收性能效益提升明显。
　　
　　回风直接余热回收技术简单,但应用场景相对狭窄;回风间接余热回收可将余热转化成其他形式进行回收,适用面较广,但空气的比热容低,热回收的末端换热单元尺寸通常较大,应用受限。总体而言,无论是回风直接余热回收还是间接余热回收,大规模的实际应用项目并不多。
　　
　　2）水(液)侧余热利用技术
　　
　　数据中心利用水冷冷水机组提供冷水的应用场合,可以在冷却水或者冷冻水侧进行余热回收,无论是冷却水还是冷冻水,提供热量的品位都比较低,无法直接利用,需要热泵机组将温度作进一步的提升,这两种系统常见的设计如图2所示。
　　
　　关于冷却水侧和冷冻水侧余热回收轨优劣的争论由来已久,不少学者就冷却水与冷冻水侧进行余热回收的性能进行了对比分析,发现两种方式各有利弊:张飞等认为冷冻水侧余热回收系统更加成熟稳定,建议在冷冻水侧进行余热回收;OR等通过分析发现,冷却水热回收的ERF(0.55)明显优于冷冻水热回收的ERF(0.25～0.45),更应推崇。不同项目考虑的侧重点不同,所以具体项目宜具体分析,选择符合项目需求的热回收方案。
　　
　　大中型的液冷服务器数据机房液冷系统通常另外单独采用冷却塔或者干冷器进行散热,如图3所示,不同于常规空调系统仍需要利用热回收热泵机组进行温度提升,由于液冷系统的水温较高,可以利用换热器直接向区域供热系统供热。OR等研究表明,液冷冷板的不同连接方式对于余热回收的效果有直接影响,4个冷板串联系统的ERF超过0.45,单个冷板并联系统的ERF却不到0.25,冷板串联后系统的ERF提升非常明显。
　　
　　数据中心内部热量需求低,余热回收后数据中心可以作为消费生产者对外供热,所以解决数据中心余热回收区域供热的高效输送尤为重要。并举等提出如图4所示的适用于数据中心余热回收的长距离供热系统,该系统采用多级热泵方式可以确保热量用户使用侧和数据中心余热回收侧的小温差运行,同时实现储热装置储热以及长距离管路输送的大温差运行,提高了数据中心的余热利用率。
　　
　　配备蓄热设备可以对负荷的瞬时冲击,利用低谷电价进行热量储存可以有效降低运行成本。蓄热水箱是常用的蓄热设备,应对负荷瞬时变化的水箱容积大小依据保证可顺利实现热泵与水箱的循环加热以及日用水高峰时段充分供热进行确定,利用降谷电价差异的蓄热水箱取决于低谷电价时需要储存热量的多少。虽然蓄热水质没有发生相变,需要的空间大,而相变材料(PCM)的蓄热密度高,可以减少蓄热装置占用的空间。但目前完全用PCM蓄热装置替代水箱的做法在经济性及缓冲水温平衡上尚存在挑战,将PCM集成到集热水箱中或与水箱分体连接使用前也处于实验研究阶段。后续PCM蓄热装置技术进一步成熟,与热泵系统及负荷侧耦合的定量研究解决后有望在数据中心余热蓄热上推广应用。
　　
　　为了解决冬季及夏季热量需求不平衡问题，利用地（水）源热泵进行跨季节蓄热是目前的研究方向。如图5所示，在非供暖季，当室外温度较低时数据中心利用冷却塔搭配板换，充分利用自然冷源供冷；当室外温度较高时，则利用冷水机组进行供冷，同时回收数据中心的余热，将其储存在干浅层地热井中；冬季时采用热泵机组同时为数据中心供冷及周边用户供暖，另外再开启地源热泵利用夏季储存的数据中心余热供热补充供暖量。此类方案适用于我国北方寒冷地区数据中心附近有大量供热需求的应用场景。
　　
　　L1等则进一步提高将蓄热水箱及地源热泵蓄热结合起来解决数据中心余热回收无法满足区域供热的瞬时负载及冬季长期的热量需求，以挪威的一个校园区域供暖系统为例，研究表明蓄热水箱可以降低32%的峰值负载，而地源热泵蓄热则可以将余热利用率提高至96%。
　　
　　2.数据中心余热制冷
　　
　　1)余热回收吸收式制冷
　　
　　如图6所示，理论上吸收式制冷系统可以在发生器上利用数据中心余热作为工作热源。研究发现，余热回收吸收式制冷不仅消耗了需要冷却的数据中心废热，而且为数据中心提供一定的冷量，可以显著降低数据中心的制冷功耗。EBRAHIMI等分析发现余热回收吸收式制冷可以降低数据中心90%(2MW数据中心)至98.9%(10MW数据中心的冷量需求。AMIRI等对4.5MW及13.5MW的数据中心进行分析发现，利用余热回收吸收式制冷每年分别可比节省4340000kWh及13025000kWh；每年可以分别减少3068K及9208K的CO2排放量。
　　
　　CHEN等提出一种数据中心复合系统，该系统结合了高冷却效率的喷雾液冷、调峰管冷水箱以及余热回收吸收式制冷，吸收式制冷机组和调峰管冷水箱可以完全满足数据中心风冷服务器高峰时段的冷量需求。KHALID等提出蒸汽再压缩系统，相对于常规水冷系统，该系统可将性能提升约30%，可降低约33%的运行费用。余热温度不高，余热量不足的应用场合中心也可通过太阳能集热等方式补充提升余热品位满足吸收式制冷的驱动热源温度及热量的要求。
　　
　　2）余热回收吸附式制冷
　　
　　过低的工作温度会降低吸收式制冷的COP，同时引起系统不稳定，这一特性限制了其在数据中心余热回收的推广及应用。近年来，业内学者对于吸附式制冷进行研究发现，吸附式制冷55~90℃的驱动解吸热源温度相较于吸收式制冷的热源工作温度有了较大幅度的降低，更加贴近数据中心余热回收的实际应用。
　　
　　由于吸附式制冷的驱动温度及热源要求低于吸收式制冷，早在2012年ZIMMERMANN等就提出吸附式制冷是数据中心余热回收的潜在手段；2013年MEYER等通过试验证实超算服务器可以在满足吸附式制冷运行高达70℃的出水温度下工作。但直到2017年业界才正式报道首个应用于全球500强超级计算机余热回收的吸附式制冷原型机，这些吸附式制冷机组耗功6kW，可以回收95kW的数据中心余热，同时产生50kW的冷水。
　　
　　上海交通大学教授王如竹团队设计了如图7所示的硅胶-水吸附式制冷机组，在51.4~61.3℃的驱动热源下，可以产生18.8~22.4℃冷冻水，系统COP值为0.285~0.477，该团队依据驱动热源温度56℃时机组的性能进行分析发现其投资回收期低于1a。彭佳杰等对于吸附式制冷机组在46.1~61.5℃的热水进口温度进行了测试，发现机组的制冷量和COP值随热水进口温度和冷冻水出口温度的提高而增大，为了进一步降低系统稳定运行的驱动热源温度，DU等在试验的基础上提出了潜在的吸附剂和可能的优化策略，上海交通大学设计的用于数据中心低品位余热回收的紧凑型吸附制冷机荣获第七届中国制冷空调创新竞赛研究生组特等奖，从侧面反映出吸附式制冷在数据中心余热回收中具有广泛的应用前景。
　　
　　3.数据中心余热发电
　　
　　1）有机朗肯循环发电
　　
　　数据中心余热回收有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle,ORC）发电的原理如图8所示，有机工质在蒸发器中从数据中心冷却系统中吸收热量后发生相变生成蒸汽，工质蒸汽在透平膨胀对外做功，从而驱动发电机发电。在透平机做功后排出的低压蒸汽在冷凝器中冷凝放热变成液态，最后通过工质泵泵回至蒸发器，如此不断地循环。
　　
　　ORC通常驱动热源温度不宜低于65℃，而且较低数据中心余热品位使得ORC发电的系统效率较低，大约5%～20%，且投资回收期较长，通常需要6～7a。EBRAHIM等从ORC发电理论上进行分析，认为R245fa是数据中心余热回收ORC发电的理想工质，经济分析发现在电价较高地区投资回收期可低至3.5a。ARAYA等搭建了一个适用于数据中心余热回收的ORC发电试验原型机，该原型机可在40℃以上的余热温度下工作，试验显示余热温度43℃时热效率为1.9%，余热温度81℃时热效率可达4.6%。为了更好地利用常规数据中心的余热，扩展ORC发电在数据中心的应用范围，MARSHALL等提出利用热泵提升余热温度辅助ORC发电系统。
　　
　　2）热电发电
　　
　　热电发电技术是另一个可以利用数据中心余热进行发电的潜在技术，根据塞贝克效应，当具有不同的传导能带能级的两种不同材料(如半导体)受到温差时，会产生电压。相反，当施加电压时，会产生温差。一个标准单极热电模块的工作温差70℃，热侧温度80～175℃左右，这么高的散热温度通常只有两相液冷服务器才可能达到，另外，低转换效率及高投资也限制了其在风冷服务器数据中心的应用。ZHOU等提出了如图9所示的基于串并联方案的新型环路热管（looped heat pipe,LHP）和热电发电机（thermo electric generator,TEG）耦合系统，降低了蒸发器与冷凝器的温差，试验显示该系统在热源温度低于85℃的条件下可以从185W的热量中获得0.5W的电力，电力输出有了显著提升。
　　
　　尽管业内很早就关注到数据中心余热发电的可能性，且进行了大量的研究，但实际应用尚不成熟。ORC发电已经有具体应用的实际试验原型机，热电发电技术尚处于原理试验阶段。
　　
　　4.综合应用
　　
　　不同余热回收技术的综合使用引起业内关注：CHEN等提出利用数据中心余热同时供冷及发电的6种系统，从热力学和经济性能两个方面对性能进行评估，结果表明，有机朗肯循环ORC/吸收式制冷循环混合系统具有最佳的热经济性能；LIN等综合利用CO2热泵机组冬季余热供热及强化锂吸收制冷机组夏季余热制冷，取得良好的热回收效果；LI等设计CO2热泵机组及CO2存储系统实现余热回收制冷、发电及提供生活热水多种应用。
　　
　　五、余热回收后数据中心PUE及其变化趋势
　　
　　尽管业内有部分学者认为PUE对于数据中心热回收而言不是一个友善的评价指标，但是PUE仍然是数据中心非常重要节能评价指标。如表3所示，不同的学者对采用不同热回收方式的数据中心PUE进行了研究。
　　
　　由表3可以看出，除了博登原型数据中心采用新风自然冷却具有极低的PUE外，液冷服务器数据中心的PUE仍普遍低于风冷服务器数据中心，采用热回收后，数据中心PUE的这一趋势没有发生变化。采用热回收后，并没有改变PUE值随着数据中心项目地点气候条件的变化趋势；严寒地区<寒冷地区<温和地区<夏热冬冷地区<夏热冬冷地区。热回收用于制冷可进一步降低数据中心PUE，热回收发电理论上可以突破PUE大于1的限制，甚至可以达到0.977。从文献汇总来看，PUE实测集中在热回收供暖应用上，而其他应用的研究则集中于试验研究及理论计算，这也从侧面反映了余热供热的实际应用程度较高。
　　
　　另一个需要特别关注的是采用热回收后，数据中心PUE的变化趋势。部分学者对这一问题进行了分析，详见表4所示。　　
　　由表4可以看出，余热回收用于采暖时，数据中心PUE的变化呈现出上升、下降及不变3种迥然不同的情况。将专门用于热回收的热泵机组的用电量计算在数据中心耗电中，且参照系统原本没有类似热泵机组，则PUE值不降反升，基于此，WANG等认为PUE不能用于作为产销者数据中心的评价指标。不将供热系统的耗电量计算在数据中心用电范围内时，同样利用湖水自然冷却，安装在机房空调制冷冻水管路上可以利用热泵提供更低温的冷水从而进一步降低PUE，而安装在湖水侧，则对于数据中心PUE无任何影响。不少应用场合，热泵机组不仅可以提供热量，同时可以提供冷量，且机组效率优于对比系统，此时PUE值呈下降趋势。所以，即便是产销者数据中心，PUE仍是可用的评价指标，但若对外提供热量(冷量或者电力)的相关功耗从数据中心的功耗中剔除。
　　
　　六、余热回收经济价值分析
　　
　　良好的经济效益是余热回收技术的推动力，部分不同热回收应用的投资回收期分析如表5所示。
　　
　　从表5可以看出，总体而言，余热回收制冷可以消纳热量同时产生数据中心常年需要的冷量，投资回收期较另外两种用途更短；余热发电投资回收期相对较长。余热回收供热回收期与参照系统的初投资及供暖时长密切相关；与参照系统投资差异较大，回收期越长，研究对象均为东江湖数据中心，参照系统为燃气锅炉回收期需要4a，若参照系统为风冷热泵则回收期仅需要1.88a；由文献研究可以看出，所处位置越北，供暖期越长，回收期越短。
　　
　　从表5看出余热回收供热另一个显著特点是含蓄热系统(蓄热水箱、土壤源蓄热)的投资回收期普遍较长，这一现象与LJ等对于蓄热的专门研究的结果非常契合，在降低余热回收供热平衡供热峰值及热量季节迁移的投资回收期上还需进一步探索。如图10所示，张飞等通过分析总结发现，热回收率对于余热回收供热回收期的影响大，应尽量提高数据中心的余热回收率。滕世兴等提出采用二级泵制冷结合水源热泵系统的架构，可以确保系统在高达86.3%的热回收比例下可靠稳定运行，该系统的回收期仅120d。当然，余热回收应用应结合当地气候条件(采暖需求)、基础设施(热力管理)以及市场经济情况(电力价格)等进行综合评估，择优选择。
　　
　　充分利用数据中心的余热回收，协调多种能源互补，灵活配置，可以进一步提高综合利用能力，能源系统的综合设计非常重要，顾虑光通过分析选择合理的数据中心余热回收系统方案不仅降低运营费用，而且节省了初投资。区域能源综合利用将是数据中心余热回收的重要发展方向。
　　
　　七、结论与展望
　　
　　文章回顾了数据中心余热回收技术的研究进展及应用情况，可以得出如下结论：
　　
　　1）数据中心余热供热技术成熟度高，应用实例较多，具有良好的节能减排效果，投资回收期普通较短。对外区域供热是余热供热的应用方向，瞬时热负荷响应、供热半径探讨及余热季节迁移是目前的研究热点。
　　
　　2）吸收式制冷及吸附式制冷技术成熟可靠，理论上均可以用于数据中心余热回收；余热制冷消耗数据中心废热同时提供冷量，可以显著降低数据中心PUE，投资回收期短。相对于吸收式制冷，吸附式制冷要求的热源驱动温度更低，具有更优的实践操作性及推广前景，但传统风冷服务器数据中心的余热品位与其要求的热源温度仍有一定差距，与液冷服务器数据中心的结合应用是其发展方向。
　　
　　3）ORC余热发电技术成熟，但驱动热源温度接近数据中心的余热品位临界值，发电效率有待提升；热电发电技术是数据中心余热发电的潜在技术，处于实验台性能试验阶段。余热发电技术理论上可以将PUE降至1以下，降低初投资，提升系统效率才能进一步落地其在数据中心的实践及应用。
　　
　　4）从2个方面综合利用数据中心余热：一方面，协调多种能源互补，灵活配置，结合数据中心余热回收发展园区能源综合利用系统；另一方面，综合利用数据中心余热回收制冷、发电及供热的多种应用，实现余热效益最大化。（转载自《制冷与空调》）
　　
　　编辑：Harris
　　
　　　　
　　

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