集腋可否成裘？—浅谈IDC余热利用

1、余热利用方式

基于热力学第一定律与热力学第二定律，余热能量利用可以分为三种

直接利用：直接将热量使用，不借助于其他外部热源或能量，该种方法热能利用效率较高，但适应面较窄；

能质提升：通过外部能量使热能的品质提升，高品位的热源应用面较为广泛；

形式转换：通过外部能量将热能转化为其他形式的能量，如机械能、势能、电能等，应用范围更加广泛，但热能利用效率较低。

数据中心的余热资源具有分散性强、品位较低的特点，因此直接采用热量利用的方式不太可取，经过仔细的分析思考及查阅相关资料，结合腾讯某数据中心机房内的实测数据，我们提出以下几种适用于数据中心的余热回收可行性方案，仅供参考。

2、中高温热泵余热回收

中高温热泵的热力学过程为逆卡诺循环。其工作原理与家用空调机组相同，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，整个循环过程如图1所示。

图1热泵循环原理图与T-s图

工质进行逆卡诺循环的过程中，能效指标（COP=用热量/耗电量）与蒸发温度、冷凝温度及工质的种类有关。可以采用的工质有R245fa、R22等，当工质不变时，蒸发温度越高（余热源），冷凝温度越低（用热源），能效指标越高。例如：蒸发温度为50℃，冷凝温度为80℃，压缩机的功率为1kW，能效指标为4，表明压缩机耗电1 kW，将3 kW的余热量转化为4 kW的用热量。通过简单的计算，可以看出热泵技术的节能效果明显。目前地源热泵技术已经广泛应用于城镇采暖和生活热水。

在这个系统中，蒸发器就是一种热量回收的装置。回收数据中心的余热量有两种方式，一种是在冷却水回水管或冷冻水回水管上安装换热器，可以采用传统的管壳式换热器或板式换热器，让冷却水或冷冻水回水与热泵机组的有机工质发生换热，提升工质温度的同时，也降低了回水的温度，对制冷系统也起到了节能优化的作用。如图2所示为冷却水取热，这种方法较容易实现，对原系统的运行影响较小，冷却水温度越高则运行能效比就越高，但现状是夏季冷却水温度高但用热量小，冬季冷却水温度低却用热量大，较低温度的冷却水使得余热源品位不高，用热源若温度要求较高则达不到较高的COP，对于用热源需求不高的，如需要45-55℃的热水，该种方法可以起到较好的效果，例如用于洗浴、低温地板辐射采暖等等。如图3所示为冷冻水取热，冬季冷冻水回水温度将高于冷却水回水，因此热泵会有较高的COP，同等的能耗下冷冻水取热可比冷却水取热在冬天生产更高温度的热水，但这种形式对系统的安全性要求较高，实施起来稍复杂，因此采用冷冻水取热，冷冻水取热各有优势及不足，需根据实际情况进行衡量。

图2冷却水取热热泵循环流程图

图3冷冻水取热热泵循环流程图

另一种方式是直接在机房余热点进行换热，在对数据中心服务器热通道温度进行城乡测量的过程中，我们发现，服务器出风口表面的温度一般在60-70℃，局部热点可能达到了80℃,如图3所示。较高的温度一方面可能会影响服务器的运行并降低了使用寿命，另一方面热量品位较高，直接通过回风散失掉未免有些浪费。根据目前的换热技术，可以采用蛇形毛细管贴附在服务器机柜的内表面，布置在靠近热通道的一侧。基于有机工质低沸点蒸发的热物理性质，使工质吸收服务器的热量发生相变换热，如图4所示。工质在发生相变换热时，其换热能力是同温度下水的数倍，空气的数十倍。例如，当温度由60℃升高为70℃，水的换热量为41.89kJ/kg，空气的换热量为5.7 kJ/kg，有机工质（以R245fa为例）的换热量为174.71 kJ/kg，因此采用有机工质具有较高的换热效率。毛细管可通过分集液起连接在一起，布置在MDC微模块的两端，每组微模块设置一台热泵机组，热源在冷凝器中发生换热后产生的高温热水通过管道流出微模块供生产生活用热。这种直接换热方式目前来说可行性并不是很高，但热能利用效率很高，未来可能会有重大的突破。

图4数据中心服务器出风口表面温度热成像图

图5机柜取热热泵循环流程图

取出来的余热经过升温以后该怎么用呢？目前我国北方大多还是采用烧煤的方式供暖，一到冬天一个个的烟囱不停地冒着烟，非常污染环境。而数据中心是24小时工作的，24小时都在源源不断的产生热量，如果有条件的地区，收集数据中心的余热进行供暖，不仅数据中心可以节省能耗，城市也可减少煤的燃烧量，对环境治理有非常积极的作用。借助于中高温热泵技术，数据中心的余热可以用于管线伴热、办公区供暖和生活热水、附近小区供暖和生活热水、泳池加热等等。

以R18微模块为例，服务器满载情况下，服务器最大功率为120 kW，若通过热泵机组回收的热量为48 kW，压缩机耗功率为12 kW，热泵制热量为60 kW（热水供回水温度为75/60）。以腾讯某数据中心DC3机房为例，一个大IT机房包含12个MDC，共有12个大IT机房，故总产热量为8640kW。以当地采暖设计热负荷指标44.36 W/m2计算，总结可以承担供暖面积能够达到19.48万m2，因此采用这种方式供暖在理论上是可行的。在环境方面，我们粗略的计算一下，当总制热量为8640 kW时，节能减排量如表1所示。

表1热泵供暖节能减排量

（编辑：温州站长网）

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