摘要：我国数据中心产业快速发展，其能耗及余热回收利用技术日益受到关注。分析数据中心的能耗特点及冷却方法，详细介绍不同数据中心余热回收利用技术，讨论有效和经济合理的回收利用数据中心余热的方式，进一步对数据中心余热用于跨季节相变储热的应用前景进行深入研究。结果表明，数据中心排热量大且稳定，跨季节相变储热能够提高余热利用率，解决供暖在时间、空间上的供需不匹配问题，有效保障全年供热的平稳。
引言
数据中心是信息生产、计算、储存、传输的物理载体。“东数西算”将东部算力需求有序引导到西部，优化数据中心建设布局，促进东西部协同联动。数字经济发展速度快、辐射范围广、影响程度深，正在成为重组全球要素资源、重塑全球经济结构、改变全球竞争格局的关键力量。根据数字经济需求变化，数据中心的建设规模不断扩大，其设计必须遵守绿色低碳的理念。
工信部2021年7月印发的《新型数据中心发展三年行动计划（2021~2023年）》提出，全国数据中心机架的建设规模年均增速在20%左右。数据中心能耗总量也在不断增长。2018年我国数据中心的总用电量达1 600亿kWh，占中国总用电量的2.5%。按照目前的增长速度，2023年我国数据中心的总用电量将达2 600亿kWh，相当于2.6个三峡大坝的年发电量；2030年可能突破4 000亿kWh。
数据中心用电量中的很大一部分被转化为废热。数据中心散热量大，直接将废热排入大气会造成能源浪费，促使全球气候变暖。数据中心余热属于低品位热源，可适配的余热利用技术相缺乏。由于液体的比热容和导热性能远高于空气，采用液冷技术的数据中心余热品位更高，且易于回收，余热回收的可行性增大。文中对数据中心余热利用现状进行梳理，并分析利用数据中心余热跨季节储热。
1数据中心发展趋势
1.1数据中心规模与能耗分析
2015~2019年，全球数据中心规模总体平稳增长，数据中心机架数量由637.4万架增长至750.3万架，年均复合增长率达到4.16%，全球数据中心建设速度整体呈增长趋势。我国数据中心机架规模也持续增长，大型以上数据中心规模增长比较迅速。截至2021年底，我国在用数据中心机架规模达到520万架，其近五年的年均复合增速超过30%。
数据中心能耗指数据中心各种用能设备消耗的能源总和，用能设备主要包括：服务器、交换机、空调、配电、安防和照明系统等。数据中心能耗一般为120~940 W/m²，部分大型数据中心能耗甚至达到1 080~3 230 W/m²。
1.2数据中心冷却技术
数据中心冷却技术主要包括自然冷却技术、空气冷却技术与液体冷却技术。为了保证数据中心内部服务器的高效使用，防止服务器故障，服务器内空气温度应该保持18~28℃。自然冷却技术是1种空气冷却技术，利用环境冷空气冷却。自然冷却技术的节能效果在很大限度上取决于外部环境的温度和湿度条件，更适合低热密度的数据中心。传统的采用风冷技术的数据中心通过机房的专用空调产生冷空气给IT设备降温，风冷系统中热冷通道如图1所示。
图1风冷系统中热冷通道
大型数据中心的水循环制冷系统基本都采用水冷式冷水机组的制冷系统，该制冷系统比风冷式冷水机组的制冷系统更节能。液体冷却技术又被分为间接式冷却和直接式冷却两大类，前者将冷板附着在电子元器件上，利用冷板里流动的液体带走热量，后者将电子元器件直接浸没在专用的液体里。
2数据中心余热利用现状
2.1数据中心余热特点
数据中心余热指通过冷却系统以冷却水、空气或冷凝热形式离开数据中心的能量，由于数据中心一般规模较大且需要不间断运行，其余热具有余热品质较低、热量相对稳定、产热量大的特点。数据中心风冷系统余热温度通常为25~45℃；液冷系统可在靠近CPU等部位捕获热流，余热温度通常为60~75℃。
2.2余热直接利用技术
数据中心余热直接利用技术中，风管与数据中心内的热通道相连，机架设备散出的热空气直接被输送至有需要的区域，数据中心余热直接利用系统如图2所示。余热直接利用系统简单，造价低廉，可以被应用于短距离运输、规模小的情景。数据中心机房附近的小房间（管理房、备品间等）可以直接利用其热空气采暖。
图2数据中心余热直接利用系统
2.3热泵回收技术
传统数据中心风冷系统利用热空气供暖时，需要更高质量的热量，此时可以利用热泵系统提高余热温度，风冷系统中余热与热泵系统的结合如图3所示。DeymiDashtebayaz[17]等利用热泵技术回收数据中心余热，该系统可以节省机械冷却的电能消耗以及面积为416 m²的相邻办公楼的天然气燃料消耗，提高数据中心的电力使用效率、能源再利用系数和能源再利用效率。
图3风冷系统中余热与热泵系统的结合
如表1所示。集中供热更适合液冷服务器废热捕获温度较高的情况，液冷型数据中心产生的余热可直接用于区域供暖或生活热水生产，热泵可在温度不能满足要求时启用。液冷系统中余热与热泵系统的结合如图4所示。
表1部分数据中心余热热泵回收项目的参数
注：“—”代表文献中未列出该数据，下表同。
图4液冷系统中余热与热泵系统的结合
2.4制冷回收技术
研究在吸收式冷却循环中使用数据中心余热。在蒸汽压缩制冷循环中，压缩机消耗功率很大。因此采用吸收式冷却替代或辅助空调机房，不仅可以降低系统运行所需的功率，还可以将数据中心余热用作吸收式发电机热源，数据中心余热与吸收式制冷系统的结合如图5所示。Haywood等利用数据中心余热驱动单效溴化锂水吸收式制冷机组。彭佳杰等将硅胶-水吸附式制冷机组应用于数据中心余热回收且给水冷背板系统提供冷量，满足服务器直接水冷和水冷背板的需求，具有显著的节能效果。
图5数据中心余热与吸收式制冷系统的结合
2.5有机朗肯循环发电技术
数据中心的余热可以通过有机朗肯循环(ORC)直接发电，数据中心余热与有机朗肯循环系统的结合如图6所示。
图6数据中心余热与有机朗肯循环系统的结合
ORC的工作原理与蒸汽朗肯循环相同，但使用沸点较低的有机流体作为工作流体。ORC是数据中心余热回收的一个可行手段，可以利用余热生产低成本电力，通过减少整个数据中心的电力消耗产生经济效益。数据中心余热用于有机朗肯循环发电的研究属于起步阶段，整体循环效率相对偏低。
2.6余热储存回收技术
余热储存回收技术可以有效降低供给侧的用热成本，减少化石燃料的燃烧和有害气体的排放。部分数据中心余热储存回收技术案例如表2所示。
表2部分数据中心余热储存回收技术
数据中心排出的热量经过蓄水池或储热罐进行回收存储，需要时释放储存的热量进行放热，以便于解决供需不匹配问题。Oró等将数据中心余热用于室内游泳馆空调系统，通过出售多余的热量，运营费用降低18%。
3数据中心余热跨季节储热分析
数据中心年余热排放量较高。经调研，济南某数据中心年余热排放量约为2.20×10（15次方）J；芬兰南部的基卡科努米市利用数据中心年余热排放量约为1.314×10（14次方）J；位于河北省张家口市张北县的阿里巴巴张北数据中心阿里云张北数据中心年余热排放量约为5.67×10（15次方）J；天津滨海数据中心年余热排放量约为1.89×10（15次方）J；中国移动（广西）数据中心年余热排放量约为2.83×10（15次方）J。
跨季节储热技术在非供暖期间进行储热，在供暖期间将储存的热量供给需求侧，数据中心余热跨季节储热结构如图7所示。理论计算时需要注意：余热排放过程中暂不考虑热损失；无机相变材料暂不考虑其过冷与相分离现象；假设相变材料到达相变温度点完全相变。
图7数据中心余热跨季节储热结构
3.1无相变储热
无相变储热利用水箱、岩石类、埋管、含水层等对数据中心余热进行蓄热，将余热热量传递给介质，达到储存目的。将数据中心排放的余热用于显热储存，在非供暖时期，利用多温区连续集热技术将数据中心产生的余热储存在大型蓄水池内；在供暖时期，通过高能效热泵技术利用数据中心余热，实现寒冷区域跨季节低碳供暖。
无相变蓄水池储热容积Qj为：
式中：c——水的比热容，J/(kg·K)；m——水质量，kg；tb——余热加热的终温，℃；tm——为蓄水池的初温，℃。
显热储热具有质量大、体积大、储热密度小的特点。部分数据中心余热无相变储热的蓄水池储热容积如表3所示。
表3部分数据中心余热无相变储热的蓄水池储热容积/m²
3.2相变储热
潜热储能技术利用相变材料存储液态和固态相变中的潜在能量，具有比显热储能更高的空间效率。直接接触式相变储热器中，传热介质与相变材料直接混合接触，无壁面导热热阻，换热系数较高，效率更高。利用数据中心余热时，相变潜热更高的材料的储热效果更好，可以选取六水氯化钙和三水和醋酸钠作为储热罐中的相变材料，相变材料的物性参数如表4所示。
表4相变材料的物性参数
相变材料储热罐储热容积Qj'为：
式中：mx——相变材料质量，kg；Δh——相变材料的相变热，J/g。
相变储热技术的储热密度大且建造容积小，温度波动幅度小，部分数据中心余热相变储热的热罐容积如表5所示。
表5部分数据中心余热相变储热的储热罐储热容积/m²
3.3有无相变储热的经济性对比分析
上述案例中，阿里巴巴张北数据中心的建造容积最大，因为其排热量最大。余热温度不同时，影响系统建造容积的主要因素是温差，温差越大，所需建造容积越小。液冷系统排出的余热温度相对较高，温差较大，其建造容积小于风冷系统。系统建造成本包括地皮、工商业用水、六水氯化钙、储热罐和建造费（含人工）。部分数据中心有无相变储热容积建造成本对比如图8所示。运用相变材料进行潜热存储的技术较蓄水池显热储热优势更大。
图8部分数据中心有无相变储热容积建造成本对比
3.4跨季节相变储热技术分析
数据中心余热跨季节储热技术符合国家节能减排政策，数据中心附近的工业园或居民小区可以充分利用其排放的余热进行生活供暖或用水。将数据中心余热作为冬季供暖的主要热源可以满足部分小区用户需求。储热计算过程如下：供暖时期将储存热输出给使用侧，非供暖时期储热输出热量为0。
式中：Q1——数据中心向储热水池提供的热能，kJ；Qi——储热水池或储热罐的内能变化量，kJ；Q2——储热水池或储热罐的散热量，kJ；Q——储热水池或储热罐的取热量，kJ。
储热水池或储热罐的内能变化量Qi为：
其中：V——储热水池的容积，m³；ρ——水的密度，kg/m³；C——水的比热容，J/kg；ts——s时刻储热水池内的水温，℃；ts+1——s+1时刻储热水池的水温，℃。
上述案例中的数据中心余热用于跨季节储热，计算非供暖期间利用相变材料储热的热量。规范公寓楼冬季供暖指标为150 W/m²，普通小区建筑面积约80~120 m²，小区用户约1 000~3 000户。数据中心余热跨季节相变储热及供暖情况如表6所示。利用数据中心余热进行跨季节相变储热，几乎可以满足小区整个冬季供暖。
表6数据中心余热跨季节相变储热及供暖情况
注：储热介质为三水合醋酸钠，储热温度为60~75℃。
4结语
文中对数据中心余热回收利用技术进行探讨，在此基础上讨论数据中心风冷系统和液冷系统分类集成的适用性。可以得出以下结论：与传统的风冷系统相比，液冷系统可以提供更高质量的余热，利用场景更丰富。将数据中心余热用于跨季节储热系统中，利用相变储热技术，在相变温度下能够储存更多的能量，同时可以减少蓄能装置空间以及建造费用等。相同储热量条件下，运用相变材料的储热罐储存容积比蓄水池储热容积减少4/5，成本降低1/6，并且返回的低温水可以降低数据中心系统的冷负荷，有效降低数据中心的PUE值。数据中心余热跨季节相变储热系统全年稳定运行，可以有效降低用户冬季的用热成本，减少化石燃料的燃烧，降低温室气体的产生。
本文作者：卢彬盛，何石泉，符军。
