网络中心机房电子设备废热综合利用途径探讨

文｜ 中国农业大学 袁小艳 陈 光

北京工业大学 孙 晗

北京科计通电子工程有限公司 黄群骥

1 序言

信息化时代的到来，对计算机能够处理的数据和运行速度有了越来越高的要求，芯片集成度有了大幅的增长。晶体管数目的急剧增加直接导致了芯片功率和散热量的增加，伺服器以高达3kW/m2～10kW/m2的热流密度向网络中心机房室内环境放热，随着服务器性能及功率的提高，热流密度还将继续快速攀升[1]。

电子器件正常的工作温度范围一般为-5℃ ～+65℃[2]，超过这个范围，元件性能将显著下降，不能稳定工作，也势必影响系统运行的可靠性。电子元件发生故障的概率是随温度的升高而显著增长，如果不能对CPU进行有效控温，将会引起CPU性能降低以至损坏，减少使用寿命，CPU元件温度每升高10℃，系统的可靠性降低50%。

空调降温是保障数据处理系统安全工作，避免出现烧毁、运转失灵的必需手段。美国APC公司113号白皮书指出，使用水冷式精密空调的网络中心机房用电效率可知：IT设备消耗了输入到机房总电能的30%，机房空调制冷系统消耗为45%[3]。国内机房用电能耗通常占办公楼电耗的40%～60%，机房部分水冷中央空调机房设计排热密度已达1.5kW/m2建筑面积，机房已经成为一个高能耗的“排热炉”。我国90%以上小型机房多采用空冷型空调机，排热密度已达0.5～1.0kW/m2建筑面积，机房消耗电能转换为热能排向室外，导致夏季机房室外机周边环境极度高温，产生“热岛效应”，严重导致机房降温不畅或引起设备烧毁；风机噪音、排热密度过高影响周边环境温度产生纠纷。

空调耗能占总输入电量的比例最大，其节能潜力也最大，近年来国内外机房空调各种节能技术得到迅速发展。如新风节能技术，直接引入新风或采用热交换新风系统（包括热管换热器、显热换热器、乙二醇换热器、自由节能机组以及板式换热器），但此类技术易堵塞系统，需频繁清洗设备。RandeepSingh等人[4]对水蓄冷的热管式冷凝器作了研究。李长云[5]提出三种利用自然冷源隔绝换热方案，王景刚、康利改等[6]在对廊坊的IDC机房空调进行了利用天然室外冷源空调节能改造，节电30%以上。尹贞 勤[7]、 钱 康[8]、Omar M.A1-Rabghi、Mohammed M.Akyurt[9]等都提出合理充分的利用室外新风作为冷源可以提高空调系统的能效，达到节能的目的。

其他研究者侧重于制冷设备的改进，如电子阀膨胀技术、水泵与压缩机变频技术、室外机雾化喷淋技术、蒸发式冷气机使用。也有关于中央空调动态流量空调节能控制系统的研究应用。

以上研究基本观点是将电子设备热能认为是“废热”或“垃圾”热，出发点在于“排”而非“变废为宝”。我国城市建筑密度大大高于西方发达国家，机房大多建在建筑密集的办公楼或居民区，一方面机房周边环境排热空间狭窄，另一方面临近建筑有大量的低位热（50℃以下）用于生活热水及建筑供暖的需求。通过对机房及周边建筑用冷热系统综合考虑、合理设计，充分利用机房电子设备废热来满足四季热水及冬季供暖的需求，既可以为数据中心降温，又可为临近建筑供暖及生活热水；在夏季部分缓减排热导致的“热岛效应”纠纷，又可满足冬季邻近建筑的供暖，机房空调运行能耗也可适当降低。

2 网络中心电子设备废热综合利用技术途径

目前数据中心的节能技术手段丰富。考虑安全可靠及成本、运营管理，将依据不同的机房环境及特定情况，机房空调领域提出了诸多节能方法：小型机房约90%使用高效空冷型精密空凋、大型机房约10%采用水冷—冷却塔散热的中央空调，其他节能技术如上提及的新风节能、压缩机变频技术、送风节能、机房温湿度设定值节能控制、机柜的不同布置方式等。

对于面积达上千及上万平米的数据中心，通常较为安全可靠且系统能耗较低的方式是冷冻水—水冷配合冷却塔散热的大型离心式蒸汽压缩制冷系统，其机房废热通过冷却塔排向环境，最终将电能转化为热能散掉，每天电能运营费高达几万至几十万。

以上两类空调制冷模式均采用向大气环境放热的形式，即单冷模式，没有有效利用排出的电子废热。

在数据中心邻近的建筑物有冬季供暖及全年生活热水需求，其温度范围在40℃～55℃即可满足。我国传统建筑供暖模式是采用燃煤、燃气锅炉配套暖气片散热取暖，这需要消耗不可再生的化石能源；国家“十二五”规划鼓励采用较为先进的地源热泵—地板采暖需要较大的场地提供低品位地能、太阳能—热泵联供—地板采暖受不稳定的太阳能并要求大型的储能系统才能持续可靠运行，在城市建筑密集群落不适宜推行。

将机房使用的单制冷模式按制冷热泵联合模式运行，制冷设备系统的制冷低温端（蒸发器侧）为机房提供冷量，电子废热则通过蒸发器吸热—压缩机增压升温—冷凝器放热，冷凝热通过水吸热循环至邻近建筑供暖系统。其综合效果实现了一台制冷机既制冷又供热，大大提高了系统的能源综合利用效率（能效比COP）。机房及其相邻建筑各取所需，节省了运行能耗费用，既改善环境又减少至少一半以上的高品位能源（电及化石燃料）消耗。

由于数据中心的电子设备发热稳定，全年恒定，若加以合理利用及设计可以满足周边普通办公生活，用建筑全年的热水及冬季供暖，符合可持续发展及节能减排的国家政策。

2.1 小型空冷型精密空调机的制冷—热泵运行模式

现有机房空冷型蒸汽压缩制冷系统模式，依靠风冷冷凝器向室外排出机房电器设

机房水冷与空冷互补型制冷热泵联合运行系统[10]（专利号201010202073.0），在传统系统压缩机与风冷冷凝器中串入热量利用系统，保障系统既有制冷降温的功能，又可利用废热用于供暖及洗浴；并对制冷系统起安全平衡保护作用。系统在有供热需求时，水冷冷凝器将其热量通过热量利用系统转换出来用于供暖与洗浴，其制冷系数较单风冷模式高5%～15%；在热负荷需求减少时，风冷冷凝器正常工作排热，对高温冷凝散热波动起平衡作用；在没有供热需求时，水—气排热器辅助风冷冷凝器工作保障制冷降温的首要目标。该联合制冷热泵循环模式能保障制冷的安全可靠运行并使制冷系统避免出现因高温高压保护而停机的危险。测试分析技术指标如表1所示。

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大型机房采用水冷—冷却塔散热的中央空调，其春末、夏季、初秋等季节，制冷机组运行如图3实线部分运行所示；其冬季如图4所示。

2.2 中央空调的制冷—热泵运行模式

非冬季低温冷却按如下原理运行：来自机房水冷机柜或冷交换器的13℃左右的冷却水被制冷机组蒸发器降温成为8℃的冷水，冷冻水进入水冷机柜或冷交换器，与电子设备环境进行冷交换后实现对机房降温控温；机房电子设备热通过制冷循环被水冷冷凝器带出，再通过冷却塔（水—大气热交换器）二次热交换将热量散至大气。冷凝器冷媒入口温度可高达80℃，出口温度约32℃。

冬季冷却塔大气冷却降温按如下原理运行：冬季制冷压缩机不启动，利用天然大气冷量自产冷冻水，从机房水冷机柜或冷交换器的13℃～18℃左右的冷却水进入冷却塔向大气排除热量，降温成为8℃～13℃的冷冻水，冷冻水进入水冷机柜或冷交换器，与空气进行冷交换后实现对机房降温控温。其缺点是：二次冷却塔虽然可以保障机房环境控制在要求温度（21℃），满足了机房降温的单一指标要求，但电能转化为热能没有得到利用，排向大气，其实是一种浪费，其系统制冷系数COP大约为5～6，即消耗空调用电能1kW,得到5～6kW的冷量；废热没有利用，可能对环境造成“热岛效应”。

利用机房制冷制热联合运行模式，可实现夏季为机房制冷，冬季运行机房制冷—临近建筑制热的综合利用效果，如图5所示。

3 网络中心电子设备废热综合利用经济效益分析

3.1 小型空冷型机房空调制冷—热泵运行模式

以北京市一个600m2面积机房空冷型空调为例，其空冷机组配置如下：1#机型其名义制冷量52.2kW机型4台，单台系统能耗22.6kW；2#机型名义制冷量33.1kW 机型3台，单台系统耗电14.4kW；全部空调设备总耗电133.6kW，每年总计耗电81.923万度。采用制冷热泵联合运行，可为5740～6760m2邻近建筑供暖，保守计算可至少为4000m2建筑供暖，或至少日产196吨热水。其中计算采暖建筑按60W/m2计热负荷；热水初始温度设为20℃，热水出口温度为45℃，热水量以整数计；最少供暖面积及最少日产热水按配置机器实际运行承担70%负荷、热损失15%计算；实际总耗电按70%设计电功率计。

供暖回收经济性分析：

（1）采用制冷热泵联合运行模式，机房设备总投入约120万元，邻近建筑4000m2采暖系统投入140万元，联合运行系统集成投入70万元，合计330万元；运行费用：机房空调设备运行65.55万元，供暖系统1.6万元，系统集成0.3万元，合计67.45万元，计算中未计算供暖季产额外的热水收益。

（2）单风冷机房空调与市政供暖独立：单风冷机房设备投入105万元，供暖系统投入140万元，市政供暖基础投入50万元，合计295万元；运行费用：单风冷机房空调设备运行65.55万元，供暖系统无，市政供暖11.2万元，合计76.75万元。

（3）单风冷机房空调与独立热泵供暖系统：单风冷机房设备投入105万元，供暖系统投入140万元，热泵装置及基础设施投入120万元，合计365万元；运行费用：单风冷机房空调设备运行65.55万元，供暖系统无，独立热泵供暖29.55万元，合计95.10万元。该模式适合郊区，建筑周边无法获得市政供暖，且要求有大量低品位热的供应条件。

如上分析，“制冷热泵联合运行系统”的模式投资较“单风冷机房空调与市政供暖独立”的模式增加35万元，但供暖运行费用每年省9.3万，仅供暖一项3.76年收回增加的投资；若在其他季利用热水则可提前至1年左右收回增加的投资。显然“制冷热泵联合运行系统”新模式较“单风冷机房空调与独立热泵供暖系统”的模式具有显著投资回报优势。

3.2 中央空调的制冷—热泵运行模式

某机房采用中央空调模式，电子设备负荷1.5kW/m2，设计中央空调某一台为机房面积为480m2提供制冷负荷为730kW，机房空调冷凝排热量为860kW，压缩机功率130kW，制冷系数5.6，热泵系数6.6，其水泵能耗33kW，系统运行电耗为163kW，相比于冷却塔自然散冷（运行水泵及风机电耗9kW），制冷机组在冬季供暖时按热泵运行新增电耗154kW。按60W/m2采暖负荷为临近建筑提供供暖热，机房废热可为临近9500m3普通办公用建筑供暖。

上述9500m2建筑面积若按蒸汽供暖，其蒸汽供暖量值为750kW（折合蒸汽流量1324kg/h），每吨蒸汽按198元/吨计，供暖季120天计，需要付蒸汽取暖费 75.4998万元；水泵耗电25kW，付电费4.536万元，合计80.0358万元

若机房制冷机组按制冷—热泵运行为机房提供冷量，为建筑提供供暖，电费执行峰谷电价，全负荷运行，白天16小时0.8元/度，夜间8小时0.29元/度，一天平均电价为0.63元/度，供暖季120天计算，总系统相比冷却塔自然散冷新增耗电154kW，须付电费27.9418万元。

机房制冷热泵联合运行费用较蒸汽供暖每年供暖季省52.094万元。且对供暖建筑方无初投主机设备费，仅利用机房中央空调机组设备，几乎为零投入。

对机房而言，相比冷却塔自然散冷排放模式，制冷热泵机组联合运行能保障机房制冷稳定不波动。

4 结论及问题

据调查，北京市网络中心总面积大约在40万平方米，用电量每年约在20亿度；以每平方米机房产热600W计，若通过电子废热综合节能技术利用，1m2机房面积可以在冬季保障相邻普通建筑10m2供暖需热，既可减少机房临近建筑的供暖主机设备投入，又可省却供暖运行费用。单供暖一项对网络中心及其相邻建筑节能率可达42%（5个月供暖时间计算）；若结合洗浴及储能技术，则可将机房废热利用率至少提升到60%以上。初步预估，按全北京机房总面积40万平方米估算，废热回收仅建筑供暖一项可提供5个月冬季供暖建筑面积400万平方米，回收废热7220亿大卡，按一吨标煤估计排放二氧化碳为2.7吨为依据，可折合标煤102万吨，减少CO2排放量276万吨。这大致相当于北京市饮料、食品制造业及农副产品加工业（约95.78万吨标煤）耗能；若为周边办公楼、居民、洗浴中心等提供洗浴及生活热水则可减排量更大。可见网络中心电子废热利用潜力巨大，对我国的绿色低碳目标实现意义重大。

存在的矛盾及需要解决的问题:

（1）以上讨论需建立在个别案例分析基础上，实际机房应用时需要充分调查机房建筑及用冷需求及周边建筑用热需求，机房用冷安全为重中之重，其次才是临近建筑用热，尽可能对规划中的数据中心用冷及相邻建筑用热合并考虑，实现冷热联供的节能模式；空调制冷设备匹配、空调运营控制、无热需求均须保障排热通畅，需要对每个案例进行精心设计，监测分析，积累经验。

（2）机房的建筑及设备涉及跨越了多部门多行业，目前各部门大多为独立运行，导致冷热联供技术难以推广。应鼓励交叉专业及运营部门联合协调，建立符合我国现行状况的机房建筑节能体系，发展完善机房节能技术。比如按机房功能、设备负荷、建筑要求实行用电配额制度，如“机房碳排放权”制度，评估各类机房碳排放额度，这样可以促进机房及临近建筑联合用能节能技术的开发、利用，降低综合能耗。

（3）数据中心是最近十年才迅猛发展的一个新兴行业，从业人员大多为电子通信领域，对空调节能技术比较陌生，应鼓励行业交流学习；空调领域从业人员对信息机房运营环境陌生导致节能技术难以广泛实施，应从政策、资金鼓励新技术的应用，在实施中摸索适合我国机房建筑环境的节能技术。

1 Mochizuki M,Saito Y;Nguyen T.Practical application of heat pipe and vapor chamber for cooling high performance personal computer,Fujikura Giho, 2005，108（1）:19-25

2 王光宇.基于ANSYS的电子元件热分析应用研究[D].陕西：西北工业大学电子与通信工程学院，2005

3 李会永，丁波.浅析数据核心机房节能技术与措施[J].有线电视技术，2009，16（7）

4 RandeepSingh,MasatakaMochizuki,KoichiMashiko,ThangNguyen.Heat pipe based cold energy storage systems for data center energy conservation[J].Energy 36(2011)：2802-2811

5 李长云.利用自然冷源进行隔绝换热的节能措施[J].电信技术，2008（8）：52-53

6 王景刚，康利改，刘杰.廊坊IDC机房空调节能改造可行性分析[J].制冷与空调，2009，9（1）：78-82.

7 尹贞勤.程控交换机房空调设计探讨[J].安徽建筑，1999（4）：29-31

8 钱康.建筑空调系统节能技术措施探讨[J].制冷空调，2002，23（3）：58-59

9 Omar M Al-rubghi,Mohammed M Akyurt.A survey of energy efficient strategies for effective air conditioning [J].Energy Conversion and Management，2004，45（11-12）：1643～1654

10 袁小艳，卢皋.国家发明专利：一种计算机房制冷热泵联合运行系统，专利号201010202073.0