浅析IDC机房热泵制冷发电

许天宇　高洁　刘畅

摘 要：基于数据中心（IDC）能耗高，废热利用率低下的特点，同时分析了当下IDC废热利用技术的现状，设计出一套应用于数据中心（IDC）的制冷发电总成及应用方法。将制冷发电装置各部件合理安排，如果应用得当，IDC的废热不仅可以利用，还能进行发电。考虑到实际情况，将设计出的模型在模拟环境下运行，同时比较现有的应用于数据中心的節能装置。结果表明，此装置可以降低制冷机组采购成本，降低备用发电机采购成本，通过减免数据中心制冷机组耗电，低温发电机组发电自用等方式可以使得数据中心的耗电量大幅降低，同时效率较高。

关键词：数据中心（IDC）；制冷；发电；可行性分析

中图分类号：TU831.6 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）08-0052-02

1 数据中心（IDC）节能技术的应用背景

1.1 数据中心（IDC）能耗现状

IDC作为互联网行业的支撑平台，其技术的创新能力的强弱直接关系到互联网行业未来的发展。当前我们国家对IDC提出了绿色节能环保的概念，如何打造绿色IDC，节能是关键。IDC在能耗使用方面制冷设备是占到了45%，IT设备占到了30%的耗能，供配电系统是24%，照明和其他的设备占到了1%的份额。可以看出制冷设备的能耗占用比是最大的，减少制冷的能耗我们就离绿色IDC就近了一步。

目前，数据中心都拥有大量服务器，网络设备，通讯设备，耗能巨大，一个数据中心一年的耗电量有时可以达到上百万千瓦，数据中心设备工作时发出大量热量，需要大功率制冷系统维持环境适宜温度。长期以来多采用空调制冷系统和自然冷却配合实施，所有的热量均属于搬出数据中心“扔到大气层”，自然环境中了，不同的地方往往只是尽可能采用更低成本的手段实现“扔”热量的办法，数据中心本身是高耗电系统，用大功率制冷系统制冷，综合耗电量更高。

设备对耗电和散热的要求也在不断增加。2000～2010年设备每年热密度的增长率将是7%（如磁带库）到28%（如通信设备）之间。现代电子设备由大规模集成电路构成，其中的半导体PN结的导通特性和温度息息相关的。温度会影响其扩散电流、传导电流、结间势垒等参数，进而影响导通、截止角、温飘系数，使性能参数改变。一般电子器件温度适应范围：民用级-15～85℃，军工级-55～165℃。数据设备长期运行在高温之下，会造成设备过早老化、设备运行失常、停止工作等危害。

1.2 数据中心（IDC）节能技术发展现状

现在IDC机房将空调房间考虑成一个完整的均匀空间，按现场最大需求量来考虑，采取集中制冷模式。在运营中，人们逐渐认识到按需制冷的必要和集中制冷的弊端，这一技术将成为制冷系统未来发展方向。何谓“按需制冷”，按需制冷可以理解为按房间各部分热源的即时需要供冷，将冷媒送到最贴近热源的地方，也就是将制冷方式从房间级制冷转变为机柜级制冷，这正是机房制冷的发展趋势。

数据中心机房是以对信息化服务提供技术支撑和数据支撑为目的，确保电子信息系统设备安全、稳定运行，以及提供气象、军事、通信、科研等信息服务的基础环境，实现数据设备的集中存放和运行的场所。目前，国内外均将数据设备集中放置于数据中心机房中，此房间的经济价值、意义、能耗的密度均很高。摩尔定律揭示，集成电路上可容纳的晶体管数目，每隔18～24个月便会增加一倍。而数据设备的发展正是符合这条定律一直向高容量、高性能化发展。

现有用热泵，将机房空调冷却水中热能回收利用，产生热水，供采暖，生活生产。数据中心每一万千瓦的耗能，回收得到的热水可以供10万平米的住宅采暖，现实中很多情况下回收的大量热水无法得到利用，已有的低温热源发电技术多是在利用热泵回收热量，产生80℃以上的高温热水后，采用低温发电机组转化为电能，发电效率很低，热能转换为电能的效率只有1～5%，没有使用价值，因此，研究一种节能的数据中心热泵液态空气制冷发电装置非常必要。

2 应用于数据中心（IDC）的热泵制冷发电装置

2.1 工作原理及方法

本作品设计了一种数据中心液态工质制冷发电装置及工作方法，其中的一种数据中心液态空气工质制冷发电装置，包括：超低温储液罐，高压超低温液体泵，高压超低温管路，射流引流器，低温换热器，低温高压气管路，气体混合引流器，由液体扩张段，中温换热器，气体收缩段组成的升温增压补熵换热器，常温工作气体管路，汽轮机输入阀，工作气路，汽轮机，发电机，乏汽气路，汽轮机输出阀，检修短路气阀及引流回气管路。本创新产品可以降低制冷机组采购成本，降低备用发电机采购成本，通过减免数据中心制冷机组耗电，低温发电机组发电自用等方式可以使得数据中心的耗电量大幅降低。

该装置分为四大部分：压缩机热泵回收装置、气体混合引流放大器、射流凝气泵和高压空气汽轮机发电组。将气体气化混合放大与汽轮机组合进行发电增效降温效果。

图1中1、超低温储液罐；2、高压超低温液体泵；3、高压超低温管路；4、射流引流器；5、低温换热器；6、低温高压气管路；7、气体混合引流器；8、气体扩张段；9、中温换热器；10、气体收缩段；11、常温工作气体管路；12、气轮机输入阀；13、工作气路；14、气轮机；15、发电机；16、乏气气路；17、气轮机输出阀；18、回气管路；19、制冷回水输入管路；20、中低温换热器连接管路；21、制冷回水输出管路；22、余气排放口；23、液态空气加注口；24、检修短路管路；25、检修短路气阀；26、引流回气管路。

2.2 工作流程

（1）高压超低温液体泵把超低温储液罐中的液态空气抽出，以30MPa以上的压力输送。

（2）高压超低温的液体通过高压超低温管路到达射流引流器，吸入从引流回气管路输送来的气态空气，混合后形成较低温度的液气混合物。

（3）30MPa以上的高压的较低温汽液管路进入到低温换热器，和中低温换热器连接管路输入到低温换热器的回水进行换热，液态空气的高压气液混合物吸热气化，形成高压低温气体，然后再通过低温高压气管路进入到气體混合引流器。

（4）在气体混合引流器，少量高压气流带动10～100倍大量低压乏汽气流一起流动，热量，压力混合交流，成为较低压力较大气流量的气流，这个气流气压在1MPa到5MPa之间。

（5）较低压力的，较大气流量的气流进入到气体扩张段、中温换热器、气体收缩段组成的升温增压补熵换热器，在气体扩张段，由于容器横截面积增加，气流压力减小，流速减小，温度降低，更有利于吸收热量：进入下一个循环的初步增压的工作气体在中温换热器部分，和由制冷回水输入管路输入的温度在18-25摄氏度的制冷回水继续升温、升压、补熵：然后制冷回水通过中低温换热器连接管路输入到低温换热器和从射流引流器输入的高压超低温的气体进行换热，再通过制冷回水输出管路输出4-18摄氏度的制冷水。

（6）气体到气体收缩段后，容器横截面积减小，压力、温度上升，形成更高温度的气体：该气体一小部分通过引流回气管路被射流引流器吸入，与超低温高压液态空气混合后得到利用，另外大部分将通过常温工作气体管路、气轮机输入阀及工作气路进入到气轮机做功输出，并通过共轴输出，带动发电机发电。

（7）气轮机排出的低温低压气体经过乏气气路、气轮机输出阀及回气管路输入到气体混合引流器，然后再重复进入到气流扩张段、中温换热器、气体收缩段组成的升温增压补熵换热器。

3 数据中心制冷方式对比

3.1 具有自然冷却的冷水机组

数据中心通常都需要常年不间断供冷，常规的制冷系统，室外温度即使是低于或远低于其循环冷冻水温的情况下冷水机组也需要照常运行。自然冷却（Freecooling）机组与常规冷水机组最大的区别在于它带有独特的风冷自然冷却换热器，其运行优先利用天然环境的低温空气冷却循环冷冻水，可以实现无压缩机运行制冷，显著节省压缩机的电耗。

3.2 热回收技术利用

在常规设计中，供暖需要锅炉或热泵解决，需要消耗大量的能源。新的热回收技术，免费利用制冷机组在制冷时候向环境中排放的冷凝热来加热供暖系统，从而不需要锅炉或热泵系统。在冬季需要供暖时，系统回收冷凝热来实现，多余的冷凝热仍旧排放到环境中去。由于实现制冷机组的冷热联供，综合能效比达到9～10，这是其他任何冷机效率所无法比拟的。采用这种热回收技术，一个数据中心的上万平方米的办公、运维和宿舍都可以实现免费供暖。

3.3 高效磁悬浮变频离心冷水机组

磁悬浮离心压缩机代表了当今最先进的压缩机技术趋势。变频驱动的高效磁悬浮无油离心式压缩机采用磁悬浮轴承技术，高性能脉宽调制（PWM）永磁同步电动机，其转速随负荷变化而自动调节，确保机组在各工况下始终处于最佳运行状态，使机组在满负荷及部分负荷时均能高效运行。内置变频器，使压缩机在部分负荷下实现变速运行，电动机转速和进口导叶优化控制，从而实现部分负荷时高效运行，全新的软起动功能，降低机组起动电流至2A，减少对电网冲击。

参考文献

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