数据中心空调冷却及余热回收系统技术分析

崔 科,赵进良，付晓飞

(1.百度在线网络技术(北京)有限公司,北京 100000;2.广西建设职业技术学院,广西 南宁 530000; 3.河南省锅炉压力容器安全检测研究院,河南 郑州 450000)

0 引言

近年来,随着信息化的高度发展,物联网、云计算及移动互联概念的推出，数据中心也加快了建设步伐，向着高功率高密度前进，数据中心所使用的服务器和网络传输设备将高品位电能转化为低品位热能，最终被空调系统散到室外环境中，没有被充分利用，造成极大的损失。

国内外数据中心冷却大多采用冷却塔+水冷冷水机组供冷系统、风冷冷水机组供冷系统、直接新风或间接新风冷却系统、地表水冷却系统+水冷冷水机组供冷系统、闭式冷却塔+液冷冷却系统及热管背板冷却系统等，它们的共同点是均未回收IT设备余热，而部分和办公楼或酒店合建的数据中心通常设计了热泵机组，为办公楼或酒店提供空调和生活热水，由于受到季节和人员数量等因素的限制，余热回收量相对较少。本文提出一种新型数据中心冷却和余热回收方案，可把数据中心IT设备散发的余热全年不间断的回收至居民生活热水中，并对该方案进行技术分析。

1 背景情况

2018年中国数据中心总耗电量超过1 608亿kWh[6]，占全国总用电量的2.35%左右[6]，总电耗每年还以11%左右的速度增长[6]，数据中心不仅消耗大量的电能还消耗大量的水，因此数据中心行业节能、节水、减排势在必行。

以北京某互联网数据中心为例：总IT功率约为：11 000 kW,全年耗电量约1.1亿kWh，全年实际耗水量约为176 000 t，全年PUE[5](电力使用效率)约为：1.28，WUE[5](水资源使用效率)约为：1.83 L/kWh。而现阶段数据中心设计者仅考虑降低数据中心PUE，未考虑数据中心余热利用，如把IT设备余热全部或部分回收可有效减少数据中心电耗、水耗和碳排放。

2 新型冷却热回收系统方案

2.1 方案简述

在全国大部分地区，自来水温度都较低，尤其是严寒、寒冷及夏热冬冷地区，较低的自来水中蕴藏着巨大的冷量，居民在生活中对生活热水又有很大的需求，如两者结合使数据中心IT设备余热回收至自来水中，则减少了居民对生活热水用电和燃气消耗，而数据中心空调系统为了节能一般控制冷冻水供水温度在15～18 ℃之间，因此为采用自来水源水作为数据中心空调系统冷源和电制冷机组冷却水创造了有利条件。

以北京为例,全年自来水温度在6～27 ℃之间变化，而自来水源水温度和自来水温度基本相同，甚至更低，因此自来水源水可作为数据中心冷源或冷却水，冬季和过渡季可把水厂中经过混凝、絮凝、沉淀过滤后的中间过程源水通过板换和冷冻水换热，为数据中心空调系统供冷，实现免费冷却，而吸收机房余热的源水进入自来水厂制备自来水，可把数据中心的IT设备余热回收到自来水中，夜间自来水供应量较小时，由冷却塔自然冷却为空调系统补充供冷。在夏季自来水温度较高时，把处理后的中间过程源水供入电制冷冷机冷疑器作为冷机冷却水，源水升温后再进入自来水厂制备自来水，夜间自来水供应量较小时，由冷却塔补充为电制冷冷机提供冷却水，此方案中冷却塔仅是辅助供冷设备，使用时间较短，因此降低冷却塔电耗水耗，提高数据中心能源使用效率。

2.2 数据中心选址

采用自来水源水对空调系统冷却的数据中心，需要把数据中心和自来水厂贴建，可减少管道长度、降低源水冷却水泵能耗、降低系统投资及管道施工难度。

2.3 方案设计

源水现经过水厂预处理后，供入数据中心对空调系统冷却，回收IT设备余热后再供至水厂处理成自来水，最后接入市政自来水管网供至用户，系统流程如图1所示。

2.4 方案分析

图1所示方案在节能和运行管理方面有如下优势：

(1)自来水厂位于数据中心下游，自来水源水在水厂经过混凝、沉淀、澄清、过滤等预处理后进入数据中心冷却回收IT设备余热再供回水厂进行后过滤、消毒杀菌等水处理，因此不会污染自来水，空调换热设备初投资低，运行管理简单，水厂热损失较少，回收IT设备余热较多。

(2)由于自来水源水冬季和过渡季水温较低，可作为数据中心免费冷源，取代采用冷却塔自然冷却的运行方法，极大缩短了冷却塔和冷机使用时间，降低系统电耗和水耗。

(3)由于对数据中心冷却后的中间过程源水直接被供至水厂处理成自来水而不排至河流，不影响河流的温度场，不破坏河流生态环境。

2.5 设备选型分析

如图1所示新增源水冷却泵需克服自来水厂至数据中心园区源水换热器和制冷机组供回水管线及设备阻力，因此扬程需要依此部分管线设备总阻力计算，而数据中心供冷系统设备按照实际需求选型，方法和不采用此方案选型方法相同，自来水厂一二级泵及中间水泵扬程按照实际水厂处理系统需求选型，其方法也与不采用此方案相同，本次冷却采用水厂中间处理过程水，因此不会影响居民供水压力。

图1 数据中心余热回收系统流程示意图其中:1-自来水水源；2-级泵；3-自来水厂预处理系统；4-源水冷却泵；5-源水和冷冻水换热器；6-冷冻水泵；7-数据中心末端设备；8-冷水机组；9-冷却水泵；10-冷却塔；11-水厂中间加压水泵;12-终过滤处理;13-消毒杀菌处理;14-清水池;15-二级泵

3 自来水源水条件

3.1 自来水温度参数分析

自来水水源一般取自地表水，因此水温较低，以北京地区为例，全年自来水温度在6到27℃变化，如下表一所示。

表1 北京某水厂自来水全年月平均温度

3.2 自来水供应量分析

自来水厂日供水量逐时变化曲线如下图2所示。

图2 城市自来水用水量随时刻的变化曲线[3]

自来水供应在夜间20点至凌晨5点之间为一天中的最小时段，共9 h，平均供应量约为日供水量的1.65%，在凌晨5点到晚上20点之间为供应最大时段，共15 h，平均供应量约为日用水量的5%，白天最大用水量约为夜间最小用水量的3～4倍，因此数据中心空调冷却水系统需依据上述特点进行设计，可在全天最大限度利用自来水源水供冷。

4 数据中心应用分析

4.1 设计举例

以日产自来水量10万t的水厂为例：由上图2可知：夜间20点到凌晨5点时的小时用水量最小，约为：100 000×1.65%=1 650 t/h，凌晨5点到晚上20点的小时用水量较大,约为：100 000×5%=5 000 t/h。

以北京某数据中心园区为例，设计总机柜数为4 500个，设计单机柜功率为8.0 kW，IT设备平均负荷率为：0.85；总IT负荷为：30 600 kW；空调总冷负荷约为：39 000 kW。数据中心园区空调冷冻水循环水量为：39 000×3.6/(4.187×7)=4 790 t/h；式中：3.6为单位换算系数；4.187为水的比热/kJ·kg-1；7为冷冻水设计供回水温差/℃；数据中心空调冷冻水设计供回水温度15/22 ℃。

设计自来水源水自由却时供回水温度设计为：13/20 ℃；由表1可知：一年中1～3月和11～12月份(共计151天)自来水源水月平均温度小于等于13 ℃，空调系统冷源可由自来水源水提供；而4至10月的月平均自来水温度大于13 kWh(共计214天)，空调系统需开启电制冷冷机补充制冷或者完全由电制冷冷机供冷，此时自来水源水作为冷机的冷却水，在自来水源水供水量较小时段，由冷却塔补充为电制冷冷机提供冷却水，在自来水源水供应量较大时段，电制冷冷机冷却水全部由自来水源水提供。

4.2 系统设计

如下图3所示，系统设计4套空调冷冻水自来水源水换热供冷单元(换热供冷单元包含水水换热器和源水冷却水泵)、4套电制冷冷机供冷单元(电制冷冷机供冷单元包括冷机、冷却塔、冷却塔自由冷却板换、源水冷却水泵、冷却水泵、冷冻水一次泵)、4套二次泵和连续供冷蓄冷罐，其中均包含1套备用供冷单元。

图3 数据中心空调冷却系统即余热回收系统其中：1-自来水源水泵；2-过滤器；3-自来水源水与冷冻水换热器；4-电制冷冷水机组；5-冷冻水一次泵；6-冷冻水二次泵；7-冷却水泵；8-冷却塔；9-冷却塔自由冷却板换；10-蓄冷罐；11-过滤设备;12-消毒杀菌;13-清水池;14-二级泵;15-一级泵；V1-V8电动开关阀

4.3 运行策略

空调系统全年运行时，根据白天和夜间不同时段自来水供水量不同，调节自来水源水换热单元和电制冷冷机供冷单元运行台数，冬季过渡季自然冷却时，由自来水源水换热系统和冷却塔自然冷却代替电制冷冷机供冷；夏季电制冷冷机供冷运行时，自来水源水作为电制冷冷机冷却水运行。根据图3系统在自然冷却和电制冷冷机供冷时两种运行模式见表2。

表2 运行策略

由于北京地区冬季源水温度远低于数据中心空调冷冻水设计供回水温度，因此自来水源水侧可采用7/20 ℃运行，不仅能提高余热回收量，还可减少夜间冷却塔自由冷却运行时间，降低冷却塔电耗水耗，进一步降低数据中心PUE和WUE，空调系统全年运行还应尽可能提高冷冻水供回水温度，延长源水自然冷却时间，从而提高余热回收率和冷机COP，当冷冻水供回水温度提高至18/24 ℃时，全年计算PUE小于1.20。

5 节能计算

5.1 自由冷却运行时热回收计算

当自来水源水温度小于等于13 ℃时，系统自然冷却运行，余热回收分两个时段计算。

在夜间20点到凌晨5点时(共计9 h)，自来水供应量约为：1 650 t/h，仅1套源水换热单元供冷运行，每小时回收热量q1为：

q1=m1cpΔt/3.6=13 410 kW

(1)

式中m1——自来水供应量，1 650t/h；

cp——水的定压比热，4.18 kJ/(kg·℃)；

Δt1——冷却和冷冻水供回水温差，取7 ℃。

在凌晨5点到20点时(共计15 h)，自来水供水量约为5 000 t/h大于空调系统总循环水量：此时段小时回收热量为全部数据中心余热，即为数据中心的空调总冷负荷：q2=39 000 kW;

全天余热回收量Q为：

Q=9q1+15q2=705 690 kWh

(2)

式中 9——夜间自由冷却运行小时数；

15——白天自由冷却运行小时数。

5.2 电制冷机运行时热回收计算

电制冷冷机供冷(即自来水源水温度大于13℃时)全天可回收余热量Q′为：

Q′=kQ=776 259 kWh

(3)

注:k——制冷机制冷时耗功的热量系数[2]，宜取1.10～1.30，高温冷机取小值，低温冷机取大值；由于在源水温度大于13℃小于冷机最低冷却水进水温度时，源水自由冷却供冷单元和冷机+冷却塔供冷单元混合运行，故k取1.10。

5.3 全年有效回收余热计算

(1)全年总回收数据中心余热为：

Q0=151Q+214Q′=981 643 GJ

(4)

式中 151——完全自由冷却的天数；

214——电制冷冷机运行的天数。

(5)

注：n1——居民生活用热水占生活用水的比例:一般为0.4～0.5[1]，n1取0.45；n2——自来水厂及市政管网热量损失率，一般为0.1～0.5，n2取0.5，当新建自来水厂清水池管道及市政给水管网设置保温则可取小值,没有保温取大值。

5.4 全年余热回收可节省标煤计算

(6)

式中α——每GJ热量的折标煤系数，一般取0.034 1 t/GJ[4]。

采用上述方案全年减少居民生活热水用热所节省标准煤约7 531 t。

5.5 全年耗水量和WUE计算：

(1)冷却塔辅助散热量计算

自由冷却运行时夜间20点到凌晨5点需要冷却塔辅助散热量Q3为：

Q3=(q2-q1)h=(39 000-13 410)×9

=230 310 kWh

电制冷冷机运行时夜间20点到凌晨5点需要冷却塔辅助散热量Q4为：

Q4=(q2-q1)×1.10×h=(39 000-13 410)

×1.10×9=253 341 kWh

冷却塔全年辅助总散热量为：Qs=151×Q3+214×Q4=151×230 310+214×253 341=88 991 784 kWh

冷却塔全年散热量占数据中心空调系统总散热量的百分比η2为：

η2=88 991 784/(39 000×1.10×24×365)=23.68%

数据中心的全年平均WUE约为：23.68%×1.83=0.433 L/kWh

注：1.10——制冷机制冷时耗功的热量系数[2]；1.83——北京某互联网数据中心的全年运行WUE；

(2)采用传统冷却塔+电制冷冷机供冷技术方案全年总耗水量为：

G1=30 600×24×365×1.83/1 000=490 542 t/a

(3)采用源水冷却余热回收方案全年总耗水量约为：

G2=0.433×30 600×24×365/1 000=116 068 t/a

因此全年可节约用水量约为：490 542-116 068=374 474 t/a，约为240～250万居民一天的用水量，较传统数据中心水冷空调系统节水率为：374 474/490 542=76.3%，因节约用水而减少标煤约为32 t/a。

5.6 全年运行PUE计算：

空调冷冻水设计供回水温度为15/22 ℃时，根据表1可知，北京地区全年完全自然冷却运行时间约为5～6个月，全年PUE计算如表3所示。

全年回收至居民生活热水中的有效余热占全年耗电量的百分比η为:

365×3.6×106×10-9)=18.4%

(7)

6 经济性分析

6.1 节能减排分析

采用本方案后，数据中心每年可节约的自来水量和标煤量、节省的水费以及为居民节省的天然气费用如表4、表5所示，表6按照居民使用燃气热水器进行计算的结果，而部分家庭还使用电热水器，因此每年节省的标煤和为居民节省的生活热水加热费用远大于表4计算值。

表4 居民节约天然气用量计算

表5 年节约水费计算

表6 年节能减排计算

2018年全国数据中心总用电量超过1 608亿kWh，以18.4%的热回收效率计算，每年回收余热约为：1 608×18.4%×3.6×106×10-9=8 589万GJ，节约1.6亿t自来水、节省363.6万t标煤、减少碳排放945.5万t、二氧化硫8.7万t和氮氧化合物2.5万t，而数据中心总用电量每年增长率约为11%，因此节能减排和经济效益非常显著。

6.2 投资估算

图3方案比独立的自来水厂水处理系统和数据中心供冷系统仅增加了水厂至数据中心冷源中心供回水管道、水水换热器、供冷水泵和源水冷却泵,其余各自的管道系统、设备均和现有水厂或者数据中心不无差别，投资回收期见表7。

表7 投资回收期估算

7 结论

(1)大型数据中心和自来水厂贴建，采用自来水中间处理过程的源水对数据中心冷却不仅可全年回收IT设备余热，用来提高自来水温度减少居民生活热水用热消耗，提高能源利用效率，还能减少空调系统蒸发冷却用水量，极大的降低了数据中心的PUE和WUE，降低运行成本，当冷冻水供回水温度提高至18/24 ℃时，全年PUE低于1.20。

(2)经计算可知采用本方案后数据中心IT设备全年有效余热回收率可达18.4%，如新建市政自来水管网、水厂管道及清水池等设置保温减少热损失，有效余热回收率可提高至30%以上，极大减少了居民对生活热水用热的需求。