数据中心余热利用现状及在建筑供暖中的应用

李国柱, 崔美华, 黄凯良, 冯国会, 王清勤， 王帅， 孙子轩

(1.沈阳建筑大学市政与环境工程学院， 沈阳 100168； 2.中国建筑科学研究院有限公司， 北京 100013)

随着数据中心行业的高速发展，巨大的能源消耗是全球数据中心共同面临的问题。2015年，工业和信息化部、国家机关事务管理局、国家能源局联合发布的《国家绿色数据中心试点工作方案》显示, 全球数据中心耗电量占全球总耗电量的比例为1.1%～1.5%。瑞典研究员 Anders Andrae 发布的《消费者总功耗预测》[1]显示，到2025年全球数据中心能耗将占到信息和通信技术(information and communication technology，ICT)行业总能耗的33%，数据中心的碳足迹将达到全球碳足迹的5.5%。同时，数据中心能耗占全球能耗的比例将从2015年的0.9%上升到2025年的4.5%，直到2030年的8%[2]。 数据中心的能耗密度通常为120～940 W/m2， 但对于业务量繁杂的大型数据中心而言，其能耗密度高达1 080～3 230 W/m2[3]，是普通商业建筑能耗密度的十几甚至数十倍。

中国数据中心发展起步晚于欧洲国家，但数据中心的电量消耗不容小觑，数据中心总耗电量呈现逐年增加的趋势，且占社会耗电量的比例不断增大，根据工业和信息化部、国家能源局的数据，全国数据中心耗电量由2014年的829 亿kW·h增长到2020年的2 002 亿kW·h，占全社会用电量比重由1.5%增长到2.7%。其中，仅2016年一年中国数据中心总耗电量已超过三峡大坝当年全年的总发电量[4]，预计到2025年，全国数据中心总耗电量将达到社会总用电量的4.05%[5]。考虑到“十四五”新基建带动数据中心和相关产业投资，预计“十四五”期间数据中心用电需求年均增速约12%[6]。

数据中心服务器等IT设备功率密度高达300～2 000 W/m2[7]，且全年不间断运行，即使在系统空闲时，仍旧会消耗60%～100%的最大功率[8]，而IT设备消耗的约97%的电力都转化为热量[9]。数据中心余热的可用性取决于电力消耗[10]，据测算，其中68%电力消耗产生的余热可被回收利用[11]，正因数据中心余热资源丰富，数据中心余热利用成为现阶段的研究热点，并且数据中心余热应用场景广泛，如建筑供暖[12]、生活用水加热[13-14]、冷凝厂发电[13]、海水淡化[13]、游泳池加热[15]、生物质加热[16]、数据中心冷却[17]以及余热出售[18]等，将数据中心余热回收用于建筑供暖，是研究人员较为关注的利用方式之一。据粗略统计，按现有数据中心规模计算，中国北方地区数据中心的可回收余热总量约10 GW，理论上可支持3 亿m2建筑供暖[19]。

因此，现梳理涉及数据中心余热利用的政策文件及有关标准，分析数据中心余热温度的影响因素，最后介绍中外数据中心余热在建筑供暖中的研究和实践，以期为数据中心余热回收利用的研究工作提供一定的参考和借鉴。

1 支持数据中心余热利用的政策及标准

工业和信息化部、国家机关事务管理局、国家能源局于2015年联合发布的《关于印发国家绿色数据中心试点工作方案的通知》是国家较早的鼓励数据中心余热利用的文件。近年来，围绕信息通信业节能减排、绿色数据中心建设等发布的一系列政策文件，均对数据中心余热回收利用提出了要求。地方有关部门积极落实相关要求并制订具体方案，如北京市经济和信息化局《北京市数据中心统筹发展实施方案(2021—2023年)》中明确提出“鼓励数据中心采用余热回收利用措施，为周边建筑提供热源，提高能源再利用效率。”表1为近年来数据中心余热利用相关支持政策，由表1可以看出，从国家到地方政策都在探索和鼓励数据中心的余热回收利用。

表1 数据中心余热利用的支持政策及内容Table 1 Supporting policies and contents of data center waste heat utilization

近年来数据中心行业有关标准(表2)陆续发布,多数标准包含鼓励回收机房排热再利用等有关内容，数据中心余热回收再利用逐渐得到重视。为规范互联网通信行业数据中心绿色建筑评价工作，由住房城乡建设部印发的《绿色数据中心建筑评价技术细则》评分项5.2.15中提到“数据中心辅助区和周边区域有供暖或生活热水需求时，宜设计能量综合利用方案，回收主机房空调系统的排热作为热源，宜采用热泵机组回收排热。”满足“参评数据中心的供暖全部由热回收提供”或“采暖季总余热回收利用率达到30%以上”规则之一即可获得6分。2021年，国家全文强制标准《数据中心项目规范(征求意见稿)》也明确提出“当余热回收经济效益较大时，应回收主机房排热”的规定。

表2 涉及数据中心余热利用的有关标准和规定Table 2 Relevant standards and regulations related to waste heat utilization of data center

在有关政策和标准的推动下，数据中心余热回收利用开始起步发展，目前，北京、上海等少数城市率先出台的地方政策也提到数据中心余热利用的有关内容，对于今后其他城市政策的落实起到了带头作用。虽然政策形成了一定的导向作用，但尚未出台数据中心余热利用的专门技术标准或技术方案，数据中心余热回收系统设计及运维模式有待细化。加强政策引导、完善标准建设、开展技术研发，是进一步推进数据中心余热利用的有效方式。

2 数据中心余热温度的影响因素

数据中心余热利用潜力巨大，但影响余热利用的因素也有很多，包括温度水平不合适、热量需求不足、投资成本高、数据中心运营商与区域供热公司的利益冲突以及商业模式不完善[12,20]，其中，数据中心余热温度是影响热回收技术选择和热利用可行性的关键因素[14,21-24]。本文将数据中心余热温度的影响因素作为讨论重点，Ebrahimi等[13]和Davies等[14]分别针对不同冷却形式、不同收集位置对余热温度的影响进行了详细研究，本文依据其观点梳理分析如下。

2.1 冷却技术对余热温度的影响

数据中心的冷却技术方案多样，相关方案有自然冷却[25-26]、喷雾冷却[27]、液体冷却[25,28-30]、蒸发冷却[31]等。不同的冷却技术产生的余热温度不同，中外学者对于数据中心风冷技术、水冷技术，以及两相冷却技术研究较多，不同类型冷却技术产生的余热温度及收集位置如表3所示。

表3 不同类型冷却技术余热温度及收集位置[13-14,28-29]Table 3 Waste heat temperature and collection location of different types of cooling technologies[13-14,28-29]

多数风冷型数据中心设置冷热通道，冷却服务器所需要的低温空气由冷通道送入，国家标准《数据中心设计规范》GB 50174—2017要求冷通道或机柜进风区域温度为18～27 ℃，产生的热量经过热通道回到机房精密空调(computer room air conditioner，CRAC)。从回收的余热品质来看，余热收集的最佳位置位于服务器机架的出风口处，就余热回收难易程度而言，从CRAC回风口或冷水机组回水处收集余热相对简单。对于风冷数据中心，35 ℃左右的余热适用于热水预热或空间加热，也可用于提升进入数据中心的外部空气温度，防止结冰或结露，若用于集中供暖等对热量质量要求更高的场所，则需要结合热泵进行温度提升[13]。高密度数据中心常采用液体冷却技术，如芯片冷管式、浸入式水冷等[30-32]，以高比热容的液体取代空气，减小冷量与热源的距离，余热回收也更加便捷[33]，从水冷数据中心提取的60～70 ℃的余热，适用于集中供暖和热水生产[13]。两相冷却技术属于液体冷却技术中的一种，相比风冷和水冷技术，两相冷却技术收集的余热品质更高，可满足更多场合的热量需求，关于常见的余热回收技术与主要的数据中心冷却技术是否能够集成，Ebrahimi等[13]对此进行了适用性分析如表4所示。

表4 数据中心余热与典型余热回收利用场景的适用性[13]Table 4 Applicability of data center waste heat and typical waste heat recovery and utilization scenarios[13]

2.2 收集位置对余热温度的影响

数据中心服务器通常由高度集成的微处理器、附加存储器和包括输入输出(I/O)设备、磁盘驱动器和电源在内的辅助组件构成[12]。不同类型电子元件的发热量不同，微处理器中包含的CPU作为服务器的核心组件，其发热量占据服务器总发热量的大部分，而内存模块、芯片组、电源的发热量较少且固定[34]。Daives等[14]基于Intel和IBM数据对标准服务器和高性能集群的温度及热值进行整理，服务器机架中的主要部件所占热量比例及其温度值如表5所示。

表5 IT服务器机架主要部件所占热量比例及其温度值[14]Table 5 Heat proportion and temperature value of main components of it server rack[14]

美国室内空气质量标准(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE)[35]对不同类型服务器组件利用率进行了汇总(表6)，服务器性质及用途不同，其组件利用率不同，服务器的发热量也存在差异。服务器机架的发热量不仅与服务器组件类型还与服务器机架进口空气、服务器负载率相关，多个因素的影响可能导致服务器机架内余热温度和热密度的不同。若根据服务器机架内产热情况及热量需求，有针对性地从数据中心多个位置收集热量，利于高品质的余热流被利用[14]。

表6 不同工作负载类型组件利用率[35] Table 6 Component utilization of different workload types[35]

3 数据中心余热在建筑供暖中的应用

3.1 数据中心余热供暖在国外的应用

欧美国家对数据中心余热的回收利用研究较早，已形成固定的模式，并取得良好的经济和环境效益。早在2010年，欧美国家就开始回收数据中心余热用于市政供暖[19]。其中，芬兰在余热回收及输送方面拥有较多的实践及技术积累，数据中心余热由专门从事相关领域的能源公司进行管理使用，通常余热在提升建筑室内温度后，冷却后的空气会被回收用至数据中心服务器降温，不仅实现了变“废”为“热”，更做到了物尽其用，为数据中心绿色化、低碳化提供了行之有效的实现路径。

从数据中心空气中回收的30～40 ℃的余热通常可以直接用于附近建筑供暖及水加热，常见的形式为小型化数据中心或服务器临近供热建筑布置。Liu等[36]将小型云服务器分散布置在公寓楼和办公楼，服务器散发的热量可以为私人空间或办公区域供暖，减小碳足迹。该技术实施同期，芬兰首都赫尔辛基市实施了同样想法的项目，Academica公司将数据中心服务器产生的余热用于区域供暖系统，可为500个中央公寓供暖[37]。将分散布置较小规模的数据中心在本地使用余热的方法称为环境机会计算(environmentally opportunistic computing，EOC)[38-41]。该方法是将分布式“集装箱化”数据中心节点连接或集成到现有或新建的建筑，利用数据中心设备的热量来抵消建筑的供暖需求[38]。Woodruff[39]提到芬兰某数据中心及美国能源部的国家可再生能源实验室均采用EOC方法，将数据中心的热量用于家庭、办公室及研究实验室的空间空暖。

区域供暖是数据中心余热利用一个有前景的应用方式[11,14]，也是低质量能源再利用最常见和简单的应用[42]。若将余热用于区域供热系统，或从冷冻水中回收低温热，则需要使用热泵对温度进行提升。Deymi-Dashtebayaz等[43-44]提出了一种结合自然冷却和数据中心余热回收的系统(图1)，利用空气源热泵将余热用于相邻办公楼，在热泵循环中，液态制冷剂通过膨胀阀变为低压两相混合物进入蒸发器，接收来自数据中心热空气的热量后转化为低压蒸汽，在压缩机中被压缩，以高压热蒸汽的形式进入冷凝器，而数据中心附近建筑供暖所需的热量一部分是通过冷凝器中的制冷剂和供水之间的热量传递来提供的。其研究表明，引入该系统的办公楼每年可节省天然气15 000 m3，年CO2减排量267 t。俄罗斯搜索引擎公司Yandex在芬兰曼采莱镇的数据中心，通过热泵技术使数据中心热空气温度由最初的30～45 ℃升高至55～60 ℃后输送至当地的供热系统，所提供的热水能够帮助当地减少约50%的天然气消耗及40%的碳排放量[45]。同样，瑞典爱立信[46]、Telia[47]等公司在芬兰建设的数据中心也将余热用于当地区域供热系统，预计回收的热量分别满足约1 000 户、25 000 户家庭的供暖需求。

图1 空气源热泵与数据中心耦合的原理图[44]Fig.1 Schematic diagram of coupling between air source heat pump and data center[44]

3.2 数据中心余热供暖在国内的应用

国内数据中心运营商逐渐意识到余热利用的必要性，陆续开始在余热回收方面进行研发、布局，如阿里巴巴千岛湖数据中心、腾讯天津数据中心、万国数据北京三号数据中心，以及即将投产的UCloud优刻得乌兰察布云计算中心等。其中，腾讯天津数据中心余热回收项目采用磁悬浮热泵机组，“磁悬浮”技术与成熟的离心压缩机技术相结合对数据中心冷冻水余热二次提温，在冬季替代市政供热，数据显示，若提取园区冬季全部热量可满足约5 100 户居民采暖需求，减少约16 万t CO2排放量[48]。同样，万国数据北京三号数据中心项目使用螺杆式水源热泵对外实现供热，通过自建供热管道与数据中心所在园区内原有的换热站连接，热用户通过使用数据中心余热减少标准煤消耗约620.5 t[49]。而UCloud优刻得乌兰察布云计算中心项目采用了水源多联机余热回收技术，回收的余热每年可减少7 380 t CO2排放量[50]。相比国外，中国数据中心余热回收的实际应用案例并不多，需要更多的实践和积累。

现有的数据中心余热回收方法之一是利用热泵技术，水源热泵作为回收低品位余热的节能装置[51]，该方面的案例研究较多。袁小艳等[52]对余热用于临近建筑生活热水及供暖等方面进行了研究，结果显示，1 m2数据中心面积可满足临近建筑10 m2供暖的热量需求，仅考虑供暖情况下对数据中心及其临近建筑的节能率可达42%。李先庭等[53]提出一种数据中心热回收用于建筑供热的综合系统，通过热管/热泵复合空调获取数据中心热量，利用水源热泵为建筑供热，节能率达60%。Huang等[54]提出了一种基于三流体换热器的热泵/热管一体式热回收系统并对其在寒冷地区的应用效果进行研究，结果表明，从一个5 kW数据中心获取的9 525.4 kW·h热量可以满足天津60 m2住宅房间的热量需求，系统全年综合能效比达4.75。李朋安[55]和罗玉庆等[56]对利用水源热泵将数据中心余热用至附近办公楼供暖系统进行研究，结果表明，采用余热回收系统的供暖方式较之前传统供暖系统而言，运行费用分别可节省19.26万元、91万元。吕萌萌等[57]采用水源热泵机组为项目研发办公及餐厅区域进行余热供暖方案，采用余热回收利用系统显示，CO2、SO2年减排量分别为222 t、10 t。

Zhang等[58]建议使用带热虹吸的水冷式集成空调作为热回收系统，用于冷却互联网数据中心和为数据中心附近的办公楼供暖，其研究表明，与传统冷却和加热系统相比，该系统的制冷和供暖节能潜力分别为33%和60%。张国辉等[59]在此基础上，研究了上述热回收系统在我国北方地区典型城市的应用效果，总结出对于常规散热密度(600 W/m2)的中小型数据中心采用该热回收供热系统的技术方案，系统原理如图2所示，在供暖季，开启水源热泵机组，水源热泵机组制热量大于等于建筑热负荷时，阀门V1～V4开启， 阀门V5～V7关闭，此时锅炉不运行，水源热泵机组回收数据中心的部分散热量用于供暖，剩余部分热量由冷却塔排放到环境中；当水源热泵机组的制热量小于建筑热负荷时，阀门V1、V2、V5和V7开启，阀门V3、V4、V6关闭，水源热泵机组回收数据中心全部散热量用于供暖，不足的热量由锅炉补充。其研究表明，每10 000 m3数据中心可以为哈尔滨1.3 万m2、北京1.6 万m2居住建筑供暖，相比燃气锅炉供暖，可节省天然气8.75 万m3以上。

图2 基于水冷式复合空调的热回收系统原理[59]Fig.2 Principle of heat recovery system based on water-cooled composite air conditioner[59]

He等[42]将分布式冷却系统引入呼和浩特市某数据中心，利用热泵技术将18 ℃的冷冻水温度提升至54 ℃左右用于区域供暖，结果表明，采用余热利用系统每年可减少约10%的电力消耗，对比燃煤锅炉加热系统，每年可节煤约1.8 万t。余热回收系统方案及各节点温度情况如图3所示。同样，Li等[60]

图3 余热回收系统方案及各节点温度[42]Fig.3 Scheme of waste heat recovery system and temperature of each node[42]

利用CO2跨临界热泵技术回收数据中心余热用于区域供暖， 结果表明，采用数据中心余热供暖较电加热、燃气加热等普通供暖方式能源成本低23.0%～75.0%，与燃气供暖相比，每年可减少CO2排放12 880 t。

3.3 数据中心余热供暖的条件与技术分析

采用数据中心余热为建筑供暖时，首先考虑热源与用户的匹配度。根据数据中心余热规模、余热品质以及输送距离等因素进行考量，若数据中心规模小且余热温度较低，数据中心余热以向周边建筑供暖为主，而大型数据中心的余热可以汇入城市管网进行集中供暖。

其次，考虑余热回收技术与数据中心冷却系统形式的适用性。常见的余热回收技术包括热泵、换热器、热管、蓄热装置等，对于设有独立热回收通道的数据中心，其内部产生的热空气可由公共管道输送至空气处理单元，根据从水侧或空气侧收集热量位置的不同，可采用水-冷媒热交换器或水-空气热交换器，而热泵作为最广泛使用的余热回收技术，在使用时也要考虑源温度和输送温度对热泵效率的影响。

最后，把握经济效益和环境效益的平衡。数据中心余热回收用于建筑供暖的经济效益与项目初期投资、热用户需求及电价等因素有关，初期投资少、回收的余热温度高更易于形成良好的经济效益，而增加环境效益通常需要较高的投资，如增设热能储存装置等，这往往需要对经济效益和环境效益的最大化进行调节与平衡。

4 结论

(1)政策标准方面，数据中心行业系列政策标准对数据中心余热回收利用形成了一定的推动作用，进一步激发了有关部门对数据中心行业创新、节能的意识。目前来看，国家对此积极倡导、地方逐步推进落实，但数据中心余热利用相关的规划设计、设备选择及运维管理等政策、方案有待统一完善，后续应聚焦数据中心余热利用关键技术，建立健全数据中心余热利用标准体系及评价准则，引导和促进数据中心余热回收利用模式的发展。

(2)余热温度影响因素方面，数据中心余热温度是余热利用的关键因素，不同应用场景对热源温度的要求不同，通常以此来衡量是否需要对余热温度进行二次提升。数据中心余热温度不仅受服务器类型、数量的影响，还与余热收集位置的选取有关。在实际项目应用中，应结合数据中心冷却系统形式，选择适宜的余热收集位置，最大程度地实现数据中心余热利用效益最大化。

(3)工程应用方面，在国外，数据中心余热供暖的实践较多，常见的形式一是通过小型数据中心取代大型数据中心或数据中心边缘化布置，实现余热就近供应；二是将数据中心余热统一收集输送至供热管网，供多个热用户使用。在国内，应用实践主要是将数据中心余热就近供应给办公区域或私人空间，缺乏更多的实际工程项目支撑。统筹协调数据中心与热力部门的发展建设，解决跨领域跨行业合作壁垒，落实责任主体，推进数据中心余热在区域供暖中的应用实践。