引言
隨著人工智能、雲計算，大數據等信息技術高速發展，大型數據中心不斷湧現。當前全球數據中心數量已超過400萬個，其中超大數據中心已超過500個；預計2020年，全球數據中心耗電量將佔全球總用電量的5%；截止2018年底，中國數據中心服務器裝機量為1200萬臺，國內數據中心總耗電量高達613億度。如何在高能耗數據中心尋找節能空間，緩解當前社會能源需求緊張，促進全球能源合理利用，是數據中心從業者不斷探索的方向。本文以騰訊天津數據中心為例，介紹餘熱回收原理及其成熟應用方案，秉持“科技向善”的願景，提出數據中心餘熱利用的可行性分析與建議，以期站在社會級能源需求角度推動數據中心行業關注能耗問題。
一、項目概況
餘熱回收項目位於天津濱海新區騰訊數據中心，園區佔地面積9萬平方米，辦公區域9200平方米，供辦公區域餘熱回收利用的機房為園區DC1棟，其建築使用面積2萬平方米，冷凍水系統採用5臺1300冷噸離心式冷水機組，冷凍水供回水溫度10/18℃，園區辦公樓安裝一臺冷水機組為辦公區域夏季供冷，冬季為北方統一市政採暖。本項目利用DC1棟機房冷凍水餘熱二次提溫替代市政供熱，提取低品位熱源，節省採暖費用的同時降低冷卻水系統耗電量，且進一步增強機房冷卻效果，減少煤炭或天然氣能源的消耗。
項目選取磁懸浮熱泵機組，採用“磁懸浮”技術結合成熟的離心壓縮機技術，其制熱效率高於傳統電製冷機（螺桿機、離心機等），運行省電、噪音低。機組制熱額定COP高達4.9，比其他電熱泵節電40%，同時相對於傳統機組，體積減小30—50%，重量減輕30%。
選取DC1棟冷凍系統末端回水為取水口，通過園區內一段地埋管道輸送到辦公樓冷機房內。在辦公樓冷機房內安裝兩臺循環水泵，將20℃冷凍回水送至熱泵機組，並將熱泵機組15℃回水送至DC1棟機房。其水泵選型如下：
熱泵的熱力學過程為逆卡諾循環。它由蒸發器、冷凝器、壓縮機、節流裝置四大部件組成。低溫液態有機工質在蒸發器中吸收外部熱源的熱量而發生氣化；在壓縮機中經過壓縮後變為高溫高壓的工質蒸汽；然後工質進入到冷凝器中與用熱端進行換熱，釋放熱量、工質溫度降低並變為液態；隨後進入節流裝置降溫降壓變為低溫液態工質，回入到蒸發器中繼續循環。
圖1.騰訊天津數據中心餘熱回收系統圖
騰訊天津數據中心DC1棟精密空調冷凍水供回水溫度 15/20℃，可回收的餘熱高達 5233kW，通過計算辦公樓採暖負荷為540kW，在熱泵運行階段只需提取1/10熱量，即可滿足辦公樓採暖需求。如下圖所示，冷凍水回水溫度20℃，一部分經過熱泵機組後，轉換為15℃冷水返回數據中心製冷系統，剩餘9/10進入機房原製冷系統（冬季自然冷卻板換模式）。
圖2.騰訊天津數據中心餘熱回收動態運行圖
二、餘熱回收節能分析
2.1 DC1棟餘熱回收節能量計算
熱泵機組通過回收DC1棟冷凍回水低品位熱源，一方面向園區辦公樓提供冬季供暖，減少每年碳排放量；另一方面向機房返回15℃冷凍水用於機房製冷，減少機房冷卻負荷和水資源消耗。
圖3.騰訊天津數據中心餘熱回收現場運行圖
根據額定工況下參數計算，對比通過餘熱回收與傳統市政採暖所需成本支出，實測天津冬季採暖一週數據後取平均值，電力消耗數據如下表，成本統計如下：
由表3可以看出，餘熱回收比原市政採暖（未加設備成本及政府補貼）每日成本節省2828.48元，以天津開發區6個月供暖季計算，冬季節省成本約50萬元。
據天津住建委要求，對餘熱回收改造前後進行能耗計算：減少能耗標煤量達1620.87噸，相當於減少約4040噸二氧化碳排放量，碳排放當量約為種植22萬棵大樹，年節能量達461.62噸，總節能率達28.48%。所節省能耗明細如下：
2.2大型數據中心全園區餘熱回收可行性分析
騰訊天津數據中心園區共計3棟IDC大樓，僅回收DC1棟數據中心1/10餘熱用於辦公樓供暖，投資回報週期約3年；若將騰訊天津數據中心1/3/4號樓全部進行餘熱回收於熱力公司，熱量用於採暖可覆蓋的面積達到46萬平，如果用於家庭採暖，可滿足5100多戶居民的用熱需求，減少二氧化碳量達16萬噸，碳排放當量約為種植880萬棵大樹，有效減少地球不可再生能源的消耗。
若考慮全年餘熱回收，將夏季回收熱用於民用熱水及周邊公建需求，冬季將數據中心全部熱源用於民用採暖，由此減少的能耗極為可觀，同時採用此方案將減少製冷系統部分運行費用及園區辦公樓採暖費用，累加售賣出去的餘熱費用，收益將極為可觀。在開展社會公益的同時，也增加了執行者的收益，讓綠色環保深入數據中心行業內。
三、關於數據中心PUE小於1的探討
數據中心從業者為減少數據中心能耗，推動行業向綠色數據中心發展的過程中，提出了PUE概念，即數據中心消耗的所有能源與IT負載使用的能源之比，PUE = 數據中心總設備能耗/IT設備能耗。當前，PUE值已經成為國際上比較通行的數據中心電力使用效率的衡量指標，越接近1則可認為該數據中心越綠色節能，那麼PUE是否可能＜1呢？
在以往定義中，PUE=數據中心總設備能耗/IT設備能耗，理論計算上，將能耗*電費，PUE則可以=總電費/IT用電費用，如果我們把餘熱回收帶來的收益算進去，IT自身產生的廢熱被再次利用，且被利用的足夠充分，是否可以實現PUE＜1？
以該項目為例，餘熱回收不會改變傳統PUE定義，但是從費用角度看PUE，它發生了顯著的變化：
根據初步估算數據顯示，引入餘熱回收後，PUE值有明顯變化，當考慮全年餘熱回收時，PUE值實現了＜1的可能，可見餘熱回收不僅是低品位能源再利用的方式，更是改變數據中心傳統能源評估模式的一次嘗試。
當然，這裡只是就餘熱回收和PUE這個話題作一些有意思的探討，騰訊數據中心從來不追求極致的PUE指標，而是更關注對運營的極致追求。
圖4.騰訊天津數據中心
由於該項目於2019年10月落地，騰訊天津數據中心將用一年時間記錄改造後餘熱回收的節能及成本分析，對比數據中心能耗，驗證其在數據中心可持久推廣的可行性，用騰訊IDC人微小的力量，踐行騰訊“科技向善”的願景。
四、科技反哺社會
餘熱回收概念已提出多年，在數據中心行業內成熟應用的案例在國內還是少數，而在北歐國家，早在2011年，芬蘭赫爾辛基公共能源公司研究通過不同的方式對雲計算數據中心產出的大量廢熱進行收集，供企業建築及民用建築供暖，並將冷卻後氣體輸送回數據中心用於末端降溫。芬蘭和挪威等國家部分地方政府與當地數據中心簽署熱量回收意向書，向數據中心購買熱量提供給周邊社區居民，惠及大眾。
縱觀國內數據中心對於冷源系統的研究主要集中在製冷機組性能能效提高，冷熱源技術方案優化、自然冷卻和可再生能源利用等方面。對於數據中心餘熱回收的利用，目前工程案例和研究方案中，大多是將餘熱直接排放到周圍環境，造成可利用熱量的浪費且加劇城市熱島效應。近年來，我國北方地區開始建設大型數據中心，基於北方採暖需求，若將數據中心餘熱回收用於居民冬季採暖，則可極大的減少能源損耗，推動行業向綠色建築發展。基於此，我們提出以下能源利用方案：
1.在數據中心外建立一個能源站，將數據中心餘熱回收利用後產生的中高溫水併入市政熱力管網，實現冷量和熱量的合理利用。
2.能源站在為數據中心提供冷源及為市政熱力管網提供熱源的同時，將採用燃氣發電技術，供數據中心用電。
3.能源站採用直燃熱泵製冷制熱，熱泵維護期間，峰平時段利用自發電、谷值時段利用低谷電，通過磁懸浮熱泵製冷。
該方案將改變數據中心傳統基礎設施冷量和電力供給方式，利用能源站保證數據中心雙冷源和雙電來源同時（對於T1、T2級別數據中心可完全依賴能源站冷電源，免去基礎設施建造成本），還可將餘熱作為盈利來源，以較低價格售賣給熱力公司，如若走北歐政府簽約模式，居民即可以較低價格獲取市政採暖，不僅減少數據中心成本，同時減少自然能源使用，一舉多得。
五、結語
本文在對數據中心餘熱回收技術方案、能耗分析及其推廣複用性做了初步分析，以騰訊天津數據中心餘熱回收供辦公樓採暖為案例，分析該方案實際應用的可行性和可推廣性，踐行騰訊“科技向善”的願景，以騰訊IDC人的微薄之力，推動行業更加關注非可再生能源的消耗。本文分析得出以下結論：
1. 騰訊天津數據中心提取全園區1/40熱量即可滿足辦公樓採暖需求，每年可節省採暖費50餘萬，減少能耗標煤量達1620.87噸，相當於減少約4040噸二氧化碳排放量，碳排放當量約為種植22萬棵大樹，年節能量達461.62噸，總節能率達28.48%。
2. 回收騰訊天津數據中心冬季全部餘熱，熱量用於採暖可覆蓋的面積達到46萬平方米，如果用於家庭採暖，可滿足5100多戶居民的用熱需求。減排二氧化碳量達16萬噸，碳排放當量約為種植880萬棵大樹，有效減少地球不可再生能源的消耗。
3.提出改變數據中心冷源電源供給方式，建立外包能源站，將數據中心餘熱併入市政熱網，通過熱泵技術為數據中心提供冷源和用戶採暖，並用燃氣發電技術為數據中心供電，實現數據中心冷熱電源自產自銷，熱源對外售賣可獲得盈利，正向引導業內廠商主動向綠色數據中心靠攏，減少自然能源消耗，將綠色環保、降低非可再生能源消耗深入到數據中心行業內。
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