為了符合《巴黎氣候協(xié)定》1.5℃的范圍，迫切需要采取措施減少工業(yè)的溫室氣體排放。習(xí)近平主席在2020年9月22日第75屆聯(lián)合國(guó)在大會(huì)上提出：我國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)在2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。
隨著“東數(shù)西算”戰(zhàn)略、“八大算力樞紐建設(shè)”的推進(jìn)，超大型數(shù)據(jù)中心增長(zhǎng)迅速，年復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)45%。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)中心的用電量和二氧化碳排放量，增長(zhǎng)勢(shì)頭迅猛，越來(lái)越受到各級(jí)政府和全社會(huì)的關(guān)注。據(jù)CDCC數(shù)據(jù)，2021年全國(guó)數(shù)據(jù)中心用電量937億度，占全社會(huì)用電量1.13%（國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)則更高，接近CDCC數(shù)據(jù)的兩倍），預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到1200億度，二氧化碳排放量約7830萬(wàn)噸，占全國(guó)二氧化碳排放量的0.77%，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到1億噸。
在此背景下，數(shù)據(jù)中心的能效提升、可再生能源使用、余熱回收利用等，引起了業(yè)界的極大關(guān)注。其中，針對(duì)數(shù)據(jù)中心的余熱回收利用，大量相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及政策對(duì)其提出要求。
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《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189—2015）指出：有可利用的廢熱或工業(yè)余熱的區(qū)域，熱源宜采用廢熱或工業(yè)余熱。
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《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50174—2017）指出：數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)分別計(jì)算自然冷卻和余熱回收的經(jīng)濟(jì)效益，并應(yīng)采用經(jīng)濟(jì)效益最大的節(jié)能設(shè)計(jì)方案。
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住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)的《綠色數(shù)據(jù)中心建筑評(píng)價(jià)技術(shù)細(xì)則》指出：數(shù)據(jù)中心輔助區(qū)和周邊區(qū)域有供暖或生活熱水需求時(shí)，宜設(shè)計(jì)能量綜合利用方案，回收主機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的排熱作為熱源，宜采用熱泵機(jī)組回收排熱。
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工業(yè)和信息化部、國(guó)家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》提出：鼓勵(lì)在自有場(chǎng)所建設(shè)自然冷源、自有系統(tǒng)余熱回收利用或可再生能源發(fā)電等清潔能源利用系統(tǒng)。
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工業(yè)和信息化部發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)“十三五”信息通信業(yè)節(jié)能減排工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》提出：推廣綠色智能服務(wù)器、自然冷源、余熱利用、分布式供能等先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品的應(yīng)用。
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國(guó)家發(fā)展改革委發(fā)布的《全國(guó)一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系算力樞紐實(shí)施方案》中提出：推動(dòng)數(shù)據(jù)中心采用高密度集成高效電子信息設(shè)備、新型機(jī)房精密空調(diào)、液冷、機(jī)柜模塊化、余熱回收利用等節(jié)能技術(shù)模式。
大型、超大型數(shù)據(jù)中心，甚至核心區(qū)域大型數(shù)據(jù)中心集群化，都為余熱利用項(xiàng)目的大規(guī)模、高效化、低成本、遠(yuǎn)傳輸創(chuàng)造了更有利的條件。本白皮書(shū)，將對(duì)大型、超大型數(shù)據(jù)中心及其集群的余熱回收利用技術(shù)方案進(jìn)行歸納和展望。
一、冷凍水型機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的余熱利用
冷凍水型機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)制冷流程為：冷凍水泵將機(jī)房?jī)?nèi)的熱量通過(guò)水循環(huán)帶入冷機(jī)蒸發(fā)器，壓縮機(jī)在電力驅(qū)動(dòng)下將蒸發(fā)器吸取的熱量傳遞給冷凝器，冷卻水泵推動(dòng)水循環(huán)將冷凝器的熱量換取并帶入冷卻塔，冷卻塔通過(guò)直接或間接的方式將循環(huán)水內(nèi)的熱量通過(guò)強(qiáng)制換熱散發(fā)到室外環(huán)境中去，如此循環(huán)往復(fù)。
冷凍水型機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)通常全年能源效率低，一般采用冷凍水側(cè)余熱回收，系統(tǒng)原理如下圖（圖1）。余熱回收利用主要發(fā)生在冬季，通過(guò)余熱回收機(jī)組進(jìn)行熱回收，為周圍建筑物供暖。
圖1 機(jī)房冷凍水側(cè)余熱回收供暖原理
二、AHU空調(diào)系統(tǒng)機(jī)房回風(fēng)余熱回收
AHU空調(diào)系統(tǒng)是一種被大型數(shù)據(jù)中心機(jī)房廣泛采用的溫控方式，尤其在北方地區(qū)，能充分利用自然冷源，大幅降低全年運(yùn)行PUE。其余熱回收原理見(jiàn)下圖（圖2），從機(jī)房出來(lái)的38℃熱風(fēng)流過(guò)為余熱回收而增設(shè)的熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器，溫度被降低到26～28℃，此處熱量品位較高，回收效果最佳。然后，再過(guò)AHU機(jī)組中的空-空換熱器與室外空氣換熱，此時(shí)AHU可根據(jù)室內(nèi)回風(fēng)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)入空空換熱器的室外冷風(fēng)。
（圖2a）AHU空調(diào)系統(tǒng)機(jī)房回風(fēng)余熱回收原理
（圖2b）AHU空調(diào)系統(tǒng)機(jī)房回風(fēng)余熱回收能流圖
經(jīng)結(jié)合海悟集團(tuán)AHU產(chǎn)品的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測(cè)算，該熱回收方式只要在機(jī)房回風(fēng)腔加裝翅片蒸發(fā)器，回風(fēng)進(jìn)回?zé)嵴舭l(fā)器的溫度38℃，出蒸發(fā)器的溫度26～28℃，可利用溫度達(dá)到10℃以上，而翅片風(fēng)阻最高僅增加40Pa左右，造成的AHU風(fēng)機(jī)總功耗增加約0.85kW，但海悟余熱回收熱泵在此工況下的運(yùn)行COP卻可以達(dá)到6.31以上，使得四季制取45℃熱水的單位耗能都可以降低到傳統(tǒng)電暖設(shè)備的1/6以下，如充分加以利用，將取得非常好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
三、海悟PHU全天候節(jié)能機(jī)組熱回收
PHU機(jī)組本是在“嚴(yán)控PUE、WUE”政策壓力下誕生的，骨子里自帶節(jié)約、增效、環(huán)境友好的基因。其中，海悟出品的帶熱回收的PHU機(jī)型，是2022年新推出的“能源技術(shù)與信息技術(shù)融合型產(chǎn)品”，是為了推動(dòng)行業(yè)向著“構(gòu)建綠色、低碳數(shù)據(jù)中心”為目標(biāo)的正確方向上發(fā)展而做出的努力和貢獻(xiàn)，彰顯著海悟人對(duì)數(shù)據(jù)中心余熱回收利用的不屈態(tài)度！
冬季采暖季節(jié)， PHU熱回收機(jī)組可維持更高的蒸發(fā)溫度，利用小壓比壓縮機(jī)，以極致的效率產(chǎn)出熱能，整機(jī)制熱能效比空氣源熱泵機(jī)組有顯著提升，從下面的對(duì)比表里可以一探端倪：
將數(shù)據(jù)中心制冷與辦公區(qū)域采暖集成于一體，最大限度的實(shí)現(xiàn)能源的綜合利用。其原理如下圖（圖3），壓縮機(jī)排氣管路上并聯(lián)一個(gè)熱回收模塊，通過(guò)電磁閥來(lái)控制熱量的流向控制，回收排氣熱量，提供采暖熱水。通過(guò)電磁閥與電動(dòng)球閥調(diào)節(jié)整機(jī)供熱量。A/B系統(tǒng)分級(jí)切入/切出熱回收工況，避免水溫劇烈波動(dòng)。
圖3 熱回收型PHU整體氟泵機(jī)組原理
以上展示的幾種數(shù)據(jù)中心余熱回收利用技術(shù)和產(chǎn)品，其共同的特點(diǎn)是：余熱回收利用占全年總排熱的比例還很低，熱量利用的形式都是低溫的熱水，用途也受限于洗滌、供暖、養(yǎng)殖、印染……等較小的領(lǐng)域。由于，低溫?zé)崴膫鬏敯霃綐O其有限，一般受管網(wǎng)及泵送成本的制約，僅能覆蓋在2-3公里范圍內(nèi)，而數(shù)據(jù)中心的選址有特殊需求，周邊大概率缺少合適的熱量用戶，造成供需雙方的可望而不可及，處境相當(dāng)尷尬。
四、余熱回收的供熱半徑擴(kuò)展
節(jié)約和被回收的能源都是最“綠色”的能源。數(shù)據(jù)中心余熱總量極大，目標(biāo)需方距離較遠(yuǎn)，打通供需之間的輸送瓶頸，成為當(dāng)務(wù)之急要攻克的難題，面對(duì)難題海悟人從不輕言放棄。
如何擴(kuò)大用熱范圍？
目前，與電廠廢熱、化工廢熱、熱力公司余熱相比較，50℃左右的熱量參考熱價(jià)為50-60元/GJ，熱量的主要消費(fèi)對(duì)象為：小區(qū)供暖、大宗熱水用戶（如：印染廠）、經(jīng)濟(jì)作物種植大棚等。這三大客戶距離IDC的距離不受控制，供需建立關(guān)聯(lián)必須先解決熱量輸送的問(wèn)題。通常，50℃左右的熱采用管道輸送只適合2-3km半徑內(nèi)的距離，而更遠(yuǎn)距離則需考慮其它轉(zhuǎn)移方式。
綜上，我們提出的幾種中心余熱回收熱量成本極低，與市場(chǎng)熱價(jià)間差額較大，完全有空間融入中間轉(zhuǎn)運(yùn)、經(jīng)營(yíng)環(huán)節(jié)。用輪子連接熱源和用戶，就成為可行的拓展方式。目前，海悟人正著力于這一方案的實(shí)施落地，將來(lái)可用實(shí)例來(lái)印證這一途徑的可行性。下圖（圖4、圖5）為相變蓄熱車擴(kuò)展供熱范圍的原理圖：
圖4 相變蓄熱車聯(lián)通熱源與用戶、增加就業(yè)
圖5 熱轉(zhuǎn)運(yùn)擴(kuò)大熱量的利用范圍
五、余熱回收的溫域擴(kuò)展
工業(yè)蒸汽熱泵技術(shù)已日臻成熟，由電力驅(qū)動(dòng)，是一種高能源性的橫切技術(shù)，可提供工藝熱量取代大部分的化石燃料的工業(yè)過(guò)程加熱。
從能流圖可以看出，熱泵產(chǎn)生的過(guò)程熱量是電能輸入和廢熱源輸入熱量的總和，熱輸出通常是電能輸入的2至5倍。海悟的高溫蒸汽熱泵，可以與PHU熱回收機(jī)組、AHU空調(diào)系統(tǒng)中的熱回收熱泵系統(tǒng)緊密結(jié)合，基于超大型數(shù)據(jù)中及其集群提供的海量而穩(wěn)定的低溫?zé)嵩矗a(chǎn)出高品位的工業(yè)蒸汽，并通過(guò)管網(wǎng)輸送到半徑15公里的工商業(yè)用戶，獲得共贏的同時(shí)，是數(shù)據(jù)中心余熱獲得極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值（圖6、圖7）：
圖6 采用PHU熱回收機(jī)組的供蒸汽系統(tǒng)
圖7 采用AHU散熱的數(shù)據(jù)中心的供蒸汽系統(tǒng)
實(shí)例證明，這種方式可以帶來(lái)“產(chǎn)業(yè)共生”的美好前景。在瑞士阿彭策爾，一個(gè)數(shù)據(jù)中心的余熱被用作高溫?zé)岜玫臒嵩矗邷責(zé)岜糜糜卩徑哪汤覐S生產(chǎn)工藝熱、熱水和建筑物供暖。這為山區(qū)奶酪工廠每年節(jié)省了約1.5GWh的天然氣。
