數據中心余熱利用現狀及在建筑供暖中的應用

李國柱, 崔美華, 黃凱良, 馮國會, 王清勤， 王帥， 孫子軒

(1.沈陽建筑大學市政與環境工程學院， 沈陽 100168； 2.中國建筑科學研究院有限公司， 北京 100013)

隨著數據中心行業的高速發展，巨大的能源消耗是全球數據中心共同面臨的問題。2015年，工業和信息化部、國家機關事務管理局、國家能源局聯合發布的《國家綠色數據中心試點工作方案》顯示, 全球數據中心耗電量占全球總耗電量的比例為1.1%～1.5%。瑞典研究員 Anders Andrae 發布的《消費者總功耗預測》[1]顯示，到2025年全球數據中心能耗將占到信息和通信技術(information and communication technology，ICT)行業總能耗的33%，數據中心的碳足跡將達到全球碳足跡的5.5%。同時，數據中心能耗占全球能耗的比例將從2015年的0.9%上升到2025年的4.5%，直到2030年的8%[2]。 數據中心的能耗密度通常為120～940 W/m2， 但對于業務量繁雜的大型數據中心而言，其能耗密度高達1 080～3 230 W/m2[3]，是普通商業建筑能耗密度的十幾甚至數十倍。

中國數據中心發展起步晚于歐洲國家，但數據中心的電量消耗不容小覷，數據中心總耗電量呈現逐年增加的趨勢，且占社會耗電量的比例不斷增大，根據工業和信息化部、國家能源局的數據，全國數據中心耗電量由2014年的829 億kW·h增長到2020年的2 002 億kW·h，占全社會用電量比重由1.5%增長到2.7%。其中，僅2016年一年中國數據中心總耗電量已超過三峽大壩當年全年的總發電量[4]，預計到2025年，全國數據中心總耗電量將達到社會總用電量的4.05%[5]。考慮到“十四五”新基建帶動數據中心和相關產業投資，預計“十四五”期間數據中心用電需求年均增速約12%[6]。

數據中心服務器等IT設備功率密度高達300～2 000 W/m2[7]，且全年不間斷運行，即使在系統空閑時，仍舊會消耗60%～100%的最大功率[8]，而IT設備消耗的約97%的電力都轉化為熱量[9]。數據中心余熱的可用性取決于電力消耗[10]，據測算，其中68%電力消耗產生的余熱可被回收利用[11]，正因數據中心余熱資源豐富，數據中心余熱利用成為現階段的研究熱點，并且數據中心余熱應用場景廣泛，如建筑供暖[12]、生活用水加熱[13-14]、冷凝廠發電[13]、海水淡化[13]、游泳池加熱[15]、生物質加熱[16]、數據中心冷卻[17]以及余熱出售[18]等，將數據中心余熱回收用于建筑供暖，是研究人員較為關注的利用方式之一。據粗略統計，按現有數據中心規模計算，中國北方地區數據中心的可回收余熱總量約10 GW，理論上可支持3 億m2建筑供暖[19]。

因此，現梳理涉及數據中心余熱利用的政策文件及有關標準，分析數據中心余熱溫度的影響因素，最后介紹中外數據中心余熱在建筑供暖中的研究和實踐，以期為數據中心余熱回收利用的研究工作提供一定的參考和借鑒。

1 支持數據中心余熱利用的政策及標準

工業和信息化部、國家機關事務管理局、國家能源局于2015年聯合發布的《關于印發國家綠色數據中心試點工作方案的通知》是國家較早的鼓勵數據中心余熱利用的文件。近年來，圍繞信息通信業節能減排、綠色數據中心建設等發布的一系列政策文件，均對數據中心余熱回收利用提出了要求。地方有關部門積極落實相關要求并制訂具體方案，如北京市經濟和信息化局《北京市數據中心統籌發展實施方案(2021—2023年)》中明確提出“鼓勵數據中心采用余熱回收利用措施，為周邊建筑提供熱源，提高能源再利用效率。”表1為近年來數據中心余熱利用相關支持政策，由表1可以看出，從國家到地方政策都在探索和鼓勵數據中心的余熱回收利用。

表1 數據中心余熱利用的支持政策及內容Table 1 Supporting policies and contents of data center waste heat utilization

近年來數據中心行業有關標準(表2)陸續發布,多數標準包含鼓勵回收機房排熱再利用等有關內容，數據中心余熱回收再利用逐漸得到重視。為規范互聯網通信行業數據中心綠色建筑評價工作，由住房城鄉建設部印發的《綠色數據中心建筑評價技術細則》評分項5.2.15中提到“數據中心輔助區和周邊區域有供暖或生活熱水需求時，宜設計能量綜合利用方案，回收主機房空調系統的排熱作為熱源，宜采用熱泵機組回收排熱。”滿足“參評數據中心的供暖全部由熱回收提供”或“采暖季總余熱回收利用率達到30%以上”規則之一即可獲得6分。2021年，國家全文強制標準《數據中心項目規范(征求意見稿)》也明確提出“當余熱回收經濟效益較大時，應回收主機房排熱”的規定。

表2 涉及數據中心余熱利用的有關標準和規定Table 2 Relevant standards and regulations related to waste heat utilization of data center

在有關政策和標準的推動下，數據中心余熱回收利用開始起步發展，目前，北京、上海等少數城市率先出臺的地方政策也提到數據中心余熱利用的有關內容，對于今后其他城市政策的落實起到了帶頭作用。雖然政策形成了一定的導向作用，但尚未出臺數據中心余熱利用的專門技術標準或技術方案，數據中心余熱回收系統設計及運維模式有待細化。加強政策引導、完善標準建設、開展技術研發，是進一步推進數據中心余熱利用的有效方式。

2 數據中心余熱溫度的影響因素

數據中心余熱利用潛力巨大，但影響余熱利用的因素也有很多，包括溫度水平不合適、熱量需求不足、投資成本高、數據中心運營商與區域供熱公司的利益沖突以及商業模式不完善[12,20]，其中，數據中心余熱溫度是影響熱回收技術選擇和熱利用可行性的關鍵因素[14,21-24]。本文將數據中心余熱溫度的影響因素作為討論重點，Ebrahimi等[13]和Davies等[14]分別針對不同冷卻形式、不同收集位置對余熱溫度的影響進行了詳細研究，本文依據其觀點梳理分析如下。

2.1 冷卻技術對余熱溫度的影響

數據中心的冷卻技術方案多樣，相關方案有自然冷卻[25-26]、噴霧冷卻[27]、液體冷卻[25,28-30]、蒸發冷卻[31]等。不同的冷卻技術產生的余熱溫度不同，中外學者對于數據中心風冷技術、水冷技術，以及兩相冷卻技術研究較多，不同類型冷卻技術產生的余熱溫度及收集位置如表3所示。

表3 不同類型冷卻技術余熱溫度及收集位置[13-14,28-29]Table 3 Waste heat temperature and collection location of different types of cooling technologies[13-14,28-29]

多數風冷型數據中心設置冷熱通道，冷卻服務器所需要的低溫空氣由冷通道送入，國家標準《數據中心設計規范》GB 50174—2017要求冷通道或機柜進風區域溫度為18～27 ℃，產生的熱量經過熱通道回到機房精密空調(computer room air conditioner，CRAC)。從回收的余熱品質來看，余熱收集的最佳位置位于服務器機架的出風口處，就余熱回收難易程度而言，從CRAC回風口或冷水機組回水處收集余熱相對簡單。對于風冷數據中心，35 ℃左右的余熱適用于熱水預熱或空間加熱，也可用于提升進入數據中心的外部空氣溫度，防止結冰或結露，若用于集中供暖等對熱量質量要求更高的場所，則需要結合熱泵進行溫度提升[13]。高密度數據中心常采用液體冷卻技術，如芯片冷管式、浸入式水冷等[30-32]，以高比熱容的液體取代空氣，減小冷量與熱源的距離，余熱回收也更加便捷[33]，從水冷數據中心提取的60～70 ℃的余熱，適用于集中供暖和熱水生產[13]。兩相冷卻技術屬于液體冷卻技術中的一種，相比風冷和水冷技術，兩相冷卻技術收集的余熱品質更高，可滿足更多場合的熱量需求，關于常見的余熱回收技術與主要的數據中心冷卻技術是否能夠集成，Ebrahimi等[13]對此進行了適用性分析如表4所示。

表4 數據中心余熱與典型余熱回收利用場景的適用性[13]Table 4 Applicability of data center waste heat and typical waste heat recovery and utilization scenarios[13]

2.2 收集位置對余熱溫度的影響

數據中心服務器通常由高度集成的微處理器、附加存儲器和包括輸入輸出(I/O)設備、磁盤驅動器和電源在內的輔助組件構成[12]。不同類型電子元件的發熱量不同，微處理器中包含的CPU作為服務器的核心組件，其發熱量占據服務器總發熱量的大部分，而內存模塊、芯片組、電源的發熱量較少且固定[34]。Daives等[14]基于Intel和IBM數據對標準服務器和高性能集群的溫度及熱值進行整理，服務器機架中的主要部件所占熱量比例及其溫度值如表5所示。

表5 IT服務器機架主要部件所占熱量比例及其溫度值[14]Table 5 Heat proportion and temperature value of main components of it server rack[14]

美國室內空氣質量標準(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE)[35]對不同類型服務器組件利用率進行了匯總(表6)，服務器性質及用途不同，其組件利用率不同，服務器的發熱量也存在差異。服務器機架的發熱量不僅與服務器組件類型還與服務器機架進口空氣、服務器負載率相關，多個因素的影響可能導致服務器機架內余熱溫度和熱密度的不同。若根據服務器機架內產熱情況及熱量需求，有針對性地從數據中心多個位置收集熱量，利于高品質的余熱流被利用[14]。

表6 不同工作負載類型組件利用率[35] Table 6 Component utilization of different workload types[35]

3 數據中心余熱在建筑供暖中的應用

3.1 數據中心余熱供暖在國外的應用

歐美國家對數據中心余熱的回收利用研究較早，已形成固定的模式，并取得良好的經濟和環境效益。早在2010年，歐美國家就開始回收數據中心余熱用于市政供暖[19]。其中，芬蘭在余熱回收及輸送方面擁有較多的實踐及技術積累，數據中心余熱由專門從事相關領域的能源公司進行管理使用，通常余熱在提升建筑室內溫度后，冷卻后的空氣會被回收用至數據中心服務器降溫，不僅實現了變“廢”為“熱”，更做到了物盡其用，為數據中心綠色化、低碳化提供了行之有效的實現路徑。

從數據中心空氣中回收的30～40 ℃的余熱通常可以直接用于附近建筑供暖及水加熱，常見的形式為小型化數據中心或服務器臨近供熱建筑布置。Liu等[36]將小型云服務器分散布置在公寓樓和辦公樓，服務器散發的熱量可以為私人空間或辦公區域供暖，減小碳足跡。該技術實施同期，芬蘭首都赫爾辛基市實施了同樣想法的項目，Academica公司將數據中心服務器產生的余熱用于區域供暖系統，可為500個中央公寓供暖[37]。將分散布置較小規模的數據中心在本地使用余熱的方法稱為環境機會計算(environmentally opportunistic computing，EOC)[38-41]。該方法是將分布式“集裝箱化”數據中心節點連接或集成到現有或新建的建筑，利用數據中心設備的熱量來抵消建筑的供暖需求[38]。Woodruff[39]提到芬蘭某數據中心及美國能源部的國家可再生能源實驗室均采用EOC方法，將數據中心的熱量用于家庭、辦公室及研究實驗室的空間空暖。

區域供暖是數據中心余熱利用一個有前景的應用方式[11,14]，也是低質量能源再利用最常見和簡單的應用[42]。若將余熱用于區域供熱系統，或從冷凍水中回收低溫熱，則需要使用熱泵對溫度進行提升。Deymi-Dashtebayaz等[43-44]提出了一種結合自然冷卻和數據中心余熱回收的系統(圖1)，利用空氣源熱泵將余熱用于相鄰辦公樓，在熱泵循環中，液態制冷劑通過膨脹閥變為低壓兩相混合物進入蒸發器，接收來自數據中心熱空氣的熱量后轉化為低壓蒸汽，在壓縮機中被壓縮，以高壓熱蒸汽的形式進入冷凝器，而數據中心附近建筑供暖所需的熱量一部分是通過冷凝器中的制冷劑和供水之間的熱量傳遞來提供的。其研究表明，引入該系統的辦公樓每年可節省天然氣15 000 m3，年CO2減排量267 t。俄羅斯搜索引擎公司Yandex在芬蘭曼采萊鎮的數據中心，通過熱泵技術使數據中心熱空氣溫度由最初的30～45 ℃升高至55～60 ℃后輸送至當地的供熱系統，所提供的熱水能夠幫助當地減少約50%的天然氣消耗及40%的碳排放量[45]。同樣，瑞典愛立信[46]、Telia[47]等公司在芬蘭建設的數據中心也將余熱用于當地區域供熱系統，預計回收的熱量分別滿足約1 000 戶、25 000 戶家庭的供暖需求。

圖1 空氣源熱泵與數據中心耦合的原理圖[44]Fig.1 Schematic diagram of coupling between air source heat pump and data center[44]

3.2 數據中心余熱供暖在國內的應用

國內數據中心運營商逐漸意識到余熱利用的必要性，陸續開始在余熱回收方面進行研發、布局，如阿里巴巴千島湖數據中心、騰訊天津數據中心、萬國數據北京三號數據中心，以及即將投產的UCloud優刻得烏蘭察布云計算中心等。其中，騰訊天津數據中心余熱回收項目采用磁懸浮熱泵機組，“磁懸浮”技術與成熟的離心壓縮機技術相結合對數據中心冷凍水余熱二次提溫，在冬季替代市政供熱，數據顯示，若提取園區冬季全部熱量可滿足約5 100 戶居民采暖需求，減少約16 萬t CO2排放量[48]。同樣，萬國數據北京三號數據中心項目使用螺桿式水源熱泵對外實現供熱，通過自建供熱管道與數據中心所在園區內原有的換熱站連接，熱用戶通過使用數據中心余熱減少標準煤消耗約620.5 t[49]。而UCloud優刻得烏蘭察布云計算中心項目采用了水源多聯機余熱回收技術，回收的余熱每年可減少7 380 t CO2排放量[50]。相比國外，中國數據中心余熱回收的實際應用案例并不多，需要更多的實踐和積累。

現有的數據中心余熱回收方法之一是利用熱泵技術，水源熱泵作為回收低品位余熱的節能裝置[51]，該方面的案例研究較多。袁小艷等[52]對余熱用于臨近建筑生活熱水及供暖等方面進行了研究，結果顯示，1 m2數據中心面積可滿足臨近建筑10 m2供暖的熱量需求，僅考慮供暖情況下對數據中心及其臨近建筑的節能率可達42%。李先庭等[53]提出一種數據中心熱回收用于建筑供熱的綜合系統，通過熱管/熱泵復合空調獲取數據中心熱量，利用水源熱泵為建筑供熱，節能率達60%。Huang等[54]提出了一種基于三流體換熱器的熱泵/熱管一體式熱回收系統并對其在寒冷地區的應用效果進行研究，結果表明，從一個5 kW數據中心獲取的9 525.4 kW·h熱量可以滿足天津60 m2住宅房間的熱量需求，系統全年綜合能效比達4.75。李朋安[55]和羅玉慶等[56]對利用水源熱泵將數據中心余熱用至附近辦公樓供暖系統進行研究，結果表明，采用余熱回收系統的供暖方式較之前傳統供暖系統而言，運行費用分別可節省19.26萬元、91萬元。呂萌萌等[57]采用水源熱泵機組為項目研發辦公及餐廳區域進行余熱供暖方案，采用余熱回收利用系統顯示，CO2、SO2年減排量分別為222 t、10 t。

Zhang等[58]建議使用帶熱虹吸的水冷式集成空調作為熱回收系統，用于冷卻互聯網數據中心和為數據中心附近的辦公樓供暖，其研究表明，與傳統冷卻和加熱系統相比，該系統的制冷和供暖節能潛力分別為33%和60%。張國輝等[59]在此基礎上，研究了上述熱回收系統在我國北方地區典型城市的應用效果，總結出對于常規散熱密度(600 W/m2)的中小型數據中心采用該熱回收供熱系統的技術方案，系統原理如圖2所示，在供暖季，開啟水源熱泵機組，水源熱泵機組制熱量大于等于建筑熱負荷時，閥門V1～V4開啟， 閥門V5～V7關閉，此時鍋爐不運行，水源熱泵機組回收數據中心的部分散熱量用于供暖，剩余部分熱量由冷卻塔排放到環境中；當水源熱泵機組的制熱量小于建筑熱負荷時，閥門V1、V2、V5和V7開啟，閥門V3、V4、V6關閉，水源熱泵機組回收數據中心全部散熱量用于供暖，不足的熱量由鍋爐補充。其研究表明，每10 000 m3數據中心可以為哈爾濱1.3 萬m2、北京1.6 萬m2居住建筑供暖，相比燃氣鍋爐供暖，可節省天然氣8.75 萬m3以上。

圖2 基于水冷式復合空調的熱回收系統原理[59]Fig.2 Principle of heat recovery system based on water-cooled composite air conditioner[59]

He等[42]將分布式冷卻系統引入呼和浩特市某數據中心，利用熱泵技術將18 ℃的冷凍水溫度提升至54 ℃左右用于區域供暖，結果表明，采用余熱利用系統每年可減少約10%的電力消耗，對比燃煤鍋爐加熱系統，每年可節煤約1.8 萬t。余熱回收系統方案及各節點溫度情況如圖3所示。同樣，Li等[60]

圖3 余熱回收系統方案及各節點溫度[42]Fig.3 Scheme of waste heat recovery system and temperature of each node[42]

利用CO2跨臨界熱泵技術回收數據中心余熱用于區域供暖， 結果表明，采用數據中心余熱供暖較電加熱、燃氣加熱等普通供暖方式能源成本低23.0%～75.0%，與燃氣供暖相比，每年可減少CO2排放12 880 t。

3.3 數據中心余熱供暖的條件與技術分析

采用數據中心余熱為建筑供暖時，首先考慮熱源與用戶的匹配度。根據數據中心余熱規模、余熱品質以及輸送距離等因素進行考量，若數據中心規模小且余熱溫度較低，數據中心余熱以向周邊建筑供暖為主，而大型數據中心的余熱可以匯入城市管網進行集中供暖。

其次，考慮余熱回收技術與數據中心冷卻系統形式的適用性。常見的余熱回收技術包括熱泵、換熱器、熱管、蓄熱裝置等，對于設有獨立熱回收通道的數據中心，其內部產生的熱空氣可由公共管道輸送至空氣處理單元，根據從水側或空氣側收集熱量位置的不同，可采用水-冷媒熱交換器或水-空氣熱交換器，而熱泵作為最廣泛使用的余熱回收技術，在使用時也要考慮源溫度和輸送溫度對熱泵效率的影響。

最后，把握經濟效益和環境效益的平衡。數據中心余熱回收用于建筑供暖的經濟效益與項目初期投資、熱用戶需求及電價等因素有關，初期投資少、回收的余熱溫度高更易于形成良好的經濟效益，而增加環境效益通常需要較高的投資，如增設熱能儲存裝置等，這往往需要對經濟效益和環境效益的最大化進行調節與平衡。

4 結論

(1)政策標準方面，數據中心行業系列政策標準對數據中心余熱回收利用形成了一定的推動作用，進一步激發了有關部門對數據中心行業創新、節能的意識。目前來看，國家對此積極倡導、地方逐步推進落實，但數據中心余熱利用相關的規劃設計、設備選擇及運維管理等政策、方案有待統一完善，后續應聚焦數據中心余熱利用關鍵技術，建立健全數據中心余熱利用標準體系及評價準則，引導和促進數據中心余熱回收利用模式的發展。

(2)余熱溫度影響因素方面，數據中心余熱溫度是余熱利用的關鍵因素，不同應用場景對熱源溫度的要求不同，通常以此來衡量是否需要對余熱溫度進行二次提升。數據中心余熱溫度不僅受服務器類型、數量的影響，還與余熱收集位置的選取有關。在實際項目應用中，應結合數據中心冷卻系統形式，選擇適宜的余熱收集位置，最大程度地實現數據中心余熱利用效益最大化。

(3)工程應用方面，在國外，數據中心余熱供暖的實踐較多，常見的形式一是通過小型數據中心取代大型數據中心或數據中心邊緣化布置，實現余熱就近供應；二是將數據中心余熱統一收集輸送至供熱管網，供多個熱用戶使用。在國內，應用實踐主要是將數據中心余熱就近供應給辦公區域或私人空間，缺乏更多的實際工程項目支撐。統籌協調數據中心與熱力部門的發展建設，解決跨領域跨行業合作壁壘，落實責任主體，推進數據中心余熱在區域供暖中的應用實踐。