李金苡

中能融合智慧科技有限公司

隨著人工智能、云計算，大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)高速發(fā)展，大型數(shù)據(jù)中心不斷涌現(xiàn)。當前全球數(shù)據(jù)中心數(shù)量已超過 500 萬個，預計 2020 年，全球數(shù)據(jù)中心耗電量將占全球總用電量的5%。截止目前，中國數(shù)據(jù)中心服務(wù)器裝機量1800 萬余臺，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心總耗電量高達613 億度。如何在高能耗數(shù)據(jù)中心尋找節(jié)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(shù)據(jù)中心從業(yè)者不斷探索的方向。本文以濟南某數(shù)據(jù)中心為例，介紹余熱回收原理及其應(yīng)用方案，提出數(shù)據(jù)中心余熱利用的可行性分析方案與建議，以期在社會級能源需求角度推動數(shù)據(jù)中心行業(yè)去關(guān)注能耗問題。

1 項目概況

濟南某數(shù)據(jù)中心是國家級計算中心，位于濟南市歷城區(qū)彩石片區(qū)，是我國首臺全部采用國產(chǎn) CPU 和系統(tǒng)軟件構(gòu)建的千萬億次計算機系統(tǒng)，系科技部批準成立的國內(nèi)三大千萬億次超級計算中心之一，總投資105 億元，總建筑面積40.7 萬m2。

該計算中心的服務(wù)器裝機容量約600 匹，可提供的余熱負荷約70 MW。

在園區(qū)周邊，某房地產(chǎn)開發(fā)的住宅項目位于數(shù)據(jù)中心南側(cè)，直線距離約600 m，為數(shù)據(jù)中心提供生活配套服務(wù)。

通過對終端用戶熱負荷進行模擬測算，可提取數(shù)據(jù)機房低品位熱源，就地消納數(shù)據(jù)機房余熱，通過熱泵升溫，在冬季為計算中心辦公、科研樓和周邊居民供暖。該方法在節(jié)省采暖費用的同時降低冷卻水系統(tǒng)耗電量，進一步增強機房冷卻效果，減少煤炭和天然氣能源的消耗[1]。此外，此舉充分釋放了節(jié)能空間、緩解政府壓力，并積極響應(yīng)國家關(guān)于推進“互聯(lián)網(wǎng) +”智慧能源發(fā)展的相關(guān)指示，提高能源利用效率助推園區(qū)綠色發(fā)展[2]。

2 資源條件與負荷分析

2.1 當?shù)刭Y源條件分析

電力：計算中心科技園主要電力供應(yīng)來自于園區(qū)110 kV 變電站，供電為 10 kV 供電引入，高性能計算設(shè)備引入10 路10 kV 電源，兩兩一組，互為備用，同時配備柴油發(fā)電機及不間斷電源作為應(yīng)急電源保障。

天然氣：天然氣作為一種高效清潔的能源，是分布式能源系統(tǒng)的理想燃料。

計算中心科技園燃氣氣源主要來自濟南港華燃氣中壓管線，氣量較為充足。燃氣低位熱值為8200 大卡/Nm3。供熱用燃氣政府補貼后價格為1.71 元/Nm3，若采用分布式能源項目，天然氣價格為3.3 元/Nm3。

余熱資源：計算中心機房散熱量大，常年運行溫度，具有非常適合利用的余熱資源。本項目考慮冬季利用計算中心機房余熱為辦公區(qū)域及周邊居民供暖。

市政熱力：科技園項目周邊無市政管網(wǎng)供熱條件，不可利用市政集中供熱。

2.2 濟南市相關(guān)政策支持條件

作為一種新興的能源供應(yīng)方式，對我國構(gòu)建“兩型社會”，大氣污染防治，保護環(huán)境意義重大，日益受到全國各級政府的關(guān)注，濟南的采暖、補貼收費標準有相關(guān)政策文件支持。

經(jīng)匯總，濟政發(fā) 【2018】 33 號文、濟價費字 【2013】71 號文件、濟政辦函 【2018】 21 號文相關(guān)規(guī)定具體如表1 所示：

表1 濟南采暖相關(guān)政策補貼價格

2.3 負荷條件分析

1）冷負荷分析

根據(jù)數(shù)據(jù)中心、房地產(chǎn)公司提供的資料，數(shù)據(jù)中心辦公部分及房地產(chǎn)公建地塊的設(shè)計冷負荷具體如表2 所示。

表2 數(shù)據(jù)中心辦公樓及東山府商業(yè)冷負荷表

從表 2 中可以看出，公建總設(shè)計冷負荷25.86 MW，根據(jù)不同類型用戶的用能特性，對典型日冷負荷逐時分析，結(jié)果如圖 1，圖中縱坐標單位為MW。

圖1 數(shù)據(jù)中心及房地產(chǎn)典型日冷負荷變化曲線

從典型日逐時冷負荷圖中可以看出，數(shù)據(jù)中心及房地產(chǎn)區(qū)域冷負荷從8:00 開始出現(xiàn)迅速增加，隨著人員密度和室外氣溫的增加，冷負荷迅速上升，在 16:00時達到用能峰值，19:00 以后隨著室外氣溫下降冷負荷逐漸降低。

2）熱負荷分析

根據(jù)提供的資料，數(shù)據(jù)中心辦公樓及房地產(chǎn)地塊的設(shè)計熱負荷如表3 所示。

表3 數(shù)據(jù)中心及房地產(chǎn)熱負荷表

從表 3 中可以看出，本項目總設(shè)計熱負荷27.84 MW，根據(jù)不同類型用戶的用能特性，典型日熱負荷逐時分析，結(jié)果如圖2，圖中縱坐標單位為MW。

圖2 數(shù)據(jù)中心及房地產(chǎn)典型日熱負荷變化曲線

從典型日逐時熱負荷圖中可以看出，夜間熱負荷維持在10～15 MW 之間，白天隨著辦公及商業(yè)區(qū)域人員活動增加，熱負荷迅速上升，在上午 10:00 時達到用能峰值。

2.4 供能范圍

本項目研究范圍為以數(shù)據(jù)中心機房余熱為切入點，冬季通過回收計算機房余熱、用熱泵提溫，為數(shù)據(jù)中心的科研樓和周邊某地產(chǎn)建筑供熱（居民住宅），燃氣鍋爐作為備用。

3 能源系統(tǒng)方案

3.1 設(shè)計思路

為了滿足終端客戶的用能需求，本項目因地制宜就地消納數(shù)據(jù)機房余熱外供，變廢為寶、最大化釋放能源利用價值，制定如下總體思路：

1）余熱利用模式：以“數(shù)據(jù)機房余熱 +熱泵機組”為核心為房地產(chǎn)住宅地塊和數(shù)據(jù)中心辦公區(qū)域供能，并配以適當?shù)娜細忮仩t作為備用，以保障用戶用能的安全。

2）智能調(diào)度：對科技園內(nèi)的各產(chǎn)能主體，用能主體及能源網(wǎng)絡(luò)進行統(tǒng)一監(jiān)視控制，調(diào)度管理。

3）分期實施：考慮項目的建設(shè)時序和房地產(chǎn)入住率，為更好的匹配負荷增長，本項目分階段實施。

3.2 工藝路線

系統(tǒng)工藝流程如圖3 所示。

圖3 工藝路線示意圖

3.3 技術(shù)方案

設(shè)計參數(shù)根據(jù)本區(qū)塊用戶供暖的最高要求進行設(shè)計，且留有適當?shù)倪^熱度，減少采暖熱水輸送時的損失，設(shè)計冬季采暖供回水溫度50/45 ℃[2]。

熱源系統(tǒng)擬配置 4 臺制冷量為 5979 kW 的高壓離心式水源熱泵，2 臺7000 kW 燃氣熱水鍋爐，配套輔助設(shè)備及相應(yīng)的熱力管網(wǎng)系統(tǒng)。

一期：配置 2 臺熱泵機組 +1 臺燃氣熱水鍋爐 +供熱管網(wǎng)和相配套的輔助設(shè)施，解決數(shù)據(jù)中心辦公區(qū)域和房地產(chǎn)公建采暖的用能需求。

二期：隨著各建筑達產(chǎn)率提高，增配 2 臺熱泵機組+1 臺燃氣熱水鍋爐及配套設(shè)施，以解決增量負荷用能需求。

3.4 運行模式

余熱外供主要用于冬季采暖。熱泵自計算中心制冷機房冷卻水側(cè)吸熱，冷卻水供回水溫度 20/28 ℃。經(jīng)熱泵提升后，用戶側(cè)供回水溫度為 50/40 ℃。

數(shù)據(jù)中心機房熱回收原理如圖4 所示。從圖中可以看出，冬季運行模式下，數(shù)據(jù)機房冷卻水回水有一部分通過自然冷卻模式進行冷卻，另一部分輸送至熱源測，通過熱泵回收其中的熱量，提供供暖熱水[1]。

圖4 熱回收原理圖

熱源測冬季供熱平衡分析如圖5 所示。

圖5 冬季供熱平衡分析圖

3.5 熱源側(cè)選址

熱源測的建設(shè)，應(yīng)滿足通風，泄爆及消防安全距離的要求。從能源輸送的角度考慮應(yīng)盡量靠近變配電所和冷、熱、電負荷中心，周邊供氣、供水、排水等市政設(shè)施齊全，外管線距離短。為便于運行管理，機房最好獨立設(shè)置[2]。但同時滿足上述條件比較困難，根據(jù)上述要求結(jié)合本項目的特點，熱源測擬建位置如圖6 所示。

圖6 熱源側(cè)站址圖

4 余熱利用方案綜合性分析

4.1 節(jié)能性分析

采用數(shù)據(jù)中心余熱采暖，不僅節(jié)省了一次能源天然氣的消耗，也有顯著的經(jīng)濟效益。

與天然氣集中供熱相對比，以一個采暖季為測算周期，將系統(tǒng)的固定投資費用和年運行成本平攤到采暖面積中，得到如下結(jié)論。

假定邊界條件：濟南采暖燃氣補貼價格按照 1.71元/Nm3結(jié)算；取濟南商業(yè)平均電價0.6 元/kWh；濟南水價4 元/m3。

相關(guān)測算結(jié)果如表4 和表5。

表4 天然氣采暖單價

表5 數(shù)據(jù)中心余熱采暖單價

由表 4、5 可知，天然氣集中供熱的采暖單價為22.51 元/m2，數(shù)據(jù)中心余熱采暖單價為19.38 元/m2，相比較，在一個采暖季每平米節(jié)省了3.13 元。據(jù)估算，該數(shù)據(jù)中心機房可釋放約 70 MW 的熱量，周邊采暖建筑面積約50 萬m2，綜合考量，一個采暖季大概可節(jié)省150 萬元[3]。

4.2 風險性分析

余熱供暖系統(tǒng)主要用能為電能、備用鍋爐燃料為天然氣，基本不含硫分和灰分，排放煙氣中基本無 SO2和煙塵。本項目所排放NOx污染物對其周圍環(huán)境質(zhì)量的影響在可接受的范圍內(nèi)，對周邊環(huán)境影響較小，清潔環(huán)保，系統(tǒng)建設(shè)完全符合國家現(xiàn)行相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策，屬于國家鼓勵建設(shè)類項目，具有很強抵抗政策風險能力[1]。

可能存在因電價和材料價格等因素的波動變化，以及地區(qū)物價指數(shù)、社會平均工資指數(shù)的變化和通貨膨脹等因素導致項目經(jīng)營成本增加的風險，需要有一定的保障措施。

4.3 社會性效益

項目為高效率、環(huán)保型機組，推進了山東省節(jié)能降耗減排和電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整目標的實現(xiàn)。項目能保證用戶用能的安全性，具有清潔能源利用的示范作用以及建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的示范作用。

5 結(jié)論與建議

本項目符合國家“十三五”發(fā)展規(guī)劃及節(jié)能減排的要求，符合建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的國家政策，能滿足項目健康、持續(xù)發(fā)展，符合環(huán)保要求，具有較好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益，符合山東省新舊動能轉(zhuǎn)換要求。

經(jīng)論證，本項目社會、環(huán)境效益顯著，技術(shù)方案合理，經(jīng)濟可行，建議加快展開項目的下一步工作。