热回收技术在数据中心应用局限性探讨

随着“互联网+”国家行动计划的推出，实施网络强国战略，把互联网作为谋求竞争新优势的战略方向，建设全国一体化的国家大数据中心，以信息化培育新动能，用新动能推动新发展。几年来国内大数据、云计算、物联网、5G建设，以及虚拟化、人工智能领域得到蓬勃发展，数据中心的设计与建设进入一个爆发期。为数据中心IT电子设备服务的基础设施技术更新也非常活跃。数据中心作为服务器等IT电子设备运行专用场所，机房连续运行且持续恒定发热，全年需要独立专用的空调系统连续制冷运行，将机房内电子设备散发的大量热量带出到机房外面大气中进行排放。对于一个机架规模以上的数据中心，其热量排放是极其可观的。所以行业就一直有讨论，为什么不将数据中心排放的这部分热量加以回收并进行利用，实现数据中心的余热回收呢？

对于数据中心，可以提供一定的技术手段将数据中心排放的热量加以回收，实现废热的回收利用，具有一定的环保和节能意义，但由于其无法很好进行数据中心与配套建筑的协调利用，整个系统节能潜力有限，回收热量的温度品位太低而无法直接进行利用。同时热回收切换过程中，可能会对数据中心空调冷水机组系统运行可能产生一定的不利影响，这些年来，热回收这个话题在行业讨论较多，但项目的实际应用却相对很少，本文就此问题做简单的探讨。

目前中央空调行业的热回收技术大都采用冷水机组高压排气冷凝部分热回收的方式，在冷水机组的冷凝器中增加热回收管束，或者在压缩机高压排气管上增加一个水氟热交换热器作为热回收换热器。从压缩机排出的高温、高压的制冷剂气体优先进入热回收换热器中，其部分热量被循环水带走，多余的热量通过风冷冷凝器直接排放到室外环境中，或者由水冷冷凝器的循环冷却水带出，再由冷却塔排放到大气中。

民用冷水（热泵）空调机组热回收系统原理图如下：

如以上民用建筑用热回收系统，夏季时冷水机组压缩机制冷运行，室内侧板换（蒸发器）产生低温冷冻水，供给大楼的风机盘管制冷使用，热水板换（热回收换热器）回收的热水可以供给建筑附近生活区的洗浴使用。在冬季时，冷水机组采用热泵制热运行，热板换如果运行，将会分走室内侧的部分热水供给，所以热回收意义不大。在春秋过度季节，压缩机运行时间相对较短，热回收也是基本处于停止运行。

数据中心用冷水机组热回收系统原理图如下：

目前数据中心水系统一般采用带自然冷却风冷式冷水机组或冷却塔+水冷冷水机组形式，全年365天连续制冷，不需要制热运行，属于单冷型冷水机组。冷水机组其有别于民用建筑使用的热泵型冷水机组，全年一般有压缩机制冷运行、完全自然冷却运行和混合运行等三种模式，全年大部分时间处于自然冷却运行，只有少部分时间压缩机在工作。所以针对数据中心而言，热回收的而利用有先天性的局限性，导致热回收技术应用收到限制，分析如下：

1.数据中心的热回收无法做到全年利用

对于数据中心而言，机房虽然需要全年连续制冷，但空调基本都配置有不同形式的自然冷却功能，全年大部分时间可以采用自然冷却为机房进行供冷，只有在夏季高温或春秋过度季节，压缩机才开启或者部分运行, 导致空调系统全年在自然冷却制冷运行时，数据中心的热回收潜力大幅降低或丧失。

2. 热回收热量品味太低，无法直接进行使用。

对于冷水机组而言，冷凝温度越高，其冷却水出水温度就越高，也意味着热回收水温可能会越高，但冷凝温度提升导致冷水机组制冷功率的提高，机组能效比降低，同时冷水机组制冷量也会相应地减少。以热回收水温45℃为例，每提高14%的热回收量，则冷水机组能效比将下降17%左右。所以对于数据中心冷水机组而言，我们必须是冷水机组制冷优先，必须保证数据中心制冷的可靠性和运行效率，优先保证冷水机组的运行效率，其次才能均衡考虑提高热回收的热量和温度，所以热回收水温不能设计太高。部分热回收一般占全部冷凝热量的30%至40%。对于数据中心如果发生机房负荷变化情况，热回收量随着冷负荷的减少会很快下降，无法提供相对稳定持续的热量供应。

冷水机组的冷凝温度一般设计在45-50℃左右，很少超过55℃，所以冷水机组热回收的出水温度基本都低于45℃。而居民一般洗浴用水必须达到55-60℃左右。如果回收的热水用于大楼的采暖使用，那水温会要求更高。热回收得到的热水必须通过其他空调机组或热水锅炉进行二次加热提升水温，再行使用，这样还必须投资1套额外热水供应系统。

3.数据中心的用冷与周围民用建筑的用热负荷无法相匹配。

一般数据中心的发热密度是生活办公区域的30-50倍，如果利用数据中心余热为生活办公区域进行供热，那么办公区域的规模需要非常大，用于数据中心回收的热量充分使用。或者必须要求数据中心的规模相当小，其热回收容量和规模都比较小，否则数据中心输出发热量与办公区域的需求热量不相适应，导致二者冷热负荷不匹配，回收的大量热量无法及时得到利用，直接影响数据中心的稳定运行。

数据中心要求24小时 × 7天持续制冷，但民用建筑无法做到连续用热，冬夏季节不同，白天夜晚时段更是不同。由于生活热水使用上的不稳定性，回收热量需求也是时有时无、时高时低，热回收无法连续稳定运行，导致冷水机组冷凝器与热回收的纷繁切换，对数据中心供冷用冷水机组运行稳定造成不利影响，严重时直接影响到数据中心的可靠性。

4.投资运行比较低，回收周期长

站在数据中心可靠性角度上，热回收的利用将会导致冷水机组制冷系统和整体空调控制系统设计和投入更加复杂，其投资和后期维护成本都会较标准冷水机组相应增加，投资成本将会远远超过余热回收所带来的节能收益，其投资回收周期基本都要超过5年以上。

同时空调系统复杂程度提高，可能会降低数据中心可靠性，导致数据中心运行可靠性评审受到一定的质疑。行业中数据中心客户租赁、等级认证评审、资质审查将会变的更加严格，甚至可能会受到相关监管部门的过分关注。

5.结论：

综合以上，基于数据中心运行特点，考虑数据中心可靠运行，保证空调系统运行可靠性及运行效率，结合前期设备投资及后期运行回收周期，在数据中心进行热回收技术应用，具有一定的局限性，需要仔细分析和对待。

以上为个人认识，可能存在一定局限性，还请同仁们批评指正！