近年來，我國大數據、云計算等產業發展迅速，數據中心作為支撐數據存儲計算的基礎設施迎來了蓬勃發展，能耗問題也受到了越來越多的關注。

 

　　數據中心與傳統民用建筑用冷用熱差別較大，數據中心建筑空調主要是為服務器、交換機等發熱設備服務，為保證業務的連續性，供冷系統需要全年運行以滿足其需要的溫濕度環境。此外，數據中心單位面積的冷負荷通常為1000~3000W/m2，遠高于一般公共建筑，是普通辦公樓的幾十倍甚至上百倍。

 

　　鑒于此，數據中心空調系統通常是以制冷為主，幾乎沒有用熱需求。考核數據中心能效時，常用電能利用效率（power usage effectiveness，PUE）這一指標（PUE等于數據中心總能耗與數據中心IT設施能耗之比，總能耗包括IT設施能耗、制冷系統能耗、電氣損耗、其他設施用電），不會涉及其他非數據中心區域用熱相關能耗。

 

　　作為PUE的重要組成，制冷能效因子（cooling load factor，CLF）通常用作衡量數據中心制冷系統的能效指標，CLF等于數據中心制冷系統能耗與數據中心IT設施能耗之比。

 

　　隨著數據中心建設規模的擴大，有些數據中心周邊也會有公共建筑、住宅等社區，會有供暖等用熱需求，特別是冬季，數據中心需要供冷，周邊公共建筑需要供熱，這種同時存在用冷用熱需求的園區，既可以單獨設置冷熱源系統，也可以使用熱回收制冷機組。此時，用PUE或CLF來衡量園區的用能效率就不夠全面了。

 

　　此外，數據中心冬季用冷往往可以采用自然冷卻，無需開啟壓縮機。充分利用自然冷卻一直是數據中心降低能耗的重要技術措施。如果采用熱回收制冷系統，系統可以實現供冷的同時對余熱進行利用，但全年都需要開啟壓縮機，無法利用自然冷卻。2種方案究竟哪種更具節能優勢，數據中心園區什么情況下適合冷熱源單獨供應，什么情況下適合采用熱回收制冷機組同時供冷供熱呢？本文將針對這一場景，通過數據對比，探討不同方案的可行性和應用場景。

 

　　01數據中心園區供冷供熱方案分析

　　以北京地區為例，綜合電價按0.7元/（kW·h）計算，天然氣價格為2.21元/m3，市政供熱費用為30元/m2。

 

　　假定一個數據中心面積為1萬m2，可以安裝1000個機柜，IT負荷穩定在5000kW，周邊有用熱需求，供熱時長均為123d。為了簡化對比模型，僅計算IT設施的用冷需求，即供冷系統容量按5000 kW計算。

 

　　本文將針對用熱量分別為500、2500、5000kW的場景進行分析，對應的供熱面積分別為1萬、5萬、10萬m2，供熱指標按50W/m2估算。

 

　　為了使對比更具針對性，本文僅針對供冷供熱相關的能源費用作分析，每年還有3400萬元左右的IT設施和電氣損耗引起的電費，均未納入計算。

 

　　1.1方案1：園區冷熱源單獨設置

 

　　當數據中心園區冷熱源單獨設置時，可以分開對比供冷系統和供熱系統，選擇最適合的供冷供熱方案。

 

　　行業內大型數據中心常用的供冷系統主要有冷水系統、間接蒸發冷卻空調系統（以下簡稱AHU系統）等。根據氣象條件和相關設備廠商提供的數據，冷水系統、AHU系統能源消耗對比如表1所示。

　　從表1可以看出，AHU系統能效更優。

 

　　數據中心能源消耗量大，采用更高能效的供冷方案，符合國家相關的政策導向，也可以大大提升數據中心的競爭力，選擇供冷方案時，應該把能效作為最重要的指標之一。AHU系統可以實現冷源與負荷中心近距離接觸，利用逼近濕球溫度的風側自然冷卻，實現全年應用自然冷卻。即使最炎熱的夏季，也只需要50%左右的機械制冷作為補冷，可以顯著減少數據中心空調系統能耗。事實上，除了可以實現更低的PUE，AHU系統還具備運維簡單、投資低，更容易實現分期部署等優勢，所以成為近年來新建數據中心的首選。

 

　　AHU系統雖然能效更優，但該方案對建筑條件有較高要求，層高不夠或通風面積無法解決時往往無法采用。針對已有建筑或層高受限的建筑，絕大多數數據中心都會采用冷水系統，冬季可以通過冷卻塔+板式換熱器實現自然冷卻，達到節能的目的。

 

　　供熱方案主要是采用市政供熱，沒有市政供熱的區域也可采用燃氣鍋爐，市政供熱和燃氣管道都沒有的區域往往會采用空氣源熱泵作為熱源。根據相關的價格和指標，以及設備廠商提供的數據，空氣源熱泵、燃氣鍋爐、市政供熱幾種供熱方案的能源費用對比如表2所示。

　　從表2可以看出，市政供熱能源費用最低，且沒有熱源設備的投入，初投資和占地面積都會優于其他方案，有條件時應該作為首選方案。燃氣鍋爐和空氣源熱泵供熱成本差別不大，這與電價和天然氣價格有關。當電價和天然氣價格有變化時，比較結果可能會發生變化，具體項目應根據資源條件和能源價格具體分析。

 

　　數據中心為獨立功能或主要功能的建筑，大部分房間常年用冷，不需要供熱。一個1萬m2的數據中心，有供熱需求的區域面積通常不超過2000 m2。同數據中心整體能耗費用數千萬元相比，當供熱需求量較低時，無論使用哪種供熱方案，供熱相關的能源費用對整體影響都不大。當周邊存在其他非數據中心類型的熱用戶時，隨著供熱面積的增大，用熱相關的能源費用占比也會逐漸加大。此時，選擇供熱方案應該充分評估總體擁有成本（total cost of ownership，TCO，數據中心全壽命周期內建設費用和運行費用的總和），從技術經濟維度綜合確定。

 

　　總之，針對冷熱源單獨設置的數據中心園區，可以分別對比供冷供熱方案，選擇合適的供冷供熱系統。從TCO看，供冷選擇AHU系統、供熱選擇市政供熱是最優的。

 

　　1.2方案2：數據中心采用熱回收制冷機組，夏季供冷，冬季同時供冷供熱

 

　　除了數據中心這種獨立功能的建筑外，如果園區內還有其他公共建筑，有較大規模的供熱需求時，可以采用熱回收的方案同時供冷供熱。熱回收包括直接熱回收和冷凝熱回收。對數據中心的排熱采用直接回收，品質相對較低，應用的場景很少。數據中心領域的熱回收大多數是指冷凝熱回收，也就是采用熱泵機組，供冷的同時為園區提供40~60℃的熱水。

 

　　數據中心采用冷凝熱回收制冷系統，通常會在用熱區域設置熱泵，以供熱為主要控制參數，附加產生的冷量排放至數據中心用冷水系統。如果用熱量需求不大，熱泵產生的附加冷量對整個冷水系統的影響也不大，其余供冷依然可以利用自然冷卻以降低能耗。目前，有些用熱規模不大的數據中心園區已經采用了這種供冷供熱方案，運行效果良好。

 

　　采用熱回收制冷機組，不同熱回收規模對應的能源消耗費用如表3所示。

　　根據GB 40879—2021《數據中心能效限定值及能效等級》規范相關要求，如果把熱泵認定為非數據中心區域的供熱設備，其能耗就可以不計入數據中心總能耗。同沒有熱回收的冷水系統相比，采用熱回收型冷水機組可以使PUE數據更低，熱回收規模越大，對PUE越有利。但這種場景下，PUE并不能體現能耗總量和能源費用，因此熱回收制冷供熱場景僅用PUE或CLF來衡量數據中心的能效不夠全面，系統的合理性還需要綜合考量供冷供熱成本。

 

　　通常，一個園區的用冷和用熱都會有波動，采用熱回收制冷系統，如果園區用冷量遠遠大于用熱量，熱泵機組可以采用供熱參數控制，通過補冷滿足供冷需求。本文所有分析都是基于用冷量大于用熱量、其余用冷量可通過自然冷卻裝置進行補充等假設條件。

 

　　如果用熱量遠遠大于用冷量，熱泵機組可以采用供冷參數控制，此時，通過其他補熱措施來滿足供熱需求，熱泵機組按最大用冷量設置即可。分析數據與冷熱量均為5000kW時基本相同。

 

　　當冷熱用量接近時，可能會出現自然冷卻負荷過低引起設施難以啟用、出現凍結等風險，需要采取預防措施。此外，冷熱用量基本相當、供冷（供熱）出現波動時，有可能影響供熱（供冷）系統，此時往往需要額外的補冷補熱系統，這會導致控制復雜，引起投資、用地面積的增加。針對這種場景，還需要對整個系統作出進一步的分析。

 

　　02、數據中心園區供冷供熱方案對比分析

　　根據上述分析，幾種供冷供熱方案的能源消耗費用對比如表4所示，針對供熱面積分別為1萬、5萬、10萬m2的不同場景，對能源費用做了從低到高的排序。

　　從表4可以看出：

　　1）采用能效更優的供冷形式對數據中心園區的能源成本影響重大。無論哪種場景，哪種供熱方式，AHU+獨立熱源系統的能源消耗費用都是最低的，主要是因為AHU系統自然冷卻利用率更高，能效明顯優于冷水系統。隨著用熱需求的增大，這種優勢會有所降低。

　　2）針對無法采用AHU系統或其他高效制冷系統的場景，采用熱回收制冷機組作為整體供冷供熱方案是可行的。盡管制冷側無法充分利用自然冷卻，但節能效果仍然優于冷水+獨立熱源系統，熱回收量越多，采用熱回收的收益越大。

 

　　實際項目中，一個IT設施負荷為5000kW的數據中心，電力消耗費用為4000萬元左右，供暖相關費用占比不大，特別是用熱量較低或供暖時間不長時，熱回收帶來的節能收益會更加不明顯，能源費用往往不作為方案選擇的主要依據。

 

　　03、結語

　　PUE是目前業界公認的最具影響力的表征數據中心電能利用的關鍵性能指標。多個地方標準、行業標準、企業標準都采用PUE對數據中心進行節能性能的劃分。但PUE本身是一個片面的指標，其實際指向的是數據中心基礎設施用能效率，并不能體現數據中心園區的總體用能效率。某些場景下，總能耗與PUE并不會出現相同趨勢的線性降低，反而會出現PUE值下降而總能耗增大的現象。針對數據中心周邊存在大規模熱用戶的場景，數據中心用冷和園區用熱應同時考慮，基于能耗總量和技術經濟比較確定冷熱源方案，達到降低整體能源消耗的目標。具體建議如下：

　　1）可以采用AHU等高效制冷方案的數據中心，園區供熱與數據中心供冷宜各自獨立，分別采用合適的冷熱源系統。

　　2）無法采用AHU等高效制冷方案的數據中心，且周邊有用熱需求的園區，可以采用熱回收制冷系統，夏季供冷，冬季同時供冷供熱。

　　3）用冷用熱負荷相當的場景，需要根據項目的實際情況進行進一步的分析，同時需要考慮補冷補熱系統的建立、控制策略等因素的影響。
 

　　近年來，隨著數據中心能效要求的提升，以及制冷技術的改進，市場上出現了一些能效較高的制冷措施，無法與熱回收制冷系統匹配，例如文中列舉的間接蒸發冷卻空調系統，其大部分制冷都來自室內外空氣之間的自然冷卻，沒有可回收的壓縮熱。同這種高能效制冷方案相比，采用熱回收同時供冷供熱沒有優勢。但在某些場景，已經采用冷水系統的數據中心也沒有結合冷凝熱回收技術，主要原因包括：

　　1）一個1萬m2的數據中心，可以支持高達10萬m2左右的公共建筑供熱，而數據中心的建設地點往往屬于工業用地，與大規模公共建筑、住宅等民用設施距離遠。熱用戶匱乏，這是數據中心難以采用大規模熱回收制冷系統最重要的因素。

　　2）數據中心的實際運行往往是前期處于低負荷狀態，中后期負荷較高，與熱用戶的發展往往無法匹配。

 

　　未來，如果數據中心園區的冷凝熱回收制冷系統能夠與市政供熱相結合，由市政系統提供中溫水，在用熱區域末端設置分散型熱泵進行供熱，附加冷量排放至市政管網，用來吸收數據中心的冷凝熱，整個系統輔以合理的輸配及補冷補熱系統，進而形成大規模的區域供冷供熱綜合能源站，就能夠解決附近缺乏熱用戶的問題，熱回收供冷供熱技術就會有更大的應用空間。

 

　　通過綠色技術和方式提升數據中心的功能和服務水平，這是數據中心永遠不變的發展方向。隨著“雙碳”戰略的逐漸落地，對數據中心的能源利用效率會有更高的要求，相信數據中心建設也會采取更有效、更適合自身發展的節能技術，提升能源的綜合利用率。