中高溫?zé)岜玫臒崃�學(xué)過程為逆卡諾循環(huán)。其工作原理與家用空調(diào)機(jī)組相同，它由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、節(jié)流裝置四大部件組成。低溫液態(tài)有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收外部熱源的熱量而發(fā)生氣化；在壓縮機(jī)中經(jīng)過壓縮后變?yōu)楦邷馗邏旱墓べ|(zhì)蒸汽；然后工質(zhì)進(jìn)入到冷凝器中與用熱端進(jìn)行換熱，釋放熱量、工質(zhì)溫度降低并變?yōu)橐簯B(tài)；隨后進(jìn)入節(jié)流裝置降溫降壓變?yōu)榈蜏匾簯B(tài)工質(zhì)，回入到蒸發(fā)器中繼續(xù)循環(huán)，整個(gè)循環(huán)過程如圖1所示。

圖1熱泵循環(huán)原理圖與T-s圖

工質(zhì)進(jìn)行逆卡諾循環(huán)的過程中，能效指標(biāo)（COP=用熱量/耗電量）與蒸發(fā)溫度、冷凝溫度及工質(zhì)的種類有關(guān)�？梢圆捎玫墓べ|(zhì)有R245fa、R22等，當(dāng)工質(zhì)不變時(shí)，蒸發(fā)溫度越高（余熱源），冷凝溫度越低（用熱源），能效指標(biāo)越高。例如：蒸發(fā)溫度為50℃，冷凝溫度為80℃，壓縮機(jī)的功率為1kW，能效指標(biāo)為4，表明壓縮機(jī)耗電1 kW，將3 kW的余熱量轉(zhuǎn)化為4 kW的用熱量。通過簡(jiǎn)單的計(jì)算，可以看出熱泵技術(shù)的節(jié)能效果明顯。目前地源熱泵技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)采暖和生活熱水。

在這個(gè)系統(tǒng)中，蒸發(fā)器就是一種熱量回收的裝置�；厥諗�(shù)據(jù)中心的余熱量有兩種方式，一種是在冷卻水回水管或冷凍水回水管上安裝換熱器，可以采用傳統(tǒng)的管殼式換熱器或板式換熱器，讓冷卻水或冷凍水回水與熱泵機(jī)組的有機(jī)工質(zhì)發(fā)生換熱，提升工質(zhì)溫度的同時(shí)，也降低了回水的溫度，對(duì)制冷系統(tǒng)也起到了節(jié)能優(yōu)化的作用。如圖2所示為冷卻水取熱，這種方法較容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)原系統(tǒng)的運(yùn)行影響較小，冷卻水溫度越高則運(yùn)行能效比就越高，但現(xiàn)狀是夏季冷卻水溫度高但用熱量小，冬季冷卻水溫度低卻用熱量大，較低溫度的冷卻水使得余熱源品位不高，用熱源若溫度要求較高則達(dá)不到較高的COP，對(duì)于用熱源需求不高的，如需要45-55℃的熱水，該種方法可以起到較好的效果，例如用于洗浴、低溫地板輻射采暖等等。如圖3所示為冷凍水取熱，冬季冷凍水回水溫度將高于冷卻水回水，因此熱泵會(huì)有較高的COP，同等的能耗下冷凍水取熱可比冷卻水取熱在冬天生產(chǎn)更高溫度的熱水，但這種形式對(duì)系統(tǒng)的安全性要求較高，實(shí)施起來(lái)稍復(fù)雜，因此采用冷凍水取熱，冷凍水取熱各有優(yōu)勢(shì)及不足，需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行衡量。

圖2冷卻水取熱熱泵循環(huán)流程圖

圖3冷凍水取熱熱泵循環(huán)流程圖

另一種方式是直接在機(jī)房余熱點(diǎn)進(jìn)行換熱，在對(duì)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器熱通道溫度進(jìn)行城鄉(xiāng)測(cè)量的過程中，我們發(fā)現(xiàn)，服務(wù)器出風(fēng)口表面的溫度一般在60-70℃，局部熱點(diǎn)可能達(dá)到了80℃,如圖3所示。較高的溫度一方面可能會(huì)影響服務(wù)器的運(yùn)行并降低了使用壽命，另一方面熱量品位較高，直接通過回風(fēng)散失掉未免有些浪費(fèi)。根據(jù)目前的換熱技術(shù)，可以采用蛇形毛細(xì)管貼附在服務(wù)器機(jī)柜的內(nèi)表面，布置在靠近熱通道的一側(cè)�；�于有機(jī)工質(zhì)低沸點(diǎn)蒸發(fā)的熱物理性質(zhì)，使工質(zhì)吸收服務(wù)器的熱量發(fā)生相變換熱，如圖4所示。工質(zhì)在發(fā)生相變換熱時(shí)，其換熱能力是同溫度下水的數(shù)倍，空氣的數(shù)十倍。例如，當(dāng)溫度由60℃升高為70℃，水的換熱量為41.89kJ/kg，空氣的換熱量為5.7 kJ/kg，有機(jī)工質(zhì)（以R245fa為例）的換熱量為174.71 kJ/kg，因此采用有機(jī)工質(zhì)具有較高的換熱效率。毛細(xì)管可通過分集液起連接在一起，布置在MDC微模塊的兩端，每組微模塊設(shè)置一臺(tái)熱泵機(jī)組，熱源在冷凝器中發(fā)生換熱后產(chǎn)生的高溫?zé)崴�通過管道流出微模塊供生產(chǎn)生活用熱。這種直接換熱方式目前來(lái)說可行性并不是很高，但熱能利用效率很高，未來(lái)可能會(huì)有重大的突破。

圖4數(shù)據(jù)中心服務(wù)器出風(fēng)口表面溫度熱成像圖

圖5機(jī)柜取熱熱泵循環(huán)流程圖

取出來(lái)的余熱經(jīng)過升溫以后該怎么用呢？目前我國(guó)北方大多還是采用燒煤的方式供暖，一到冬天一個(gè)個(gè)的煙囪不停地冒著煙，非常污染環(huán)境。而數(shù)據(jù)中心是24小時(shí)工作的，24小時(shí)都在源源不斷的產(chǎn)生熱量，如果有條件的地區(qū)，收集數(shù)據(jù)中心的余熱進(jìn)行供暖，不僅數(shù)據(jù)中心可以節(jié)省能耗，城市也可減少煤的燃燒量，對(duì)環(huán)境治理有非常積極的作用。借助于中高溫?zé)岜眉夹g(shù)，數(shù)據(jù)中心的余熱可以用于管線伴熱、辦公區(qū)供暖和生活熱水、附近小區(qū)供暖和生活熱水、泳池加熱等等。

以R18微模塊為例，服務(wù)器滿載情況下，服務(wù)器最大功率為120 kW，若通過熱泵機(jī)組回收的熱量為48 kW，壓縮機(jī)耗功率為12 kW，熱泵制熱量為60 kW（熱水供回水溫度為75/60）。以騰訊某數(shù)據(jù)中心DC3機(jī)房為例，一個(gè)大IT機(jī)房包含12個(gè)MDC，共有12個(gè)大IT機(jī)房，故總產(chǎn)熱量為8640kW。以當(dāng)?shù)夭膳�設(shè)計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)44.36 W/m2計(jì)算，總結(jié)可以承擔(dān)供暖面積能夠達(dá)到19.48萬(wàn)m2，因此采用這種方式供暖在理論上是可行的。在環(huán)境方面，我們粗略的計(jì)算一下，當(dāng)總制熱量為8640 kW時(shí)，節(jié)能減排量如表1所示。

表1熱泵供暖節(jié)能減排量

此外，通過余熱回收，采用水冷作為冷源的數(shù)據(jù)中心，冷卻塔、冷卻水泵等設(shè)備將作為備份冷源使用，這樣在采暖季可節(jié)省冷卻塔耗水量、冷卻塔耗電量、冷卻水泵耗電量及設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，粗略估計(jì)，節(jié)省的水電及維護(hù)費(fèi)用可達(dá)到熱泵運(yùn)行費(fèi)用的50%。

3、低溫發(fā)電余熱回收

低溫發(fā)電技術(shù)的熱力學(xué)過程為朗肯循環(huán)，循環(huán)過程與熱電廠水蒸氣發(fā)電相類似，不同之處在于將水蒸氣變?yōu)橛袡C(jī)工質(zhì)，把汽輪機(jī)變?yōu)槁輻U膨脹機(jī)或渦旋膨脹機(jī)，又可稱之為有機(jī)朗肯循環(huán)。它由蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器、工質(zhì)泵四大部件組成，如圖5所示，有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收余熱源的熱量，由液態(tài)轉(zhuǎn)化為高溫高壓的氣態(tài)；隨后進(jìn)入膨脹機(jī)中推動(dòng)膨脹機(jī)旋轉(zhuǎn)，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，膨脹機(jī)與同步發(fā)電機(jī)相連，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；工質(zhì)通過膨脹機(jī)后變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍鈶B(tài)工質(zhì)，隨后進(jìn)如冷凝器中冷凝，變?yōu)橐簯B(tài)工質(zhì)；液態(tài)工質(zhì)通過工質(zhì)泵打入蒸發(fā)器中繼續(xù)參與循環(huán)。

整個(gè)低溫發(fā)電理想循環(huán)過程可以將蒸發(fā)與冷凝過程看作為等壓過程，膨脹與升壓過程看作為等熵過程，四個(gè)主要過程具體如下：a-b表示工質(zhì)蒸氣推動(dòng)膨脹機(jī)的做功過程；b-c表示工質(zhì)蒸氣在冷凝器中的冷凝過程；c-c'表示工質(zhì)加壓泵的等熵升壓過程；c'-d-e-a表示蒸發(fā)器與低溫?zé)嵩礋峤粨Q時(shí)的吸熱過程；圖中，a-b-c-c'-d-e-a的面積表示系統(tǒng)產(chǎn)生膨脹功的大小，系統(tǒng)中膨脹機(jī)與發(fā)電機(jī)通過傳動(dòng)作用，將機(jī)械功傳遞，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能。

圖6低溫有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電流程圖與T-s圖

低溫發(fā)電技術(shù)利用了有機(jī)工質(zhì)低沸點(diǎn)蒸發(fā)的熱物理性質(zhì)，余熱源的溫度達(dá)到60℃即可推動(dòng)膨脹機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)完成熱-功-電之間的轉(zhuǎn)換。目前較大裝機(jī)容量的低溫余熱發(fā)電機(jī)組的熱電轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到10%，小容量的可以達(dá)到5%左右。對(duì)于數(shù)據(jù)中心的機(jī)房來(lái)說，可以考慮在每一個(gè)MDC模塊內(nèi)設(shè)置一臺(tái)小型余熱發(fā)電機(jī)組。如圖6所示，以單個(gè)機(jī)柜為例，機(jī)組的具體形式如下：蒸發(fā)器與上文所述中高溫?zé)岜弥苯尤�熱的形式相類似，利用蛇形盤管接觸服務(wù)器換熱，不同之處在于盤管設(shè)置為進(jìn)口管徑細(xì)且出口管徑粗的形式，便于工質(zhì)蒸汽膨脹；經(jīng)膨脹機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電以后可通過整流逆變模塊將電能輸送到蓄電池中存儲(chǔ)，也可以直接利用產(chǎn)生的電能，即用于MDC內(nèi)管控、照明等用電。在冷凝器側(cè)，有機(jī)工質(zhì)需要外部冷源冷卻才能變?yōu)橐簯B(tài)繼續(xù)循環(huán)，可以利用空調(diào)盤管的冷凍水回水對(duì)有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行冷卻。

圖7機(jī)柜取熱低溫余熱發(fā)電流程圖

同樣，以R18微模塊為例，若單個(gè)MDC蒸發(fā)器的吸熱量為48 kW，一個(gè)大IT機(jī)房12個(gè)MDC總吸熱量為576 kW，由于余熱源溫度不高，蒸發(fā)壓力若按60℃計(jì)算，發(fā)電效率按4.0%計(jì)算，總發(fā)電功率為23.04 kW，一天內(nèi)的總發(fā)電量約為553 kW?h，可以滿足IT機(jī)房?jī)?nèi)管控和照明的用電量。

低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)雖然能夠產(chǎn)生電能，但也會(huì)消耗一些電能。系統(tǒng)中唯一的耗電點(diǎn)為工質(zhì)泵，目前工質(zhì)泵還沒有小型化，大型化的余熱發(fā)電機(jī)組中工質(zhì)泵的耗電比例約占總發(fā)電量的10%左右。雖然這種發(fā)電形式出投資會(huì)很高，但是它將余熱轉(zhuǎn)化為了電能，對(duì)于能量利用來(lái)說有著重要的意義。目前低溫余熱發(fā)電技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于石化行業(yè)、鋼鐵冶金行業(yè)、水泥行業(yè)的余熱回收中，為企業(yè)制造經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也為節(jié)能減排作出了貢獻(xiàn)。此技術(shù)經(jīng)過改進(jìn)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的余熱回收中也是十分有發(fā)展前景的。

4、吸收式制冷余熱回收

吸收式制冷技術(shù)是利用溴化鋰水溶液具有在常溫下強(qiáng)烈的吸收水蒸氣，在高溫下又能將所吸收的水分釋放出來(lái)的特征，以及水在真空狀態(tài)下蒸發(fā)時(shí)，具有較低的正發(fā)溫度和吸熱效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷的。吸收式制冷裝置由發(fā)生器、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器和吸收器等設(shè)備組成，組成了兩個(gè)循環(huán)，即制冷劑循環(huán)和吸收劑循環(huán)。如圖7所示，發(fā)生器內(nèi)的溴化鋰水溶液由于外部熱源加熱，溶液中的水氣化為水蒸氣（水的沸點(diǎn)低于溴化鋰很多）；水蒸氣進(jìn)入冷凝器中備冷卻水冷卻，凝結(jié)為冷劑水；冷劑水凈節(jié)流閥降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器；蒸發(fā)器中低壓制冷劑水與冷媒水發(fā)生換熱氣化，產(chǎn)生制冷效應(yīng)；低溫冷劑水蒸氣進(jìn)入吸收器中被溴化鋰溶液吸收變?yōu)橄∪芤�，由溶液泵送到發(fā)生器中繼續(xù)參與循環(huán)。

圖8吸收式制冷原理圖

溴化鋰吸收式制冷技術(shù)除了溶液泵耗少量電以外，均利用的是外部余熱源，此外還需要冷卻水完成溴化鋰水溶液的循環(huán)。溴化鋰吸收式制冷裝置以水作為制冷劑，以溴化鋰作為吸收劑對(duì)于環(huán)境無(wú)破壞作用；裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，在真空狀態(tài)下運(yùn)行，無(wú)危險(xiǎn)；外部熱源需要75℃以上的熱水，對(duì)于數(shù)據(jù)中心的余熱來(lái)說，目前還不能滿足，但理論上存在著將吸收式制冷應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心余熱回收的可能性，所以此方案不失為一個(gè)合理的猜想。

總結(jié)

目前絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心產(chǎn)生的大量的熱能并沒有被充分利用，而是白白的浪費(fèi)掉，甚至，我們?yōu)榱?ldquo;處理”掉這些熱能，付出更多的能源，這既不經(jīng)濟(jì)也不環(huán)保。在這個(gè)追求極致能效的時(shí)代，如何行之有效地將數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的大量余熱進(jìn)行規(guī)模化的再利用，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)保價(jià)值，相信很快就有答案。

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