1 背景
2020年國家正式宣佈了雙碳戰略目標：“力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。” 資料中心作為耗電大戶，其耗電量已經超過全國總耗電量的2%，預計2025年總耗電佔比將達到4.05%。但隨著資訊科技的發展，社會對於算力的要求越來越高，IT設施的單位電力所能提供的算力極限也逐漸逼近，這就意味著想要多產出算力，就只能多供給能源。對資料中心而言，這無異於帶著腳鐐跳舞，既要提供大量算力又要符合國家雙碳戰略。
隨著相關部門出臺大量相關政策規範資料中心的用能情況，各家大廠和相關上下游企業都在尋找各種節能減排的解決方案，餘熱回收技術就是其中之一。
2 餘熱回收是什麼
餘熱回收是指將受歷史、技術、理念等因素的侷限性，在已投運的工業企業耗能裝置中，原始設計未被合理利用的顯熱和潛熱進行回收利用的技術。
伺服器運算的本質是電力輸送至裝置，產出算力與熱量。資料中心作為用電大戶，其計算產生的廢熱也非常多，如何回收利用這些廢熱，是一個比較重要的議題。
暖通系統作為資料中心機電系統中耗電最多的一部分，其冷卻水環路的回水溫度僅有38~40攝氏度，熱回收條件較差。近年來由於政策對新建資料中心的PUE要求逐漸收緊，業內開始逐漸形成共識，未來IT裝置的能耗會越來越高，風冷系統的解熱能力不能支援高密度的算力基礎設施要求，浸沒式液冷的解熱方式將成為高密計算的主流解決方案。由於液體的高解熱效率，液冷環路的溫度可以設定相對較高，其一次側(冷卻水側)的回水溫度甚至可達40~50攝氏度。因此隨著浸沒液冷的大範圍鋪開，餘熱回收的環境會更加友好。
3 IDC餘熱回收實踐
本文將以OPPO雲智慧計算中心為參考，從各方面分析餘熱回收方案的節能減排能力。得出結論後將由此技術發散，探討與其他行業的跨界合作可能性。首先，資料中心熱回收後的水溫大致在40攝氏度左右，經過水源熱泵或鍋爐的二次加熱可用於大澡堂的生活熱水供應或大園區生活熱水供應。
為選擇最合適的OPPO雲智慧計算中心的技術，下面列舉三個方案供參考比較：
3.1 基準方案，燃氣鍋爐方案
直接使用常壓燃氣鍋爐對市政水進行加熱，以生活熱水為例，加熱溫升為30~40攝氏度，為傳統公共建築常用模式，無熱回收等節能技術。能源成本受當地燃氣價格，燃氣熱值及天氣影響。技術較為成熟，目前在現有建築領域大規模使用。按測算，產生一噸生活熱水的成本約為15.91元。
3.2 方案一 水源熱泵方案
浸沒式液冷叢集的冷卻水在完成與氟化液的換熱後可以升溫至41攝氏度，高溫冷卻水接至水源熱泵作為熱泵搬運的熱源。經過水源熱泵後，市政水可升溫30至40攝氏度。此熱回收方案為近年來被普遍使用的熱回收技術，由於其搬運的總熱量與鍋爐方案一樣，並不算嚴格意義上的熱回收，據測算水源熱泵方案產生1噸生活熱水的成本約6.88元。
3.3 方案二 板換+水源熱泵方案(適用於風冷液冷複合型資料中心)
首先較高溫高位的液冷冷卻水對常溫的市政水通過板換進行預熱，將其提升到儘量高的溫度(40攝氏度)，經過預熱的市政水(40攝氏度)再流經水源熱泵進行二次加熱，以滿足55攝氏度的生活熱水的溫度要求。而水源熱泵的蒸發側則接風冷系統的冷卻水環路，使用較低溫低位的冷卻水作為吸熱媒介。接近的蒸發側和冷凝側溫度可以提升水源熱泵的能效，進一步節約能源。這種方案比較適用於風冷和液冷都有佈置的大型資料中心，可以充分利用兩種餘熱，但該系統並未被大規模使用過，屬於新技術創新。按經濟型測算產出1噸生活熱水成本約為2.95元。
方案總結
按照簡單經濟測算，方案二的新型熱回收技術的能源成本僅為方案一水源熱泵熱回收方案的40~50%，且僅為傳統鍋爐方案(無熱回收)能源成本的10%~20%。
在實際使用的過程中由於業務需求的不同，業內傾向於將儲存等低密度低強度的伺服器區使用傳統風冷解熱，將GPU的AI訓練等高強度高密度的業務伺服器區使用浸沒式液冷冷卻。與此同時，大多數公司都在浸沒式液冷的摸索階段，傾向於在資料中心預留一小部分空間做浸沒式液冷的試點。所以很多的資料中心是風冷和液冷的複合型專案。
相比於其他方案，方案二的新型熱回收解決方案有以下優勢：
- 充分對風冷和液冷的冷卻水環路進行熱回收，使兩套系統進行了融合，液冷餘熱用於市政水預熱，風冷餘熱用於水源熱泵供水。
- 顯著節約餘熱回收系統的用電量，相比傳統水源熱泵熱回收方案節省能源成本60%，相比傳統燃氣鍋爐系統的節約能源成本80%(參考測算表)。
- 改造專案增加的機電面積很小，可以直接利用現有的水冷系統管道/冷卻塔/水泵等進行改造，工程量較小，改造費用較低，改造阻力較小。
- 增加旁通實現夏季的免費供熱。
按實際情況暫定供應5棟常規30層公寓/人才房的情況，下表為依據OPPO雲智慧計算中心進行的簡單經濟測算，可以看出方案二具有巨大的節能優勢且回收期很短。
4 跨界合作
4.1 火電廠合作：
火電廠與資料中心均為排碳大戶，與此同時電廠與資料中心也是相輔相成的角色，一方面電廠可以給資料中心提供平價可靠的能源，另一方面資料中心的廢熱可以作為火電廠煙氣熱回收的預熱，使高低位的廢熱使用更加高效。將資料中心選址在火電廠旁會有以下的優勢：
- 靠近發電源頭，單線路可靠性較高。
- 火電廠有大量的高溫高位廢熱可以使用，資料中心將常溫市政水進行預熱後可以輸送至火電廠使用其煙氣廢熱進一步提升供水溫度。熱回收的可用範圍更廣。
- 電廠直供電相較電網供電成本較低。
風險：
- 政策上和商務上較難滿足，現階段電網仍然強勢。
- 網接另外一條進線以保證資料中心的高可用性。
- 電廠本身也是風險點。
總的來說與火電廠的合作是全生命週期的長期過程，從資料中心的選址就要開始，不僅需要電廠和資料中心的兩方合作，還關乎到政府的市政規劃，所以此項合作宜徐徐推進，以求合作共贏。
4.2 “大澡堂”合作
“大澡堂”僅為一個代稱，所有需要熱源進行加熱的設施都是熱回收的潛在受益者。根據初步的測算，僅OPPO雲智慧計算中心的A棟的液冷叢集小試點熱回收就能服務至少5棟30層的人才公寓，如果液冷叢集鋪開，能產生的經濟效益是巨大的。
- 例如OPPO大園區內的餐廳、公寓或人才房生活熱水供應。
- 北方市政採暖的預熱水供應/園區採暖供應。
- 吸收式空調高溫熱水的預熱。
4.3 碳交易市場的開源節流
通過熱回收節約了供暖或生活熱水的燃燒燃氣的量，在某種程度上也是減少了碳排放量。在一個成熟的交易市場中，本資料中心的總碳排放額可以得以減少，如果碳排放指標充裕，多餘的碳排放額甚至可以重新投入到碳交易市場上獲得額外的收入。
5 結論
- 根據經濟型測算，餘熱回收技術可以產生較多的經濟效益，未來資料中心甚至有可能兼職成為一個區域能源站。
- 過往資料中心作為耗電大戶，低位廢熱產出較多。現在液冷叢集將會鋪開，餘熱回收的外部環境會變好。
- 現在的餘熱回收技術基本照搬過往公建的經驗，未針對資料中心，特別是未有針對風冷液冷都有部署的複合IDC進行定製化的技術創新。
- 資料中心的低位廢熱可用於多場景的餘熱回收的預熱，與其他行業的跨界合作具有想象空間。
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作者簡介
Alan OPPO IDC工程師 LEED AP BD+C
主要從事IDC基礎設施技術與創新工作
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