淺析IDC機房熱泵制冷發電

許天宇　高潔　劉暢

摘 要：基于數據中心（IDC）能耗高，廢熱利用率低下的特點，同時分析了當下IDC廢熱利用技術的現狀，設計出一套應用于數據中心（IDC）的制冷發電總成及應用方法。將制冷發電裝置各部件合理安排，如果應用得當，IDC的廢熱不僅可以利用，還能進行發電。考慮到實際情況，將設計出的模型在模擬環境下運行，同時比較現有的應用于數據中心的節能裝置。結果表明，此裝置可以降低制冷機組采購成本，降低備用發電機采購成本，通過減免數據中心制冷機組耗電，低溫發電機組發電自用等方式可以使得數據中心的耗電量大幅降低，同時效率較高。

關鍵詞：數據中心（IDC）；制冷；發電；可行性分析

中圖分類號：TU831.6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）08-0052-02

1 數據中心（IDC）節能技術的應用背景

1.1 數據中心（IDC）能耗現狀

IDC作為互聯網行業的支撐平臺，其技術的創新能力的強弱直接關系到互聯網行業未來的發展。當前我們國家對IDC提出了綠色節能環保的概念，如何打造綠色IDC，節能是關鍵。IDC在能耗使用方面制冷設備是占到了45%，IT設備占到了30%的耗能，供配電系統是24%，照明和其他的設備占到了1%的份額。可以看出制冷設備的能耗占用比是最大的，減少制冷的能耗我們就離綠色IDC就近了一步。

目前，數據中心都擁有大量服務器，網絡設備，通訊設備，耗能巨大，一個數據中心一年的耗電量有時可以達到上百萬千瓦，數據中心設備工作時發出大量熱量，需要大功率制冷系統維持環境適宜溫度。長期以來多采用空調制冷系統和自然冷卻配合實施，所有的熱量均屬于搬出數據中心“扔到大氣層”，自然環境中了，不同的地方往往只是盡可能采用更低成本的手段實現“扔”熱量的辦法，數據中心本身是高耗電系統，用大功率制冷系統制冷，綜合耗電量更高。

設備對耗電和散熱的要求也在不斷增加。2000～2010年設備每年熱密度的增長率將是7%（如磁帶庫）到28%（如通信設備）之間。現代電子設備由大規模集成電路構成，其中的半導體PN結的導通特性和溫度息息相關的。溫度會影響其擴散電流、傳導電流、結間勢壘等參數，進而影響導通、截止角、溫飄系數，使性能參數改變。一般電子器件溫度適應范圍：民用級-15～85℃，軍工級-55～165℃。數據設備長期運行在高溫之下，會造成設備過早老化、設備運行失常、停止工作等危害。

1.2 數據中心（IDC）節能技術發展現狀

現在IDC機房將空調房間考慮成一個完整的均勻空間，按現場最大需求量來考慮，采取集中制冷模式。在運營中，人們逐漸認識到按需制冷的必要和集中制冷的弊端，這一技術將成為制冷系統未來發展方向。何謂“按需制冷”，按需制冷可以理解為按房間各部分熱源的即時需要供冷，將冷媒送到最貼近熱源的地方，也就是將制冷方式從房間級制冷轉變為機柜級制冷，這正是機房制冷的發展趨勢。

數據中心機房是以對信息化服務提供技術支撐和數據支撐為目的，確保電子信息系統設備安全、穩定運行，以及提供氣象、軍事、通信、科研等信息服務的基礎環境，實現數據設備的集中存放和運行的場所。目前，國內外均將數據設備集中放置于數據中心機房中，此房間的經濟價值、意義、能耗的密度均很高。摩爾定律揭示，集成電路上可容納的晶體管數目，每隔18～24個月便會增加一倍。而數據設備的發展正是符合這條定律一直向高容量、高性能化發展。

現有用熱泵，將機房空調冷卻水中熱能回收利用，產生熱水，供采暖，生活生產。數據中心每一萬千瓦的耗能，回收得到的熱水可以供10萬平米的住宅采暖，現實中很多情況下回收的大量熱水無法得到利用，已有的低溫熱源發電技術多是在利用熱泵回收熱量，產生80℃以上的高溫熱水后，采用低溫發電機組轉化為電能，發電效率很低，熱能轉換為電能的效率只有1～5%，沒有使用價值，因此，研究一種節能的數據中心熱泵液態空氣制冷發電裝置非常必要。

2 應用于數據中心（IDC）的熱泵制冷發電裝置

2.1 工作原理及方法

本作品設計了一種數據中心液態工質制冷發電裝置及工作方法，其中的一種數據中心液態空氣工質制冷發電裝置，包括：超低溫儲液罐，高壓超低溫液體泵，高壓超低溫管路，射流引流器，低溫換熱器，低溫高壓氣管路，氣體混合引流器，由液體擴張段，中溫換熱器，氣體收縮段組成的升溫增壓補熵換熱器，常溫工作氣體管路，汽輪機輸入閥，工作氣路，汽輪機，發電機，乏汽氣路，汽輪機輸出閥，檢修短路氣閥及引流回氣管路。本創新產品可以降低制冷機組采購成本，降低備用發電機采購成本，通過減免數據中心制冷機組耗電，低溫發電機組發電自用等方式可以使得數據中心的耗電量大幅降低。

該裝置分為四大部分：壓縮機熱泵回收裝置、氣體混合引流放大器、射流凝氣泵和高壓空氣汽輪機發電組。將氣體氣化混合放大與汽輪機組合進行發電增效降溫效果。

圖1中1、超低溫儲液罐；2、高壓超低溫液體泵；3、高壓超低溫管路；4、射流引流器；5、低溫換熱器；6、低溫高壓氣管路；7、氣體混合引流器；8、氣體擴張段；9、中溫換熱器；10、氣體收縮段；11、常溫工作氣體管路；12、氣輪機輸入閥；13、工作氣路；14、氣輪機；15、發電機；16、乏氣氣路；17、氣輪機輸出閥；18、回氣管路；19、制冷回水輸入管路；20、中低溫換熱器連接管路；21、制冷回水輸出管路；22、余氣排放口；23、液態空氣加注口；24、檢修短路管路；25、檢修短路氣閥；26、引流回氣管路。

2.2 工作流程

（1）高壓超低溫液體泵把超低溫儲液罐中的液態空氣抽出，以30MPa以上的壓力輸送。

（2）高壓超低溫的液體通過高壓超低溫管路到達射流引流器，吸入從引流回氣管路輸送來的氣態空氣，混合后形成較低溫度的液氣混合物。

（3）30MPa以上的高壓的較低溫汽液管路進入到低溫換熱器，和中低溫換熱器連接管路輸入到低溫換熱器的回水進行換熱，液態空氣的高壓氣液混合物吸熱氣化，形成高壓低溫氣體，然后再通過低溫高壓氣管路進入到氣體混合引流器。

（4）在氣體混合引流器，少量高壓氣流帶動10～100倍大量低壓乏汽氣流一起流動，熱量，壓力混合交流，成為較低壓力較大氣流量的氣流，這個氣流氣壓在1MPa到5MPa之間。

（5）較低壓力的，較大氣流量的氣流進入到氣體擴張段、中溫換熱器、氣體收縮段組成的升溫增壓補熵換熱器，在氣體擴張段，由于容器橫截面積增加，氣流壓力減小，流速減小，溫度降低，更有利于吸收熱量：進入下一個循環的初步增壓的工作氣體在中溫換熱器部分，和由制冷回水輸入管路輸入的溫度在18-25攝氏度的制冷回水繼續升溫、升壓、補熵：然后制冷回水通過中低溫換熱器連接管路輸入到低溫換熱器和從射流引流器輸入的高壓超低溫的氣體進行換熱，再通過制冷回水輸出管路輸出4-18攝氏度的制冷水。

（6）氣體到氣體收縮段后，容器橫截面積減小，壓力、溫度上升，形成更高溫度的氣體：該氣體一小部分通過引流回氣管路被射流引流器吸入，與超低溫高壓液態空氣混合后得到利用，另外大部分將通過常溫工作氣體管路、氣輪機輸入閥及工作氣路進入到氣輪機做功輸出，并通過共軸輸出，帶動發電機發電。

（7）氣輪機排出的低溫低壓氣體經過乏氣氣路、氣輪機輸出閥及回氣管路輸入到氣體混合引流器，然后再重復進入到氣流擴張段、中溫換熱器、氣體收縮段組成的升溫增壓補熵換熱器。

3 數據中心制冷方式對比

3.1 具有自然冷卻的冷水機組

數據中心通常都需要常年不間斷供冷，常規的制冷系統，室外溫度即使是低于或遠低于其循環冷凍水溫的情況下冷水機組也需要照常運行。自然冷卻（Freecooling）機組與常規冷水機組最大的區別在于它帶有獨特的風冷自然冷卻換熱器，其運行優先利用天然環境的低溫空氣冷卻循環冷凍水，可以實現無壓縮機運行制冷，顯著節省壓縮機的電耗。

3.2 熱回收技術利用

在常規設計中，供暖需要鍋爐或熱泵解決，需要消耗大量的能源。新的熱回收技術，免費利用制冷機組在制冷時候向環境中排放的冷凝熱來加熱供暖系統，從而不需要鍋爐或熱泵系統。在冬季需要供暖時，系統回收冷凝熱來實現，多余的冷凝熱仍舊排放到環境中去。由于實現制冷機組的冷熱聯供，綜合能效比達到9～10，這是其他任何冷機效率所無法比擬的。采用這種熱回收技術，一個數據中心的上萬平方米的辦公、運維和宿舍都可以實現免費供暖。

3.3 高效磁懸浮變頻離心冷水機組

磁懸浮離心壓縮機代表了當今最先進的壓縮機技術趨勢。變頻驅動的高效磁懸浮無油離心式壓縮機采用磁懸浮軸承技術，高性能脈寬調制（PWM）永磁同步電動機，其轉速隨負荷變化而自動調節，確保機組在各工況下始終處于最佳運行狀態，使機組在滿負荷及部分負荷時均能高效運行。內置變頻器，使壓縮機在部分負荷下實現變速運行，電動機轉速和進口導葉優化控制，從而實現部分負荷時高效運行，全新的軟起動功能，降低機組起動電流至2A，減少對電網沖擊。

參考文獻

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