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摘 要 隨著新一代信息技術的迅猛發(fā)展，需要全時段供電、不間斷冷卻的數(shù)據(jù)中心建設量急劇提高。同時，在全球可再生能源消費比重不斷提高的背景下，各國普遍提出峰谷電價政策。數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)供冷效果差、系統(tǒng)能耗高，數(shù)據(jù)中心用電訴求與現(xiàn)行電價政策難以適配。為解決這一矛盾，將兩相浸沒式液冷技術與卡諾電池儲能技術有機結合，構建了一種新型數(shù)據(jù)中心用冷電聯(lián)供系統(tǒng)。為評估本系統(tǒng)在不同城市的可行性，選取哈爾濱、南京、廣州三座城市作為應用對象，對比分析了本系統(tǒng)與全年采用自然冷卻模式的浸沒式冷卻系統(tǒng)的能效表現(xiàn)及經(jīng)濟性。結果表明，采用新系統(tǒng)后，每千瓦的數(shù)據(jù)中心IT設備全年用電花費分別節(jié)省了235.52元、245.24元及281.28元。本研究給出的方案有效地提升了數(shù)據(jù)中心的用電靈活性，大幅降低了數(shù)據(jù)中心運維費用。
關鍵詞 數(shù)據(jù)中心；卡諾電池；自然冷卻；能效表現(xiàn)；經(jīng)濟性
隨著ChatGPT、5G、云計算、人工智能等新一代信息技術的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和信息傳輸需求日益增加。與此同時，數(shù)據(jù)中心的數(shù)量、規(guī)模和計算密度也在迅速增長。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部聚集著大量的電子設備，需要全年不間斷散熱，數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)運行表現(xiàn)直接影響數(shù)據(jù)中心能耗與電子設備使用壽命。此外，為緩解可再生能源的間歇性和波動性對電力系統(tǒng)的影響，各國政府普遍采用峰谷電價政策。而數(shù)據(jù)中心需要全天供電，但通常不配備大容量儲能設備。因此，如何在峰谷電價體系下設計實用的儲能系統(tǒng)，高效利用數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)運行余熱，降低用電成本，是值得探討的問題。
從數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的角度來看，傳統(tǒng)機房空調(diào)一般采用房間級冷卻方式，致使冷熱氣流摻混及局部熱點等問題頻發(fā)。與房間級冷卻系統(tǒng)相比，機柜級冷卻系統(tǒng)可以實現(xiàn)按需冷卻和就近制冷，避免了上述問題，是一種適應當前數(shù)據(jù)中心大規(guī)模和高熱密度特點的冷卻方式。然而，上述冷卻系統(tǒng)需要在蒸氣壓縮系統(tǒng)的基礎上構建，冷卻過程中壓縮機會消耗大量的電能。與前兩者不同，芯片級冷卻系統(tǒng)通常將電子設備浸入絕緣液體中，避免了風冷過程中冷熱氣流摻混的問題。此外，電子設備與冷卻液體直接接觸，且液體的導熱系數(shù)與比熱容都顯著高于空氣。因此，在冷卻過程中，液冷系統(tǒng)僅需配備工質(zhì)泵提供循環(huán)動力，無需配備壓縮機，系統(tǒng)即可實現(xiàn)全年自然冷卻。浸沒式冷卻技術可分為單相浸沒式冷卻技術和兩相浸沒式冷卻技術，相較于單相浸沒冷卻技術，兩相浸沒式冷卻技術利用了流體的相變換熱，傳熱系數(shù)較大，散熱能力較高，是一種較為理想的數(shù)據(jù)中心冷卻方案。
從儲能技術的角度來看，現(xiàn)有的儲能技術主要包括抽水蓄能技術、壓縮空氣儲能技術和電化學儲能技術。其中，抽水蓄能技術和壓縮空氣儲能技術對地理環(huán)境的高要求在一定程度上限制了這兩種技術的應用范圍和發(fā)展空間。而較高的初始投資成本與相對有限的使用壽命限制了電化學儲能技術在大型儲能項目中的應用。對于數(shù)據(jù)中心而言，如何構建不受地理環(huán)境約束、穩(wěn)定性強、使用壽命長的儲能技術是亟待解決的問題?？ㄖZ電池技術作為一種新型儲能方案，將高溫熱泵技術與低溫發(fā)電技術相結合，其安裝靈活性較高，無論是在城市中心還是偏遠地區(qū)，不受特定地理條件限制的特點使該技術具有很強的通用性，能夠在各種復雜環(huán)境中成功部署。此外，卡諾電池系統(tǒng)的能量存儲量大，有望實現(xiàn)長期儲能和跨季節(jié)儲能。然而，由于外界環(huán)境溫度的限制，卡諾電池的熱量轉(zhuǎn)換效率較低。因此，成本效益的考慮無疑是限制卡諾電池技術廣泛應用的關鍵因素之一。
基于浸沒式兩相冷卻技術的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)全年自然冷卻，且產(chǎn)生的余熱品質(zhì)較高。如果能在卡諾電池儲能過程中利用數(shù)據(jù)中心的余熱，將大幅提高卡諾電池的儲能效率。此外，通過系統(tǒng)模式間的切換，基于卡諾電池系統(tǒng)儲能的數(shù)據(jù)中心能夠有效適配當前的削峰填谷政策，在電價較低時儲能，在電價較高時釋能發(fā)電，降低數(shù)據(jù)中心運行成本。為此，本工作將兩相浸沒式液冷技術與卡諾電池儲能技術相結合，構建了一種新型的冷電聯(lián)供系統(tǒng)，旨在為綠色數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)耦合問題提供解決方案。在全球可再生能源消費比重不斷提高的背景下，本研究給出的方案有效地提升了數(shù)據(jù)中心的用電靈活性，大幅降低了數(shù)據(jù)中心運維費用。
1 系統(tǒng)方案及工作原理
本研究構建的數(shù)據(jù)中心冷電聯(lián)供系統(tǒng)由兩相浸沒式冷卻系統(tǒng)與卡諾電池儲能系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。數(shù)據(jù)中心兩相浸沒式冷卻系統(tǒng)由沸騰池、工質(zhì)泵-A及冷凝器-A等組成；卡諾電池儲能系統(tǒng)包括熱泵系統(tǒng)和ORC(有機朗肯循環(huán))系統(tǒng)由水箱-A、壓縮機、水箱-B、膨脹機、蒸發(fā)器-A及水泵等組成。系統(tǒng)具有三種運行模式：自然冷卻模式，儲能模式，發(fā)電模式。各模式下系統(tǒng)設備運行狀態(tài)如表1所示。
圖1 新型系統(tǒng)示意圖
表1 不同模式下系統(tǒng)內(nèi)設備運行狀態(tài)
此外，數(shù)據(jù)中心兩相冷卻工質(zhì)及熱泵和有機朗肯循環(huán)中的工質(zhì)對本系統(tǒng)效率有顯著影響。其中，Novec 649以其傳熱性能優(yōu)良，與電子設備相容性好、安全性高，且沸點相對較高的優(yōu)勢，被廣泛應用于數(shù)據(jù)中心浸沒式冷卻系統(tǒng)中；R1233zd(E)因其安全性、不易燃性、環(huán)境友好性以及出色的熱力學性能而被認為是卡諾電池儲能技術最有潛力的工質(zhì)之一；本研究中數(shù)據(jù)中心兩相浸沒式冷卻系統(tǒng)采用Novec 649作為冷卻工質(zhì)；而卡諾電池儲能系統(tǒng)選用R1233zd作為循環(huán)工質(zhì)。
系統(tǒng)模式的切換依據(jù)為運行時段電價。在常規(guī)時段，系統(tǒng)運行自然冷卻模式(模式1)。此時，氟化液由泵-A驅(qū)動輸配至沸騰池中，蒸發(fā)吸熱。然后，流經(jīng)截止閥-A，在冷凝器-A內(nèi)部利用風冷冷凝，返回泵-A。在谷電時段，系統(tǒng)運行儲能模式(模式2)。此時，冷凝器-A與截止閥-A關閉，氟化液流經(jīng)截止閥-B，在蒸發(fā)器-A內(nèi)部冷凝，返回泵-A；同時，熱泵依靠壓縮機做功驅(qū)動循環(huán)，熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器-A吸收芯片冷卻環(huán)路廢熱，由泵-D驅(qū)動水箱-A內(nèi)部的低溫水，流經(jīng)冷凝器-B產(chǎn)生高溫水，之后進入水箱-B內(nèi)儲存。在峰電時段，系統(tǒng)運行發(fā)電模式(模式3)。由泵-C驅(qū)動水箱-B內(nèi)部的高溫水，流經(jīng)蒸發(fā)器-B放出儲存的熱量，產(chǎn)生低溫水，之后進入水箱-A內(nèi)儲存，有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)依靠泵-B做功驅(qū)動循環(huán)，工質(zhì)在膨脹機內(nèi)部做功發(fā)電，隨后，進入冷凝器-C內(nèi)進行冷凝。另外，在該模式下，系統(tǒng)壓縮機關閉，冷凝器-A開啟，依靠外部自然冷源對芯片散熱。
2 數(shù)學模型與評價指標
通過建立系統(tǒng)數(shù)學模型計算系統(tǒng)在一定工況下的穩(wěn)態(tài)參數(shù)，分析系統(tǒng)的能效表現(xiàn)及經(jīng)濟性。其中，計算所需的熱泵循環(huán)過熱度、窄點溫差等參數(shù)以及R1233zd(E)的物性，見表2和表3。
表2 系統(tǒng)主要參數(shù)
表3 R1233zd(E)物性參數(shù)表
此外，為了簡化數(shù)學模型的計算量，同時保證模型的計算精度，本系統(tǒng)建模假設如下：
（1）系統(tǒng)運行時處于穩(wěn)定狀態(tài)，忽略系統(tǒng)運行過程中的壓力損失、流動損失及熱量損失。
（2）電子膨脹閥的節(jié)流過程為絕熱過程。
（3）系統(tǒng)內(nèi)換熱器均為逆流換熱，窄點溫差均為5 ℃。
對于壓縮機和膨脹機，通過等熵效率計算其功耗，計算公式為：
對于工質(zhì)泵和水泵，根據(jù)其等熵效率及進口狀態(tài)計算功耗，計算公式如表4所示。
表4 系統(tǒng)內(nèi)各個泵的熱力學模型
此外，系統(tǒng)內(nèi)各換熱器的熱力學計算公式如表5所示。
表5 系統(tǒng)內(nèi)各換熱器的熱力學模型
傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中，性能系數(shù)(coefficient of performance，COP)是評價制冷裝置的關鍵指標。本研究利用不同角度的COP評價不同模式下系統(tǒng)各循環(huán)的效率。
其中，COP1為自然冷卻模式下系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心冷卻循環(huán)的性能系數(shù)，通過下式計算：
3 系統(tǒng)能效表現(xiàn)分析
為探究外界環(huán)境溫度對本數(shù)據(jù)中心冷電聯(lián)供系統(tǒng)各模式能效表現(xiàn)的影響，選取-20～30 ℃這一溫度范圍，以10 ℃為溫度梯度，分別計算不同環(huán)境溫度下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時各模式的能效。
自然冷卻模式下，系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心冷卻循環(huán)的COP1隨外界環(huán)境溫度的變化如圖2所示。值得注意的是，在自然冷卻模式下，系統(tǒng)只需要開啟風機和氟化液泵，通過氟化液泵驅(qū)動數(shù)據(jù)中心冷卻循環(huán)內(nèi)氟化液的流動，通過風機來實現(xiàn)氟化液與外界環(huán)境間的換熱。而無需開啟壓縮機，此時系統(tǒng)總功耗較低，因此COP1較高。當室外溫度為-20 ℃時，COP1為45.5，隨著環(huán)境溫度的升高，風機進風溫度也隨之升高，而系統(tǒng)冷凝溫度為定值。因此，冷凝器溫度與進風溫度換熱溫差降低，而冷凝器換熱面積不變。為保證系統(tǒng)散熱量不變，需要增大空氣流速以提高冷凝器換熱系數(shù)，致使風機轉(zhuǎn)速提升，風機功耗增大，COP1逐漸降低。當室外溫度達到30 ℃時，COP1變?yōu)?3。
圖2 自然冷卻模式的系統(tǒng)COP1與環(huán)境溫度的關系
儲能模式系統(tǒng)各部件的功耗占比如圖3所示。在儲能模式下，壓縮機的功耗占絕大部分，在系統(tǒng)總功耗內(nèi)占比90.1%，而水泵和制冷劑泵分別占5.9%和4%。因此，壓縮機的功耗對儲能模式下整個系統(tǒng)的耗電量具有很大影響。此外，儲能模式下，在蒸發(fā)器A中，兩相狀態(tài)下的數(shù)據(jù)中心冷卻工質(zhì)Novec 649溫度保持在49 ℃不變，而熱泵循環(huán)R1233zd側(cè)的蒸發(fā)溫度與Novec 649側(cè)的溫度一直保持5 ℃溫差；且冷凝溫度設定值不變。因此，在不同環(huán)境溫度下，系統(tǒng)各部件功耗不變，本系統(tǒng)儲能模式下的熱泵制熱COP2為定值3.92。
圖3 儲能模式系統(tǒng)各部件功耗占比
在發(fā)電模式下，有機朗肯循環(huán)的發(fā)電效率圖片與環(huán)境溫度的關系如圖4所示。當環(huán)境溫度為-20 ℃時，發(fā)電效率圖片為16.55%，而當環(huán)境溫度升高到30 ℃，發(fā)電效率圖片降低到8.81%。環(huán)境溫度每升高10 ℃，發(fā)電效率圖片約降低1.5%。這是因為環(huán)境溫度升高導致有機朗肯循環(huán)內(nèi)工質(zhì)的冷凝溫度及冷凝壓力也隨之升高，因此在蒸發(fā)溫度與工質(zhì)流量都不變的情況下，工質(zhì)在膨脹機進出口的焓差降低，致使有機朗肯循環(huán)發(fā)電效率降低。
圖4 發(fā)電模式下有機朗肯循環(huán)的發(fā)電效率ηORC與環(huán)境溫度的關系
4 系統(tǒng)運行特性分析
4.1 應用對象及對比方案
環(huán)境溫度對本系統(tǒng)自然冷卻模式下數(shù)據(jù)中心冷卻循環(huán)的COP1與發(fā)電模式下的發(fā)電效率圖片均有很大影響；此外，本系統(tǒng)的經(jīng)濟性與應用地點的峰谷電價有很大關系。而不同城市間的氣候條件與峰谷電價差異很大。因此，有必要選取氣候條件及峰谷電價差異明顯的三座典型城市(哈爾濱、南京和廣州)作為應用對象，對比分析基于浸沒式冷卻與卡諾電池技術的數(shù)據(jù)中心冷電聯(lián)供系統(tǒng)(新系統(tǒng))與全年采用自然冷卻模式的浸沒式冷卻系統(tǒng)(傳統(tǒng)系統(tǒng))的能效表現(xiàn)及經(jīng)濟性，以此來探究系統(tǒng)的可行性。其中，數(shù)據(jù)中心負荷均為160 kW。本工作基于暖通空調(diào)系統(tǒng)模擬軟件DeST獲取了三座城市的年氣象參數(shù)，如圖5所示。從圖中可以看出，隨著緯度的降低，哈爾濱、南京和廣州的日平均氣溫依次升高，三座城市的年平均氣溫分別為4.12 ℃、15.79 ℃及22.23 ℃。
圖5 典型城市年氣象參數(shù)
表6展示了三座典型城市的峰谷電價，可以看到，廣州的峰谷電價差值要顯著高于哈爾濱和南京。其中，哈爾濱峰谷電價時段劃分為：高峰時段6:00—7:00、9:00—11:30、15:30—20:00；低谷時段22:30—5:30；其余為平時段。其中：7～9月、11月～次年1月高峰時段中16:30—18:30為尖峰時段；廣州高峰時段為10:00—12:00、14:00—19:00；低谷時段為0:00—8:00；其余時段為平段；尖峰電價執(zhí)行時間為7月、8月和9月三個整月，執(zhí)行時段為每天11:00—12:00、15:00—17:00。南京峰谷電價時段劃分為：高峰時段 8:00—1100、17:00—22:00；平時段11:00—17:00、22:00—24:00；低谷時段 0:00—8:00。值得注意的是，與哈爾濱和廣州不同，南京未執(zhí)行尖峰電價政策。資料數(shù)據(jù)來源為各省電網(wǎng)有限責任公司關于2023年7月代理購電工商業(yè)用戶價格的公告。
表6 各典型城市峰谷電價
4.2 典型城市下系統(tǒng)的全年效率變化
通過系統(tǒng)在典型城市下卡諾電池往返效率、耗電量及發(fā)電量的變化來探究系統(tǒng)實際應用時的能效表現(xiàn)。圖6顯示了新系統(tǒng)卡諾電池在三座典型城市的全年往返效率變化，可以看到在三座城市，新系統(tǒng)往返效率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，主要原因是外界環(huán)境溫度先上升后下降，對ORC系統(tǒng)發(fā)電效率產(chǎn)生了影響，進而影響了新系統(tǒng)卡諾電池的往返效率。其中，隨著緯度的降低，由于年平均氣溫的升高，系統(tǒng)在三座城市的卡諾電池平均往返效率依次下降。在哈爾濱、南京、廣州三座城市的卡諾電池年平均往返效率分別為0.50、0.43、0.39。
圖6 典型城市全年往返效率變化
傳統(tǒng)系統(tǒng)與新系統(tǒng)在三座典型城市的耗電量與發(fā)電量對比如圖7所示。其中，傳統(tǒng)系統(tǒng)在哈爾濱、南京、廣州的全年耗電量分別為35840.2 kWh、41743.9 kWh和47452.4 kWh，而對于新系統(tǒng)，全年耗電量分別為165375.27 kWh、187816.04 kWh和191621 kWh，可以明顯看出相比于傳統(tǒng)系統(tǒng)，新系統(tǒng)的耗電量更高，這是因為儲能模式下熱泵系統(tǒng)的壓縮機功耗較大，而由于哈爾濱年平均溫度在三座城市中最低，系統(tǒng)COP1最高，因此在哈爾濱，傳統(tǒng)系統(tǒng)與新系統(tǒng)的全年耗電量是最低的。此外，新系統(tǒng)的發(fā)電量呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，這是因為外界環(huán)境日平均氣溫變化影響新系統(tǒng)的往返效率、進而影響了新系統(tǒng)的發(fā)電量。新系統(tǒng)在三座城市的全年發(fā)電量分別為70529.5 kWh、69293 kWh和62958 kWh。雖然新系統(tǒng)在哈爾濱的全年耗電量最低，但由于其在哈爾濱的年平均往返效率最高，因此新系統(tǒng)在哈爾濱的全年發(fā)電量最高。
圖7 典型城市下系統(tǒng)發(fā)電量與耗電量對比：(a) 哈爾濱；(b) 南京；(c) 廣州
4.3 典型城市下系統(tǒng)運行費用
針對系統(tǒng)經(jīng)濟性，結合各城市峰谷電價政策進行分析。傳統(tǒng)系統(tǒng)與新系統(tǒng)在典型城市的全年逐日用電花費及兩系統(tǒng)的同日電費差值如圖8所示。從圖中可以看出，在三座城市，新系統(tǒng)的逐日花費均低于傳統(tǒng)系統(tǒng)，這說明在考慮峰谷電價政策后，新系統(tǒng)的經(jīng)濟性要顯著優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)。在哈爾濱、南京及廣州三座城市，采用新系統(tǒng)后，每千瓦的數(shù)據(jù)中心IT設備全年用電花費分別節(jié)省了235.52元、245.24元及281.28元。可以看到，雖然本數(shù)據(jù)中心冷電聯(lián)供系統(tǒng)在哈爾濱的年平均往返效率最高，但由于廣州及南京的峰谷電價差值更高，因此新系統(tǒng)在廣州及南京的經(jīng)濟效益方面的優(yōu)勢更加明顯。
圖8 典型城市下系統(tǒng)全年花費 (a) 哈爾濱；(b) 南京；(c) 廣州
值得注意的是，在哈爾濱及廣州，新系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的逐日用電花費差會出現(xiàn)突然的變化，其中哈爾濱表現(xiàn)在6月30日到7月1日從23.76元提升至55.07元及10月31日到11月1日從103.01元提升至151.98元，而在廣州，這種突變表現(xiàn)在6月30日到7月1日從90.94元提升至142.94元。這是因為尖峰電價政策的存在，在每年的用電高峰期，系統(tǒng)用電成本將會提高，此時峰谷電價差值進一步增大，因此新系統(tǒng)的收益會更加明顯。
5 結 論
本工作將兩相浸沒式液冷技術與卡諾電池儲能技術相結合，構建了一種新型的冷電聯(lián)供系統(tǒng)。系統(tǒng)可根據(jù)運行時段電價在自然冷卻模式、儲能模式及發(fā)電模式間切換，能夠有效適配當前的削峰填谷政策。研究結果表明：
（1）在自然冷卻模式下，系統(tǒng)制冷能效系數(shù)隨環(huán)境溫度的升高而降低，室外溫度為-20~30 ℃時，系統(tǒng)制冷能效系數(shù)為45.5～23；在儲能模式下，系統(tǒng)制熱能效系數(shù)不隨環(huán)境溫度變化而變化，為3.93；在發(fā)電模式下，環(huán)境溫度每升高10 ℃，有機朗肯循環(huán)的發(fā)電效率約降低1.5%。
（2）在哈爾濱、南京和廣州三座城市，相較于全年采用自然冷卻模式的浸沒式冷卻系統(tǒng)，新系統(tǒng)全年耗電量較高。但在峰谷電價政策的影響下，從全年來看，采用新系統(tǒng)后，每千瓦的數(shù)據(jù)中心IT設備全年用電花費分別節(jié)省了235.52元、245.24元及281.28元。
值得注意的是，雖然新系統(tǒng)在哈爾濱的卡諾電池年平均往返效率最高，但由于廣州及南京的峰谷電價差值更高，因此新系統(tǒng)在廣州及南京的經(jīng)濟效益方面的優(yōu)勢更加明顯?？梢灶A見的是，在全球可再生能源消費比重不斷提高的背景下，本系統(tǒng)將會展現(xiàn)出愈加明顯的優(yōu)勢。
