中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘 要 隨著新一代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，需要全時(shí)段供電、不間斷冷卻的數(shù)據(jù)中心建設(shè)量急劇提高。同時(shí)，在全球可再生能源消費(fèi)比重不斷提高的背景下，各國普遍提出峰谷電價(jià)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(jià)政策難以適配。為解決這一矛盾，將兩相浸沒式液冷技術(shù)與卡諾電池儲(chǔ)能技術(shù)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建了一種新型數(shù)據(jù)中心用冷電聯(lián)供系統(tǒng)。為評(píng)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(yīng)用對(duì)象，對(duì)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(jì)性。結(jié)果表明，采用新系統(tǒng)后，每千瓦的數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備全年用電花費(fèi)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(yùn)維費(fèi)用。
關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)中心；卡諾電池；自然冷卻；能效表現(xiàn)；經(jīng)濟(jì)性
隨著ChatGPT、5G、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信息傳輸需求日益增加。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)中心的數(shù)量、規(guī)模和計(jì)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(shè)備，需要全年不間斷散熱，數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)運(yùn)行表現(xiàn)直接影響數(shù)據(jù)中心能耗與電子設(shè)備使用壽命。此外，為緩解可再生能源的間歇性和波動(dòng)性對(duì)電力系統(tǒng)的影響，各國政府普遍采用峰谷電價(jià)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(chǔ)能設(shè)備。因此，如何在峰谷電價(jià)體系下設(shè)計(jì)實(shí)用的儲(chǔ)能系統(tǒng)，高效利用數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)運(yùn)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(jī)房空調(diào)一般采用房間級(jí)冷卻方式，致使冷熱氣流摻混及局部熱點(diǎn)等問題頻發(fā)。與房間級(jí)冷卻系統(tǒng)相比，機(jī)柜級(jí)冷卻系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)按需冷卻和就近制冷，避免了上述問題，是一種適應(yīng)當(dāng)前數(shù)據(jù)中心大規(guī)模和高熱密度特點(diǎn)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(chǔ)上構(gòu)建，冷卻過程中壓縮機(jī)會(huì)消耗大量的電能。與前兩者不同，芯片級(jí)冷卻系統(tǒng)通常將電子設(shè)備浸入絕緣液體中，避免了風(fēng)冷過程中冷熱氣流摻混的問題。此外，電子設(shè)備與冷卻液體直接接觸，且液體的導(dǎo)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(dòng)力，無需配備壓縮機(jī)，系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)全年自然冷卻。浸沒式冷卻技術(shù)可分為單相浸沒式冷卻技術(shù)和兩相浸沒式冷卻技術(shù)，相較于單相浸沒冷卻技術(shù)，兩相浸沒式冷卻技術(shù)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(chǔ)能技術(shù)的角度來看，現(xiàn)有的儲(chǔ)能技術(shù)主要包括抽水蓄能技術(shù)、壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)和電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。其中，抽水蓄能技術(shù)和壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)地理環(huán)境的高要求在一定程度上限制了這兩種技術(shù)的應(yīng)用范圍和發(fā)展空間。而較高的初始投資成本與相對(duì)有限的使用壽命限制了電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在大型儲(chǔ)能項(xiàng)目中的應(yīng)用。對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言，如何構(gòu)建不受地理環(huán)境約束、穩(wěn)定性強(qiáng)、使用壽命長的儲(chǔ)能技術(shù)是亟待解決的問題?？ㄖZ電池技術(shù)作為一種新型儲(chǔ)能方案，將高溫?zé)岜眉夹g(shù)與低溫發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，其安裝靈活性較高，無論是在城市中心還是偏遠(yuǎn)地區(qū)，不受特定地理?xiàng)l件限制的特點(diǎn)使該技術(shù)具有很強(qiáng)的通用性，能夠在各種復(fù)雜環(huán)境中成功部署。此外，卡諾電池系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)量大，有望實(shí)現(xiàn)長期儲(chǔ)能和跨季節(jié)儲(chǔ)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(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。
基于浸沒式兩相冷卻技術(shù)的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)不僅可以實(shí)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能的數(shù)據(jù)中心能夠有效適配當(dāng)前的削峰填谷政策，在電價(jià)較低時(shí)儲(chǔ)能，在電價(jià)較高時(shí)釋能發(fā)電，降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)行成本。為此，本工作將兩相浸沒式液冷技術(shù)與卡諾電池儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)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(chǔ)能系統(tǒng)耦合問題提供解決方案。在全球可再生能源消費(fèi)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(yùn)維費(fèi)用。
1 系統(tǒng)方案及工作原理
本研究構(gòu)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(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)包括熱泵系統(tǒng)和ORC(有機(jī)朗肯循環(huán))系統(tǒng)由水箱-A、壓縮機(jī)、水箱-B、膨脹機(jī)、蒸發(fā)器-A及水泵等組成。系統(tǒng)具有三種運(yùn)行模式：自然冷卻模式，儲(chǔ)能模式，發(fā)電模式。各模式下系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)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(shè)備運(yùn)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(jī)朗肯循環(huán)中的工質(zhì)對(duì)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(shè)備相容性好、安全性高，且沸點(diǎn)相對(duì)較高的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)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(xué)性能而被認(rèn)為是卡諾電池儲(chǔ)能技術(shù)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(chǔ)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(yùn)行時(shí)段電價(jià)。在常規(guī)時(shí)段，系統(tǒng)運(yùn)行自然冷卻模式(模式1)。此時(shí)，氟化液由泵-A驅(qū)動(dòng)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(fēng)冷冷凝，返回泵-A。在谷電時(shí)段，系統(tǒng)運(yùn)行儲(chǔ)能模式(模式2)。此時(shí)，冷凝器-A與截止閥-A關(guān)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(shí)，熱泵依靠壓縮機(jī)做功驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jìn)入水箱-B內(nèi)儲(chǔ)存。在峰電時(shí)段，系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)電模式(模式3)。由泵-C驅(qū)動(dòng)水箱-B內(nèi)部的高溫水，流經(jīng)蒸發(fā)器-B放出儲(chǔ)存的熱量，產(chǎn)生低溫水，之后進(jìn)入水箱-A內(nèi)儲(chǔ)存，有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)依靠泵-B做功驅(qū)動(dòng)循環(huán)，工質(zhì)在膨脹機(jī)內(nèi)部做功發(fā)電，隨后，進(jìn)入冷凝器-C內(nèi)進(jìn)行冷凝。另外，在該模式下，系統(tǒng)壓縮機(jī)關(guān)閉，冷凝器-A開啟，依靠外部自然冷源對(duì)芯片散熱。
2 數(shù)學(xué)模型與評(píng)價(jià)指標(biāo)
通過建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型計(jì)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(jì)性。其中，計(jì)算所需的熱泵循環(huán)過熱度、窄點(diǎn)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(xué)模型的計(jì)算量，同時(shí)保證模型的計(jì)算精度，本系統(tǒng)建模假設(shè)如下：
（1）系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，忽略系統(tǒng)運(yùn)行過程中的壓力損失、流動(dòng)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(diǎn)溫差均為5 ℃。
對(duì)于壓縮機(jī)和膨脹機(jī)，通過等熵效率計(jì)算其功耗，計(jì)算公式為：
對(duì)于工質(zhì)泵和水泵，根據(jù)其等熵效率及進(jìn)口狀態(tài)計(jì)算功耗，計(jì)算公式如表4所示。
表4 系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)泵的熱力學(xué)模型
此外，系統(tǒng)內(nèi)各換熱器的熱力學(xué)計(jì)算公式如表5所示。
表5 系統(tǒng)內(nèi)各換熱器的熱力學(xué)模型
傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中，性能系數(shù)(coefficient of performance，COP)是評(píng)價(jià)制冷裝置的關(guān)鍵指標(biāo)。本研究利用不同角度的COP評(píng)價(jià)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(jì)算：
3 系統(tǒng)能效表現(xiàn)分析
為探究外界環(huán)境溫度對(duì)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(jì)算不同環(huán)境溫度下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)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(fēng)機(jī)和氟化液泵，通過氟化液泵驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)中心冷卻循環(huán)內(nèi)氟化液的流動(dòng)，通過風(fēng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)氟化液與外界環(huán)境間的換熱。而無需開啟壓縮機(jī)，此時(shí)系統(tǒng)總功耗較低，因此COP1較高。當(dāng)室外溫度為-20 ℃時(shí)，COP1為45.5，隨著環(huán)境溫度的升高，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)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(jìn)風(fēng)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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升，風(fēng)機(jī)功耗增大，COP1逐漸降低。當(dāng)室外溫度達(dá)到30 ℃時(shí)，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(guān)系
儲(chǔ)能模式系統(tǒng)各部件的功耗占比如圖3所示。在儲(chǔ)能模式下，壓縮機(jī)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(jī)的功耗對(duì)儲(chǔ)能模式下整個(gè)系統(tǒng)的耗電量具有很大影響。此外，儲(chǔ)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(shè)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(chǔ)能模式下的熱泵制熱COP2為定值3.92。
圖3 儲(chǔ)能模式系統(tǒng)各部件功耗占比
在發(fā)電模式下，有機(jī)朗肯循環(huán)的發(fā)電效率圖片與環(huán)境溫度的關(guān)系如圖4所示。當(dāng)環(huán)境溫度為-20 ℃時(shí)，發(fā)電效率圖片為16.55%，而當(dāng)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?yàn)榄h(huán)境溫度升高導(dǎo)致有機(jī)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(jī)進(jìn)出口的焓差降低，致使有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電效率降低。
圖4 發(fā)電模式下有機(jī)朗肯循環(huán)的發(fā)電效率ηORC與環(huán)境溫度的關(guān)系
4 系統(tǒng)運(yùn)行特性分析
4.1 應(yīng)用對(duì)象及對(duì)比方案
環(huán)境溫度對(duì)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(jì)性與應(yīng)用地點(diǎn)的峰谷電價(jià)有很大關(guān)系。而不同城市間的氣候條件與峰谷電價(jià)差異很大。因此，有必要選取氣候條件及峰谷電價(jià)差異明顯的三座典型城市(哈爾濱、南京和廣州)作為應(yīng)用對(duì)象，對(duì)比分析基于浸沒式冷卻與卡諾電池技術(shù)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(jì)性，以此來探究系統(tǒng)的可行性。其中，數(shù)據(jù)中心負(fù)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(jià)，可以看到，廣州的峰谷電價(jià)差值要顯著高于哈爾濱和南京。其中，哈爾濱峰谷電價(jià)時(shí)段劃分為：高峰時(shí)段6:00—7:00、9:00—11:30、15:30—20:00；低谷時(shí)段22:30—5:30；其余為平時(shí)段。其中：7～9月、11月～次年1月高峰時(shí)段中16:30—18:30為尖峰時(shí)段；廣州高峰時(shí)段為10:00—12:00、14:00—19:00；低谷時(shí)段為0:00—8:00；其余時(shí)段為平段；尖峰電價(jià)執(zhí)行時(shí)間為7月、8月和9月三個(gè)整月，執(zhí)行時(shí)段為每天11:00—12:00、15:00—17:00。南京峰谷電價(jià)時(shí)段劃分為：高峰時(shí)段 8:00—1100、17:00—22:00；平時(shí)段11:00—17:00、22:00—24:00；低谷時(shí)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(jià)政策。資料數(shù)據(jù)來源為各省電網(wǎng)有限責(zé)任公司關(guān)于2023年7月代理購電工商業(yè)用戶價(jià)格的公告。
表6 各典型城市峰谷電價(jià)
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(shí)際應(yīng)用時(shí)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(duì)ORC系統(tǒng)發(fā)電效率產(chǎn)生了影響，進(jìn)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(duì)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(duì)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?yàn)閮?chǔ)能模式下熱泵系統(tǒng)的壓縮機(jī)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?yàn)橥饨绛h(huán)境日平均氣溫變化影響新系統(tǒng)的往返效率、進(jìn)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(duì)比：(a) 哈爾濱；(b) 南京；(c) 廣州
4.3 典型城市下系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用
針對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合各城市峰谷電價(jià)政策進(jìn)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(fèi)及兩系統(tǒng)的同日電費(fèi)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(fèi)均低于傳統(tǒng)系統(tǒng)，這說明在考慮峰谷電價(jià)政策后，新系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)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(shè)備全年用電花費(fèi)分別節(jié)省了235.52元、245.24元及281.28元?？梢钥吹?，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(jià)差值更高，因此新系統(tǒng)在廣州及南京的經(jīng)濟(jì)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(fèi) (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(fèi)差會(huì)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?yàn)榧夥咫妰r(jià)政策的存在，在每年的用電高峰期，系統(tǒng)用電成本將會(huì)提高，此時(shí)峰谷電價(jià)差值進(jìn)一步增大，因此新系統(tǒng)的收益會(huì)更加明顯。
5 結(jié) 論
本工作將兩相浸沒式液冷技術(shù)與卡諾電池儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了一種新型的冷電聯(lián)供系統(tǒng)。系統(tǒng)可根據(jù)運(yùn)行時(shí)段電價(jià)在自然冷卻模式、儲(chǔ)能模式及發(fā)電模式間切換，能夠有效適配當(dāng)前的削峰填谷政策。研究結(jié)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(shí)，系統(tǒng)制冷能效系數(shù)為45.5～23；在儲(chǔ)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(jī)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(jià)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(shè)備全年用電花費(fèi)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(jià)差值更高，因此新系統(tǒng)在廣州及南京的經(jīng)濟(jì)效益方面的優(yōu)勢更加明顯?？梢灶A(yù)見的是，在全球可再生能源消費(fèi)比重不斷提高的背景下，本系統(tǒng)將會(huì)展現(xiàn)出愈加明顯的優(yōu)勢。
