面向数据中心液冷装置余热回收的卡诺电池储能系统可行性分析

  浩博电池网讯：

  摘 要 随着新一代信息技术的迅猛发展，需要全时段供电、不间断冷却的数据中心建设量急剧提高。同时，在全球可再生能源消费比重不断提高的背景下，各国普遍提出峰谷电价政策。数据中心冷却系统供冷效果差、系统能耗高，数据中心用电诉求与现行电价政策难以适配。为解决这一矛盾，将两相浸没式液冷技术与卡诺电池储能技术有机结合，构建了一种新型数据中心用冷电联供系统。为评估本系统在不同城市的可行性，选取哈尔滨、南京、广州三座城市作为应用对象，对比分析了本系统与全年采用自然冷却模式的浸没式冷却系统的能效表现及经济性。结果表明，采用新系统后，每千瓦的数据中心IT设备全年用电花费分别节省了235.52元、245.24元及281.28元。本研究给出的方案有效地提升了数据中心的用电灵活性，大幅降低了数据中心运维费用。

  关键词 数据中心；卡诺电池；自然冷却；能效表现；经济性

  随着ChatGPT、5G、云计算、人工智能等新一代信息技术的迅猛发展，数据处理、数据存储和信息传输需求日益增加。与此同时，数据中心的数量、规模和计算密度也在迅速增长。数据中心内部聚集着大量的电子设备，需要全年不间断散热，数据中心冷却系统运行表现直接影响数据中心能耗与电子设备使用寿命。此外，为缓解可再生能源的间歇性和波动性对电力系统的影响，各国政府普遍采用峰谷电价政策。而数据中心需要全天供电，但通常不配备大容量储能设备。因此，如何在峰谷电价体系下设计实用的储能系统，高效利用数据中心冷却系统运行余热，降低用电成本，是值得探讨的问题。

  从数据中心冷却系统的角度来看，传统机房空调一般采用房间级冷却方式，致使冷热气流掺混及局部热点等问题频发。与房间级冷却系统相比，机柜级冷却系统可以实现按需冷却和就近制冷，避免了上述问题，是一种适应当前数据中心大规模和高热密度特点的冷却方式。然而，上述冷却系统需要在蒸气压缩系统的基础上构建，冷却过程中压缩机会消耗大量的电能。与前两者不同，芯片级冷却系统通常将电子设备浸入绝缘液体中，避免了风冷过程中冷热气流掺混的问题。此外，电子设备与冷却液体直接接触，且液体的导热系数与比热容都显著高于空气。因此，在冷却过程中，液冷系统仅需配备工质泵提供循环动力，无需配备压缩机，系统即可实现全年自然冷却。浸没式冷却技术可分为单相浸没式冷却技术和两相浸没式冷却技术，相较于单相浸没冷却技术，两相浸没式冷却技术利用了流体的相变换热，传热系数较大，散热能力较高，是一种较为理想的数据中心冷却方案。

  从储能技术的角度来看，现有的储能技术主要包括抽水蓄能技术、压缩空气储能技术和电化学储能技术。其中，抽水蓄能技术和压缩空气储能技术对地理环境的高要求在一定程度上限制了这两种技术的应用范围和发展空间。而较高的初始投资成本与相对有限的使用寿命限制了电化学储能技术在大型储能项目中的应用。对于数据中心而言，如何构建不受地理环境约束、稳定性强、使用寿命长的储能技术是亟待解决的问题。卡诺电池技术作为一种新型储能方案，将高温热泵技术与低温发电技术相结合，其安装灵活性较高，无论是在城市中心还是偏远地区，不受特定地理条件限制的特点使该技术具有很强的通用性，能够在各种复杂环境中成功部署。此外，卡诺电池系统的能量存储量大，有望实现长期储能和跨季节储能。然而，由于外界环境温度的限制，卡诺电池的热量转换效率较低。因此，成本效益的考虑无疑是限制卡诺电池技术广泛应用的关键因素之一。

  基于浸没式两相冷却技术的数据中心冷却系统不仅可以实现全年自然冷却，且产生的余热品质较高。如果能在卡诺电池储能过程中利用数据中心的余热，将大幅提高卡诺电池的储能效率。此外，通过系统模式间的切换，基于卡诺电池系统储能的数据中心能够有效适配当前的削峰填谷政策，在电价较低时储能，在电价较高时释能发电，降低数据中心运行成本。为此，本工作将两相浸没式液冷技术与卡诺电池储能技术相结合，构建了一种新型的冷电联供系统，旨在为绿色数据中心冷却系统与储能系统耦合问题提供解决方案。在全球可再生能源消费比重不断提高的背景下，本研究给出的方案有效地提升了数据中心的用电灵活性，大幅降低了数据中心运维费用。

  1 系统方案及工作原理

  本研究构建的数据中心冷电联供系统由两相浸没式冷却系统与卡诺电池储能系统两部分组成，如图1所示。数据中心两相浸没式冷却系统由沸腾池、工质泵-A及冷凝器-A等组成；卡诺电池储能系统包括热泵系统和ORC(有机朗肯循环)系统由水箱-A、压缩机、水箱-B、膨胀机、蒸发器-A及水泵等组成。系统具有三种运行模式：自然冷却模式，储能模式，发电模式。各模式下系统设备运行状态如表1所示。

图1 新型系统示意图

表1 不同模式下系统内设备运行状态

  此外，数据中心两相冷却工质及热泵和有机朗肯循环中的工质对本系统效率有显著影响。其中，Novec 649以其传热性能优良，与电子设备相容性好、安全性高，且沸点相对较高的优势，被广泛应用于数据中心浸没式冷却系统中；R1233zd(E)因其安全性、不易燃性、环境友好性以及出色的热力学性能而被认为是卡诺电池储能技术最有潜力的工质之一；本研究中数据中心两相浸没式冷却系统采用Novec 649作为冷却工质；而卡诺电池储能系统选用R1233zd作为循环工质。

  系统模式的切换依据为运行时段电价。在常规时段，系统运行自然冷却模式(模式1)。此时，氟化液由泵-A驱动输配至沸腾池中，蒸发吸热。然后，流经截止阀-A，在冷凝器-A内部利用风冷冷凝，返回泵-A。在谷电时段，系统运行储能模式(模式2)。此时，冷凝器-A与截止阀-A关闭，氟化液流经截止阀-B，在蒸发器-A内部冷凝，返回泵-A；同时，热泵依靠压缩机做功驱动循环，热泵系统蒸发器-A吸收芯片冷却环路废热，由泵-D驱动水箱-A内部的低温水，流经冷凝器-B产生高温水，之后进入水箱-B内储存。在峰电时段，系统运行发电模式(模式3)。由泵-C驱动水箱-B内部的高温水，流经蒸发器-B放出储存的热量，产生低温水，之后进入水箱-A内储存，有机朗肯循环系统依靠泵-B做功驱动循环，工质在膨胀机内部做功发电，随后，进入冷凝器-C内进行冷凝。另外，在该模式下，系统压缩机关闭，冷凝器-A开启，依靠外部自然冷源对芯片散热。

  2 数学模型与评价指标

  通过建立系统数学模型计算系统在一定工况下的稳态参数，分析系统的能效表现及经济性。其中，计算所需的热泵循环过热度、窄点温差等参数以及R1233zd(E)的物性，见表2和表3。

表2 系统主要参数

表3 R1233zd(E)物性参数表

  此外，为了简化数学模型的计算量，同时保证模型的计算精度，本系统建模假设如下：

  （1）系统运行时处于稳定状态，忽略系统运行过程中的压力损失、流动损失及热量损失。

  （2）电子膨胀阀的节流过程为绝热过程。

  （3）系统内换热器均为逆流换热，窄点温差均为5 ℃。

  对于压缩机和膨胀机，通过等熵效率计算其功耗，计算公式为：

  对于工质泵和水泵，根据其等熵效率及进口状态计算功耗，计算公式如表4所示。

表4 系统内各个泵的热力学模型

  此外，系统内各换热器的热力学计算公式如表5所示。

表5 系统内各换热器的热力学模型

  传统空调系统中，性能系数(coefficient of performance，COP)是评价制冷装置的关键指标。本研究利用不同角度的COP评价不同模式下系统各循环的效率。

  其中，COP1为自然冷却模式下系统数据中心冷却循环的性能系数，通过下式计算：

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