CN114190052A - 一种用于数据中心的分布式综合能源系统 - Google Patents

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CN114190052A CN202111339246.8A CN202111339246A CN114190052A CN 114190052 A CN114190052 A CN 114190052A CN 202111339246 A CN202111339246 A CN 202111339246A CN 114190052 A CN114190052 A CN 114190052A
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于志军
张安强
李成
曹宇
齐敏芳
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    • Y02A30/60—Planning or developing urban green infrastructure

Abstract

本发明涉及一种用于数据中心的分布式综合能源系统包括供电系统，其特征在于，废热利用系统，包括：水‑液换热机柜、数据机房循环液冷系统和循环供热系统；水‑液换热机柜，用于热交换，为数据机房循环液冷系统的冷却液降温，并为水加热；水被加热后进入循环供热系统；循环供热系统包括：采暖管道、蓄热罐或者/和小型冷却塔；本发明还包括储能电池装置；储能电池装置包括：UPS储能电池组，用于储存新能源电能或电网电能；UPS供电电池组，用于为整个数据中心用电设备和电网供电；和UPS备用电池组；并且所述三种UPS电池组可进行功能交替。本发明使数据中心产生的废热得到有效利用，使UPS电池得到有效利用，还降低了数据中心的总耗电量并节约了电费。

Description

一种用于数据中心的分布式综合能源系统
技术领域
本发明属于数据中心能源供应与应用领域，尤其涉及一种用于数据中心的分布式综合能源系统。
背景技术
近年来，我国通讯技术发展迅猛，数据中心电能消耗不断攀升，根据2019年统计，我国数据中心耗电量连续8年以超过12％的速度增长，2018年我国数据中心耗电量达1609亿kW-h，约占全社会用电量的2.35％，其值已经超过三峡工程全年发电量，比肩上海市全社会用电量，已成为典型高能耗行业。随着智慧城市、智慧能源、智慧工业、物联网、5G协同智慧化推进，以及能源用户的电气化和智能化普及，尤其实施数字化能源发展战略以后，我国的数据中心将持续攀升、单机柜功率更高，数据中心需求将从传统的通信业务快速拓展至各行各业。
大型数据中心主要消耗的能源是电力、冷量和热量。其中冷量为数据中心机柜提供冷却，确保机柜内芯片不会出现局部热点问题。传统的制冷方式是采用压缩式制冷系统或吸收式制冷系统为空调机房持续供应冷冻水(约供水7℃，回水温度12℃)，冷冻水对数据机房回风降温，从而保证数据机房热控安全，这些冷却方案都需要消耗电力。由于数据机房电能消耗较大，且绝大部分电能都转化为废热，这部分废热没有得到有效利用，造成能源利用率低、能源消耗量大。
现有用于数据中心降温的技术方案是数据中心风冷技术的三循环模式，第一个循环是数据中心内的风冷循环，热端是数据机柜、冷端是热交换机柜内的冷冻水；第二个循环是冷冻水与制冷系统的蒸发侧制冷剂蒸发换热；第三个是制冷系统冷凝侧与外部冷却塔进行热量交换，从而实现将数据中心废热通过冷却塔排入大气中。具体技术方案是采用制冷系统产生冷冻水，然后在热交换机柜内冷冻水与数据中心回风进行热交换，回风降温至22℃左右时，通过地板下的下送风方式，将冷风送入到数据机柜内，冷风对机柜芯片等进行冷却降温后，冷风升温至30℃左右后，通过上回风的方式送入热交换机柜，与冷冻水进行换热，从而实现数据中心风冷循环。当采用压缩式制冷系统时，制冷系统的冷凝侧，制冷剂发生凝结放出大量的废热，这部分废热通过冷却水循环系统进入冷却塔进行降温冷却后，继续返回到制冷系统的冷凝侧与制冷剂进行热量交换。现有技术的蓄冷方案是利用谷电的方式降低电费投入。通常在制冷系统的冷冻水侧布置蓄冷装置，依据冷源不同，可采用温度较低的冷冻水蓄冷技术，或选择温度较低的冰蓄冷技术，在白天峰电时段，采用蓄冷装置内的水对热交换装置内的回风进行冷却，而不需要采用直接消耗电能的制冷系统，因此实现将谷电时段的储存的冷量迁移到峰电时段使用，有效降低了电力消耗成。但是，上述现有冷却技术将全部电能都转化的废热直接排放到大气中，没有对废热进行有效利用。
近几年发展起来的浸没式冷却、间接液冷方式也可用于为数据机柜降温，其中浸没式冷却是指直接将电子器件放入不导电、无腐蚀的液体中，当电子器件表面温度升高时，液体发生蒸发换热，将热量带走。直接液冷方式是在电子器件电路板后背设置水冷板结构，水冷板内由水冷通道，水冷板将芯片产生的热量传递给水侧，然后水将热量带走至冷却塔中。相对于风冷方案，不再使用制冷系统，因此制冷系统电能消耗降低，但产生的废热依然直接排入大气中，没有得到有效利用，所以能源利用效率较低。
传统的数据中心采用电网直接供电，且昼夜电力需求区别不大。电网供电系统配送的电力存在峰、谷电价差异，峰、谷电价差别大致在0.4元至1.0元之间。传统数据中心不具备市政谷电峰用的条件，这造成数据中心运行电费居高不下。传统数据中心的UPS电源只在应急条件下进行临时供电，因此，价格昂贵的UPS电池在正常生产运维过程中没有产生任何经济价值。随着系能源行业快速发展，新能源电能的费用对比于电网直接供电更具有竞争力，但是传统的数据中心并没有采用系能源电能的技术手段。
因此，传统的数据中心将数据机房产生的废热直排，造成了废热没有得到有效利用；由于不分时段使用电网供电造成了高昂的电费；并且UPS电池只在发生故障时使用，造成了资源浪费。
发明内容
本发明的目的在于，克服传统数据中心产生的废热不能得到有效利用的问题；不具备市政谷电峰用的条件，造成的数据中心运行电费居高不下的问题；由于传统数据中的UPS电源只在应急条件下进行临时供电而造成的价格昂贵的UPS电池在正常生产运维过程中没有产生任何经济价值的资源浪费问题；和不能利用新能源电能，造成的电费高昂的问题，从而提供一种用于数据中心的分布式综合能源系统，包括：废热利用系统和储能电池装置；其中，
所述废热利用系统，包括：水-液换热机柜、数据机房循环液冷系统和循环供热系统；其中，
所述水-液换热机柜，用于热交换，为所述数据机房循环液冷系统的冷却液降温，并为水加热；
所述水-液换热机柜里的水，被加热后进入所述循环供热系统，所述循环供热系统具体包括：采暖管道、蓄热罐或者/和小型冷却塔；其中，
所述蓄热罐为热能利用场所供应热能；
水在所述小型冷却塔中与大气进行热交换；降温后的水进入所述水液换热柜。
所述储能电池装置，包括至少三个储能电池组为数据中心进行供电。所述储能电池装置包括：一个电池组，即UPS储能电池组，用于储存新能源电能或电网电能，实现新能源及电网电能的存储，实现蓄能的目的；另一个电池组，即UPS供电电池组，用于为整个数据中心用电设备和电网供电，实现了持续为数据中心供电，用电设备包括数据中心的机柜、照明、冷却用泵、风机、冷却塔等，同时也实现了将多余的电力销售给电网；和第三个电池组，即UPS备用电池组；并且所述UPS储能电池组、UPS供电电池组和UPS备用电池组可进行功能交替；所述新能源电能包括:光伏发电产生的电能或风力发电产生的电能。光电电能由于受风场资源、城市距离要求和区域太阳能辐照特点的影响，可选择性配置新能源装置。本发明以利用风力发电和光伏发电产生的绿电(新能源电能)为UPS储能电池组供电为主，以电网输配电系统为UPS储能电池组供电、和将产生多余的绿电通过UPS供电电池组进行上网销售为辅的方案为数据中心进行电能供应；随着新能源行业的快速发展，光伏发电和风电发电成本逐渐降低，数据中心直接采用通过光伏等新能源技术所供电能，并以传统的市政电网做为备网，解决了新能源供电不稳定的问题；UPS储能电池组实现了谷电峰用，解决了谷电无法在峰值电力需求时段进行使用的问题；同时解决了传统数据中心中，价格昂贵的UPS备用电源只进行应急供电而未产生显著商业价值的问题。
在冬季，由水承载的所述水-液换热机柜提供的热能进入采暖管道，通过水与采暖管道进行热交换，将所述热能传递给采暖管道，并将暖气管道的冷能传递给水；所述冷能由水承载进入所述水-液换热机柜；由数据机柜产生的废热由水导出送入附近的办公楼(比如数据中心的厨房、卫生间、办公室、值班室、运维中心等)、医院、商场等，对其进行供热，然后降温后的水返回到水-液换热机柜中进行换热，如此进行完成一个循环。
上述过程中，当数据中心供热能力大于采暖需求时，首先考虑的方案是将部分热水引入蓄热罐中进行蓄热处理；由水承载的所述水-液换热机柜提供的热能进入蓄热罐中，进行蓄热并为热能利用场所供应热能，如为数据中心的办公室等(比如数据中心的厨房、卫生间、办公室、值班室、运维中心等)持续提供稳定的热水，便于洗漱、洗澡和蔬菜清洗。当数据机柜产生的热能仍大于当蓄热罐与采暖需求时，考虑启动小型冷却塔为废热利用系统提供冷能。在不需要供暖的季节时，首先考虑将热能带入蓄热罐中。如果数据机柜产生的热量大于蓄热罐所需热量，则将部分热能送至小型冷却塔中。由水承载的所述水-液换热机柜提供的热能进入所述小型冷却塔；水在所述小型冷却塔中将热能排入大气中，使所述水进行自然降温；降温后的水承载冷能进入所述水液换能柜；在夏季温度较高时段，如12：00～15：00时的最恶劣的条件下，储冷罐内的温度较低的水也可持续为废热利用系统补充冷能，满足水散热需求。
所述供电系统还包括：安装在所述数据中心屋顶的光伏发电装置；所述光伏发电装置，用于产生直流电，并直接驱动所述数据中心中的空调运转，不需要城市电网，可降低数据中心空调系统总体能耗、减少了大量的碳排放。
作为上述系统的一种改进，所述一种用于数据中心的分布式综合能源系统还包括蓄冷罐；所述蓄冷罐用于为所述水-液换热机柜补充供应水。因为，蓄热罐中流走部分水，导致循环供热系统里的循环水不足，所以，所述蓄冷罐可为废热利用系统补充供应循环水；蓄冷罐补充供应的低温水承载冷能进入所述水-液换热机柜。
作为上述系统的一种改进，数据机房循环液冷系统可采用直接盘管水冷、冷却剂液冷、沸腾冷却、热管冷却、均温板冷却、或液冷板冷方式为数据机房提供冷能。
作为上述系统的一种改进，所述水为离子水或除盐水。
作为上述系统的一种改进，所述热能利用场所包括数据中心附近办公楼、医院和商场。
作为上述系统的一种改进，所述水温度为55～65℃，所述冷却液温度为40～45℃。
作为上述系统的一种改进，UPS储能电池组在谷电时段进行电网电能储电。谷电时段电费低于峰电时段，在谷电时段进行电网电能储电可以减少购电费用。
作为上述系统的一种改进，所述光伏发电和风力产生的电能直接导入UPS储能电池组。
作为上述系统的一种改进，所述光伏发电产生的光伏直流电通过所述储能电池装置可直接为新能源直流电器供电，其中，所述新能源直流电器供电包括：光伏空调。
作为上述系统的一种改进，所述储能电池装置还可以通逆变器将直流电逆变为交流电，并为所述整个数据中心的交流电用电设备供电。
所述分布式综合能源系统的供电系统建立了一种市电供应、分布式光伏、分布式风电、储能以及用能协同融合的能源供应方式。在数据中心中采用光伏发电通过所述储能电池可直接提供为新能源直流电器提供直流电；也可通过逆变器逆变成交流电，为交流电用电电器供电；其中，直接供应直流电可以提高电源的承载能力，提供供电效率，还可以提高电源的可靠性。并且直流电还具有简单、易于控制，便于光伏、风电、储能等分布式电源灵活、高效的接入和调控的优点，有利于实现可再生能源的大规模应用；利用低压直流安全性好的特点，打造本质安全的用电环境。在数据中心形成“光伏、储能、直流、柔性”以及四者的协同应用，使数据中心用电由刚性负载转变为柔性负载，解决数据中心电力负荷峰值突出问题以及未来与高比例可再生能源发电形态相匹配的问题，降低数据中心总体能耗和用能成本。而且，所述储能电池装置还可以通过逆变器将直流电逆变成交流电，为交流电用电设备进行供电，扩大了应用场景。集光能、储能和空调于一体的光伏空调，可形成一个微型发电站，不需要通过城市电网，不需要远程输送，把足够的能源聚集起来通过空调发电，在保证空调降温或制热的同时，把多余的电能储存起来。数据中心电量消耗非常大，为保证数据中心运行安全，光伏空调可以作为普通空调系统的补充或部分替代，充分利用白天阳光启动光伏空调进行发电、储能，降低数据中心空调系统总体能耗、减少了大量的碳排放。
本发明提供的一种用于数据中心的分布式综合能源系统的优点包括：
(1)将数据机房产生的兆瓦级废热得到有效利用；同时，通过多种冷却液供热系统为冷却液降温，减少了小型冷却塔的工作负担，所以降低冷却塔投资规模，减少投资和运行维护费用；
(2)本发明利用多组UPS电池组交替放电，为数据中心提供了充足的电能，并且UPS电池组电力输出平稳，增加了数据中心电力安全性，也使UPS电池的到充分利用；
(3)利用UPS电池组在谷电时期进行储电，并引入系能源电能，降低了数据中心用电费用；
(4)光伏直流电可以通过所述储能电池装置直接为光伏空调供电，并且光伏空调还具备电能利用率高(提高6-8％)、节能优势明显、设备投资少，投资回收期短(省去逆变、变压等设备，节省设备初投资约10％)的优势。
(5)提升了电力柔性供应的双向电力系统能力，新能源电力可通过本发明直接上网，还可以向电网销售高品质稳定电力。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于数据中心的分布式综合能源系统的示意图。
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
如图1所示的一种用于数据中心的分布式综合能源系统，包括废热利用系统、储能电池装置和光伏发电装置；其中，所述废热利用系统，包括：水-液换热机柜、数据机房循环液冷系统和循环供热系统；其中，
所述水-液换热机柜，用于热交换，为所述数据机房循环液冷系统的冷却液降温，并为水加热；
所述水-液换热机柜里的水，被加热后进入所述循环供热系统，所述循环供热系统具体包括：采暖管道、蓄热罐或者/和小型冷却塔；其中，
所述蓄热罐为热能利用场所供应热能；
水在所述小型冷却塔中与大气进行热交换；降温后的水进入所述水液换热柜。
所述储能电池装置包括：UPS储能电池组，用于储存新能源电能或电网电能；UPS供电电池组，用于为整个数据中心用电设备和电网供电；和UPS备用电池组；并且所述UPS储能电池组、UPS供电电池组和UPS备用电池组可进行功能交替；；其中，
所述新能源电能包括:光伏发电产生的电能或风力发电产生的电能。
所述一种用于数据中心的分布式综合能源系统还包括蓄冷罐；所述蓄冷罐用于为所述水-液换热机柜补充供应水。
数据机房循环液冷系统可采用直接盘管水冷、冷却剂液冷、沸腾冷却、热管冷却、均温板冷却、或液冷板冷却方式为数据机房提供冷能。
所述水为离子水或除盐水。
所述热能利用场所包括数据中心附近办公楼、医院和商场。
所述循环水温度为55～65℃，所述冷却液温度为40～45℃。
UPS储能电池在谷电时段进行电网电能储能。
所述光伏、风力发电产生的电能直接导入UPS储能电池组。
实施例1：假设数据中心机柜为1000台，每台机柜的功率是8kW进行计算，此时机柜发热量为1000*8kW＝8MW，假设机房位于北京市，电源使用效率(PUE)按1.3进行计算，则总电力约10.4MW。冬季：北京地区医院、托幼、饭店的热负荷指标按50W/m2进行计算，则可解决16万m2供暖面积，采暖季供暖收费按45元/m2进行计算，则每个供暖季可产生供暖盈利约720万元，标准煤的低位发热量按29.3MJ/kg进行计算，则北京按4个月供暖计算，最多可等效节约0.282万吨标煤。如果这些热能为居民区供暖，每户面积按100m2/户进行计算，则最多可实现1600户供暖，产生显著经济效益。
过渡季节及夏季：首先保证数据中心办公区域、附近的医院、托幼、饭店大量的热水需求，在环境温度最高时段，将热水存储在蓄热罐内进行稳定供应热水，然后蓄冷罐持续补充温度较低的除盐水或去离子水。同时，在小型冷却塔位置进行冷却散热，从换热机柜出来的循环冷却水的温度约55℃，然后进入冷却塔与夏季持续最高温度为36℃的大气环境进行持续换热，换热温差为19℃，然后循环冷却水的温度将为45℃左右，返回到换热机柜内，循环水完成一个循环过程。
北京市大工业用电110kV进行计算，则尖峰时段电价约0.9334元/度、平价按0.6370元/度、低谷电价按0.3496元/度计算(2019北京110kV工业电力电价)。传统技术采用风冷技术，热风将热量传递到冷冻水中，由于风扇功率、风机功率等散热作用，产生的总热量将增加到不低于8MW*1.1＝8.8MW，水冷机组按COP＝3.6计算，则产生电力消耗为8.8/3.6＝2.4MW，则从水冷机组的冷凝侧传出的热量为11.2MW，这部分热量进入冷却塔进行直接冷却，则负荷量比本技术直接增加(11.2-8)/8＝40％，同时本方案考虑不同季节及夏季昼夜温度特点的蓄冷罐和蓄热罐后，冷却塔规模会进一步降低，因此，本方案的冷却塔规模较小，投资较少。采用本方案后，由于不采用制冷机组，节能电能按2.4MW电力进行计算，则可等效年节电量达2102万度电，简单按平价电力计算则可节能电费1339万元。
假设数据中心的电网耗电量投入按4MW计算，年消耗电网电力约3505万度，按平价电费计算，电费约2232万元，供电系统采用储能电池装置后，即仅在谷电时期储存电力，电费约1225万元，据此可估算等效降低电费约1007万元。假设数据中心的清洁能源发电按6.4MW计算，光照资源丰富的地区实现太阳能光伏发电成本降低至0.1元/度电，光照资源较富带的地区太阳能光伏发电成本按0.25元/度进行计算，则与电网平价电相比，可节能电费约2169万元，与电网低谷电价相比可节省电费约558万元，如果与峰值电价相比，则节能电费空间更大。在风资源丰富地区的风力发电的电价，在风资源丰富区域为0.31元/度，在风资源平均区域0.40元/度，与平价电费相比，具有一定优势。
所述分布式综合能源系统的供电系统建立了一种市电供应、分布式光伏、分布式风电、储能以及用能协同融合的能源供应方式。在数据中心中采用光伏发电通过所述储能电池可直接提供为新能源直流电器提供直流电；也可通过逆变器逆变成交流电，为交流电用电电器供电；其中，直接供应直流电可以提高电源的承载能力，提供供电效率，还可以提高电源的可靠性。并且直流电还具有简单、易于控制，便于光伏、风电、储能等分布式电源灵活、高效的接入和调控的优点，有利于实现可再生能源的大规模应用；利用低压直流安全性好的特点，打造本质安全的用电环境。在数据中心形成“光伏、储能、直流、柔性”以及四者的协同应用，使数据中心用电由刚性负载转变为柔性负载，解决数据中心电力负荷峰值突出问题以及未来与高比例可再生能源发电形态相匹配的问题，降低数据中心总体能耗和用能成本。而且，所述储能电池装置还可以通过逆变器将直流电逆变成交流电，为交流电用电设备进行供电，扩大了应用场景。
本发明的废热利用系统与传统风冷相比，可实现年节电量达1339万元，等效节省其他燃料，并形成负碳和碳资产效应，通过废热的有效利用，即小型冷却塔、蓄冷罐、和蓄热罐联合配合方式，实现冬季采暖、全季节供热，做到了能源的阶梯利用和多用途利用，并且得到年收益720万元。对比传统冷却技术的的冷却塔，本发明所采用的小型冷却塔，极大地降低了冷却塔占地面积和投资规模，同时降低运维成本和人力投入。本发明的技术方案还可以通过引入新能源电能和储蓄谷电电能分别降低2169万和1225万电费，而且用电量增大，电费节约数额越大。同时通过售卖新能源电能得到进一步收益。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于数据中心的分布式综合能源系统包括供电系统，其特征在于，包括：废热利用系统和储能电池装置；其中，
所述废热利用系统，包括：水-液换热机柜、数据机房循环液冷系统和循环供热系统；其中，
所述水-液换热机柜，用于热交换，为所述数据机房循环液冷系统的冷却液降温，并为水加热；
所述水-液换热机柜里的水，被加热后进入所述循环供热系统，所述循环供热系统具体包括：采暖管道、蓄热罐或者/和小型冷却塔；其中，
所述蓄热罐为热能利用场所供应热能；
所述小型冷却塔中的水与大气进行热交换，降温后的水进入所述水液换热柜；
所述储能电池装置包括：UPS储能电池组，用于储存新能源电能或电网电能；UPS供电电池组，用于为整个数据中心用电设备和电网供电；和UPS备用电池组；并且，所述UPS储能电池组、UPS供电电池组和UPS备用电池组可进行功能交替；其中，
所述新能源电能包括：光伏发电产生的电能或风力发电产生的电能。
2.根据权利要求1所述的一种用于数据中心的分布式综合能源系统，其特征在于，所述分布式综合能源系统还包括蓄冷罐；所述蓄冷罐用于为所述水-液换热机柜补充供应水。
3.根据权利要求1所述的一种用于数据中心的分布式综合能源系统，其特征在于，所述数据机房循环液冷系统可采用直接盘管水冷、冷却剂液冷、沸腾冷却、热管冷却、均温板冷却、或液冷板冷却方式为数据机房提供冷能。
4.根据权利要求1所述的一种用于数据中心的分布式综合能源系统，其特征在于，所述水为离子水或除盐水。
5.根据权利要求1所述的一种用于数据中心的分布式综合能源系统，其特征在于，所述热能利用场所包括数据中心附近办公楼、医院和商场。
6.根据权利要求1所述的一种用于数据中心的分布式综合能源系统，其特征在于，所述水温度为55～65℃，所述冷却液温度为40～45℃。
7.根据权利要求1所述的一种用于数据中心的分布式综合能源系统，其特征在于，所述UPS储能电池组在谷电时段进行电网电能储能。
8.根据权利要求1所述的一种用于数据中心的分布式综合能源系统，其特征在于，所述光伏发电和风力产生的电能直接导入UPS储能电池组。
9.根据权利要求1所述的一种用于数据中心的分布式综合能源系统，其特征在于，所述光伏发电产生的光伏直流电通过所述储能电池装置可直接为新能源直流电器供电，其中，所述新能源直流电器供电包括：光伏空调。
10.根据权利要求1所述的一种用于数据中心的分布式综合能源系统，其特征在于，所述储能电池装置还可以通逆变器将直流电逆变为交流电，并为所述整个数据中心的交流电用电设备供电。
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