集成Carnot SSB蓄电池储能模块的多模式数据中心液冷系统可行性分析

2026-06-12 16:57:55

为了保证电子设备的稳定运转，数据中心需求不间断的电力供给和冷却。受电价机制影响，数据中心在用电顶峰期需求付出高昂的运营本钱。此外，冷却体系发生的大量废热被直接排放到环境中，动力运用功率较低。针对上述问题，本研讨将 Carnot battery 模块集成到数据中心冷却体系中。一方面，运用数据中心的废热可以有用进步 Carnot battery 的往复功率；另一方面，依托储能模块来应对峰谷电价。价格方针可以降低电费本钱。结果表明，对于高热通量数据中心的房间级冷却体系改造项目，该新式体系在广州、南京和哈尔滨的投资回收期别离小于5.7年、6.1年和6.8年；而机架级冷却体系改造项目的投资回收期则别离小于6.7年、8.9年和12.4年。

导言

随着化石动力的短缺，可再生动力发电设备的装置量逐年添加[1]。但是，可再生动力的供给一般具有间歇性和不稳定性[2]。为了缓解电网的峰值压力，政府广泛选用了峰谷电价方针[3]。作为支撑信息经济的关键基础设施，数据中心需求24小时供电[4]。因而，数据中心在顶峰时段必须付出高昂的电费[5]。此外，数据中心内安置的IT设备需求全年继续冷却[6]。数据中心冷却体系的能耗占总能耗的30%以上[7,8]。因而，迫切需求探索降低冷却体系能耗的方法，并规划针对峰谷电价方针的储能体系[9,10]。
从数据中心冷却体系的视点来看，制冷量预备和制冷量供给是降低冷却体系能耗中不行逃避的问题[11]。在制冷量预备方面，直接引进冷空气和冷水是运用天然冷源的一种简单方法[12,13]。但是，当未经处理的天然冷源直接进入数据中心时，空气和水可能会带着杂质，这可能导致设备短路、管道腐蚀等问题[14]。蒸腾冷却技能被广泛用于处理上述问题[15]。蒸腾冷却技能运用水气化的潜热来进步冷凝器的散热功率。本质上，蒸腾冷却技能是一种直接冷却技能，它避免了污染的空气/水进入数据中心[16,17]。在制冷量供给方面，机房级冷却体系在旧的数据中心中被广泛运用。机房级冷却体系以整个数据中心为目标，经过单台空调习惯负载变化，这使得部分过热问题频繁发生[18]。与机房级冷却体系比较，机架级冷却体系在机架背板或机架内部装置换热器。机架级冷却体系可以完成按需制冷和就地制冷，然后改善了数据中心内部的气流分布[19]。但是，上述制冷量供...
与上述制冷量供给方法不同，芯片级冷却体系一般将电子设备浸没在绝缘液体中，然后避免了冷热空气的混合[21]。此外，电子设备直接接触液体的导热系数远高于空气[22]。因而，液体冷却体系仅需依托制冷剂泵供给循环动力，即可完成全年天然冷却而无需压缩机[23]。浸没式冷却技能可分为单相和两相[24]。其间，两相液体冷却技能运用相变潜热，可以供给更大的传热系数和更高的散热才能[25]。因而，将两相液体冷却技能与先进的制冷量储备技能相结合，有望显著提升冷却体系的动力功率。
从储能技能的视点来看，抽水蓄能体系和压缩空气储能体系相对简单[26]。抽水蓄能体系运用低谷电克服重力势能，将水输送到高位水库。在顶峰时段，高位水库的水被转移到低位水库以驱动涡轮机[27]。在压缩空气储能体系中，低谷电被用于压缩低压空气。然后，高压空气被储存在地下洞穴中。在顶峰时段，高压空气被释放到涡轮机中以发电[28]。但是，上述两种技能的初始投资较高，且地形会极大地影响其功能[29]。与上述两种技能不同，电化学储能技能具有更高的能量存储密度和灵活性[30]。但是，电化学储能体系的运转和维护过程较为杂乱[31]。如果发生热失控，电池可能会焚烧并释放有毒气体，严重影响安全性[32]。对于数据中心而言，怎么构建一种不受地理环境约束的高稳定性、长寿命的储能技能是一个紧迫的问题。
与传统储能技能比较，作为一种新兴的储能方法，Carnot电池因其高装置灵活性和低建造本钱而锋芒毕露[33]。Carnot电池的运转过程遵循“电能-热能-电能”的途径。Mateu Royo等[34]将工业余热回收模块使用于Carnot电池。结果表明，与运用R245fa的体系比较，选用R1224yd(Z)和R1233zd(E)的体系具有更好的能量功率功能。Bellos等[35]经过集成太阳能集热器模块进步了Carnot电池的电-电转换功率。Sorknæs等[36]研讨了Carnot电池在100%可再生动力体系中的作用。结果表明，Carnot电池的本钱应低于60.5–66.2 EUR/MWh。但是，因为环境温度、体系形式等要素的影响，Carnot电池的电-电转换功率较低，约束了其广泛使用[37]。
如图1所示，液冷体系会发生大量的废热。Carnot电池需求运用低档次热源进行充电。经过整合这两个体系，可以在电价较低时运用液冷体系的废热。当电价较高时，该能量可被释放以发电。这一方案不只进步了储能模块的往复功率，而且更好地符合了当前的峰谷电价方针。本研讨剖析了集成Carnot电池储能模块的多形式液冷体系的可行性。选取三个典型城市作为使用地址，并根据年度功能、投资回收期和灵敏度开展剖析。本研讨旨在为数据中心的动力供给与运用供给优化方案，进一步降低数据中心的运营本钱，并削弱运营本钱对电价波动的依赖性。