數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)配置與運(yùn)行的集成優(yōu)化

王江江，鄧洪達(dá)，劉藝，王永真

(1.華北電力大學(xué)動(dòng)力工程系，保定 071003； 2.河北省低碳高效發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，保定 071003； 3.北京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100081)

當(dāng)前，以數(shù)字化為代表的科技革命和產(chǎn)業(yè)革命，正推動(dòng)著人類生活及生產(chǎn)方式的根本性變革。作為數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的重要載體，數(shù)據(jù)中心規(guī)模將不斷擴(kuò)大，“算力”將不斷提高，相應(yīng)地，數(shù)據(jù)中心能耗及運(yùn)行成本也隨之攀升。2018年，中國數(shù)據(jù)中心的用電量已達(dá)160×109kW·h，占全社會(huì)總用電量的2.4%[1]。按照現(xiàn)有速度發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的能耗占全球能耗的比例，將從2015年的0.9%上升到2025年的4.5%，再到2030年的8%。數(shù)據(jù)中心的巨大能耗也帶來了嚴(yán)峻的碳排放問題，據(jù)估算，2035年中國數(shù)據(jù)中心的碳排放總量將達(dá)(2.3～3.1)億t，占中國碳排放量的2%～4%。因此，加快綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)，積極推廣應(yīng)用安全可控的節(jié)能新技術(shù)和新能源，把綠色發(fā)展理念貫穿于數(shù)據(jù)中心建設(shè)各環(huán)節(jié)，既是保障資源環(huán)境可持續(xù)的需要，也是支撐制造強(qiáng)國、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國建設(shè)的關(guān)鍵[2]。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心多采用市電供電，通過大型集中式空調(diào)制冷，將冷負(fù)荷轉(zhuǎn)換為電負(fù)荷，進(jìn)而推升了電負(fù)荷增長(zhǎng)；以市電為主的電力供應(yīng)方式嚴(yán)重依賴電網(wǎng)，經(jīng)濟(jì)性差且二氧化碳排放量大。若以天然氣、太陽能等分布式能源替代部分電網(wǎng)的支撐，形成綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system, IES)，在一定程度上將提升數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)的環(huán)境效益。

以天然氣冷熱電聯(lián)供系為代表的分布式能源，因其能量梯級(jí)利用的特性，具備高效、清潔、可靠性高等特性，可有效降低數(shù)據(jù)中心一次能源的消耗[3]。當(dāng)前不少研究均證實(shí)了利用分布式能源系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心供能的可行性與可靠性。文獻(xiàn)[4]對(duì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的能效、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境特性進(jìn)行了綜合分析，結(jié)果顯示數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定的負(fù)荷需求以及低電冷比使其與聯(lián)供系統(tǒng)匹配度更好，運(yùn)行成本可降低54%。文獻(xiàn)[5]對(duì)燃料電池驅(qū)動(dòng)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果顯示天然氣與市電價(jià)格1%的變化將分別帶來年度現(xiàn)金流50%和56%的變化，市電價(jià)格的提升將使其經(jīng)濟(jì)性能更好。

但是由于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)自身熱電比受限的屬性，經(jīng)常與用戶動(dòng)態(tài)負(fù)荷不匹配，造成系統(tǒng)設(shè)備利用率低、適應(yīng)性不強(qiáng)等問題。為了改善其特性，加之能源可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的深化，太陽能、風(fēng)能等可再生能源技術(shù)以及設(shè)置儲(chǔ)能等方式在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用也逐漸增多。但由于可再生能源的波動(dòng)和隨機(jī)性，給冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的規(guī)劃與運(yùn)行帶來了不穩(wěn)定的要素[6]，因此大多的研究更傾向于采用互補(bǔ)的方式為數(shù)據(jù)中心供電，提高可再生能源利用率，降低化石燃料的使用量。Sheme等[7]論證了在北緯60°數(shù)據(jù)中心使用可再生能源供電的可能性，結(jié)果顯示太陽能和風(fēng)能發(fā)電相互協(xié)同可取得更高的經(jīng)濟(jì)效益和更好的穩(wěn)定性。為了降低數(shù)據(jù)中心對(duì)于傳統(tǒng)化石能源的依賴，目前大多數(shù)研究都考慮使用風(fēng)能和太陽能為數(shù)據(jù)中心供能，只有少數(shù)研究考慮了其他資源，如固體廢料[8]。另外，有研究還探討了通過系統(tǒng)內(nèi)部中低品位熱力循環(huán)的耦合來實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)熱電比的改善與系統(tǒng)優(yōu)化。典型的耦合方式有地源熱泵[9]、有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)[10-11]、電轉(zhuǎn)氣技術(shù)(power to gas, P2G)[12]等。文獻(xiàn)[11]通過集成余熱有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)來提升氫能驅(qū)動(dòng)的冷電聯(lián)供系統(tǒng)，年度能源利用率達(dá)86.53%。

綜上，數(shù)據(jù)中心綜合能源在設(shè)計(jì)與運(yùn)行階段，都取得了突破性的進(jìn)展，但已有研究成果大多是將兩個(gè)階段分開進(jìn)行，并未將優(yōu)化的調(diào)度策略集成于系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外，傳統(tǒng)的IES優(yōu)化設(shè)計(jì)方法通常將各設(shè)備的運(yùn)行出力按照某種特定的運(yùn)行規(guī)則進(jìn)行分配，在這種優(yōu)化模式下，IES并未實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的規(guī)劃?；谝陨蠁栴}，現(xiàn)首先提出一種集成有機(jī)朗肯循環(huán)的IES，實(shí)現(xiàn)IES熱電比靈活調(diào)控，從而匹配數(shù)據(jù)中心的動(dòng)態(tài)負(fù)荷；另外構(gòu)建一種將系統(tǒng)容量配置與運(yùn)行策略一并集成的優(yōu)化模型，并采用混合整數(shù)線性規(guī)劃理論進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)IES的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

1 數(shù)據(jù)中心IES方案

1.1 數(shù)據(jù)中心負(fù)荷

(1)

(2)

(3)

式(3)中：Eser,idle為所有處理器處于閑置狀態(tài)時(shí)的總待機(jī)功率，W；Eser,max為機(jī)房處理器最大功率，即處理器利用率為100%時(shí)的能耗，W；user為處理器實(shí)時(shí)利用率，即工作狀態(tài)的處理器數(shù)量占機(jī)房處理器總數(shù)的百分比。處理器最大功率和待機(jī)功率可分別求得為

(4)

(5)

式中：a0～a5為模型參數(shù)；Nser為處理器總數(shù)；SCPU為平均處理速度，MHz。

(6)

配電設(shè)備功耗計(jì)算公式為

(7)

(8)

式中：ηUPS和ηPDU分別為不間斷電源(uninterruptible power supply，UPS)和電源分配單元(power distribution unit，PDU)效率； LAUPS為UPS負(fù)載率。

數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷Qc,DC包括機(jī)房和辦公區(qū)兩部分，可表示為

(9)

式(9)中：Qc,IT和Qc,of分別為機(jī)房和辦公區(qū)冷負(fù)荷，機(jī)房冷負(fù)荷采用負(fù)載系數(shù)LF進(jìn)行估算，即

(10)

負(fù)載系數(shù)LF越高則電能使用效率越高，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的熱能越低，所需的冷能也越低，選取冬季的負(fù)載系數(shù)為1.94，夏季負(fù)載系數(shù)為1.39[17]。

為了獲得數(shù)據(jù)中心全年負(fù)荷曲線，參考典型數(shù)據(jù)中心歷史數(shù)據(jù)，將處理器實(shí)時(shí)占用率近似為正態(tài)分布，根據(jù)其抽樣則可獲取機(jī)房全年電負(fù)荷，進(jìn)而獲得IT機(jī)房冷負(fù)荷。數(shù)據(jù)中心辦公區(qū)冷熱電負(fù)荷則可根據(jù)建筑面積及房間用電設(shè)備設(shè)置等進(jìn)行模擬計(jì)算。因此數(shù)據(jù)中心分為非供暖期，IES滿足數(shù)據(jù)中心IT機(jī)房和辦公區(qū)的冷和電需求，而在供暖期，IES需同時(shí)滿足IT機(jī)房的冷電需求以及辦公區(qū)的熱電需求。

1.2 IES方案及建模

針對(duì)數(shù)據(jù)中心IT機(jī)房及辦公冷熱電需求，構(gòu)建如圖1所示的IES，系統(tǒng)通過光伏(photovoltaic，PV)和燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)(gas engine，GE)發(fā)電，并與市電結(jié)合共同滿足數(shù)據(jù)中心電力需求，采用余熱利用設(shè)備[吸收式制冷機(jī)組(absorption chiller，AC)、有機(jī)朗肯循環(huán)機(jī)組(organic Rankine cycle，ORC)、換熱器(heat exchanger，HC)等]回收利用內(nèi)燃機(jī)余熱，并通過ORC和地源熱泵(ground source heat pump，GSHP)來調(diào)控系統(tǒng)熱電比，以滿足用戶端的動(dòng)態(tài)變化。針對(duì)數(shù)據(jù)中心供暖期和非供暖期的需求，采用兩臺(tái)GSHP配置的方式，非供暖期，兩臺(tái)GSHP為數(shù)據(jù)中心供冷，而在供暖期，GSHP#2與吸收式制冷機(jī)組為IT機(jī)房供冷，GSHP#1為辦公區(qū)供熱。

圖1 數(shù)據(jù)中心IES流程圖Fig.1 Energy flows of integrated energy system for data center

1.2.1 內(nèi)燃機(jī)

內(nèi)燃機(jī)的天然氣耗量及發(fā)電量、產(chǎn)熱量之間的關(guān)系(以1 h為時(shí)間尺度)如下。

Ege=Fgeηge,e

(11)

Qr=Fgeηge,qηhr

(12)

Vge,gas=Fge/LHVgas

(13)

式中：Ege為內(nèi)燃機(jī)輸出的電功率，kW；Fge為燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的天然氣消耗率，kW；Qr為余熱功率，kW；ηge,e、ηge,q和ηhr分別為發(fā)電效率、余熱效率和熱回收效率；Vge,gas為天然氣消耗體積，m3；LHVgas為天然氣低熱值，取9.7 (kW·h)/m3。

1.2.2 光伏發(fā)電

光伏板電力輸出與當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度和太陽輻射強(qiáng)度有關(guān)，發(fā)電功率EPV[3]表示為

(14)

式(14)中：f為光伏功率降額因子；NPV為光伏的額定功率，kW；Gp為太陽輻射強(qiáng)度，kW/m2；Gstc為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的太陽輻射強(qiáng)度，取值1 kW/m2；α為溫度系數(shù)，%/℃；TPV,stc為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的光伏板溫度，25 ℃；TPV,p為實(shí)際溫度下的光伏板溫度，計(jì)算公式[3]為

TPV,p=

(15)

式(15)中：Ta,p為環(huán)境溫度，℃；TPV,soc為標(biāo)準(zhǔn)工況(45～48 ℃)下光伏板表面溫度；ηe,PV為在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下光伏效率；τ為太陽能的透光率；β為光伏的太陽能吸收率；τβ的默認(rèn)值為0.9，標(biāo)準(zhǔn)操作條件為：標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)度(Gsoc)0.8 kW/m2，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度(Ta,soc)20 ℃。

1.2.3 吸收式制冷機(jī)組和地源熱泵

內(nèi)燃機(jī)煙氣與缸套水一并通入煙氣熱水型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組制冷，另外配置了兩臺(tái)地源熱泵機(jī)組利用電力制冷，共同滿足IT機(jī)房全年冷負(fù)荷及辦公區(qū)的冬季熱負(fù)荷?；旌现评淠Ｊ教嵘讼到y(tǒng)可靠性，保證數(shù)據(jù)中心的冷量需求。吸收式機(jī)組與地源熱泵的輸出功率分別表示為

Qac=COPacQra

(16)

Qgshp=COPgshpEgshp

(17)

式中：Qra和Egshp分別為吸收式制冷機(jī)組和熱泵的輸入能量，kW；Qac和Qgshp分別為吸收式制冷機(jī)組和熱泵的能量輸出，kW；COPac和COPgshp分別為吸收式制冷機(jī)組和地源熱泵的性能系數(shù)；其中熱泵在冬夏工況下性能系數(shù)各不同相同。

1.2.4 有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)

ORC系統(tǒng)主要由膨脹機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和工質(zhì)泵4個(gè)部件組成，其理想循環(huán)過程包括絕熱壓縮、定壓吸熱、絕熱膨脹和定壓放熱過程。有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)電量為

Eorc=Qorcηorcηgen

(18)

式(18)中：Eorc為ORC系統(tǒng)的輸出電量，kW；Qorc為ORC的輸入熱量，kW；ηgen為發(fā)電機(jī)效率，%。

1.2.5 燃?xì)忮仩t和換熱器

燃?xì)忮仩t和換熱器的輸入輸出能量關(guān)系如下。

Qb=ηbVbVgasLH

(19)

Qhx=ηhxQrh

(20)

式中：Vb為燃?xì)忮仩t的天然氣消耗量，m3；Qb和Qhx分別為鍋爐和換熱器的輸出熱量，kW；Qrh為換熱器的輸入熱量，kW；ηb和ηhc分別為鍋爐和換熱器的效率。

2 優(yōu)化模型

針對(duì)數(shù)據(jù)中心IES的設(shè)計(jì)與運(yùn)行，提出一種容量配置與運(yùn)行策略的集成優(yōu)化模型，如圖2所示，主要包括模型構(gòu)建、混合整數(shù)線性規(guī)劃(mixed integer linear programming，MILP)模型、優(yōu)化問題求解及性能評(píng)估等4個(gè)階段。該模型將多維數(shù)、多時(shí)段及多約束的非連續(xù)優(yōu)化問題，通過模型變換，實(shí)現(xiàn)了該優(yōu)化問題的求解。另外，設(shè)備容量與其逐時(shí)運(yùn)行出力間存在密切的耦合關(guān)系，常規(guī)處理方法是將兩者分為兩階段優(yōu)化，而本模型中將兩者一并作為優(yōu)化變量，實(shí)現(xiàn)了兩者一體化的求解。

圖2 IES容量配置與運(yùn)行策略集成優(yōu)化模型Fig.2 Optimization model of system configurations and operation strategies of IES

2.1 優(yōu)化變量

如圖1所示，IES中涉及的發(fā)電設(shè)備包括光伏、內(nèi)燃機(jī)、ORC以及電網(wǎng)補(bǔ)充，各自的容量配置以及逐時(shí)出力狀態(tài)關(guān)系到系統(tǒng)中的能流平衡以及經(jīng)濟(jì)成本，例如光伏容量的提升必然會(huì)降低IES運(yùn)行成本，但是其投資成本也要一并考慮在內(nèi)，因此，IES系統(tǒng)中各設(shè)備的容量存在最佳配置來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)；另外在系統(tǒng)運(yùn)行中，由于數(shù)據(jù)中心末端冷熱電負(fù)荷的逐時(shí)變化以及光伏的波動(dòng)，各設(shè)備的出力需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行性能的提升?；诖耍槍?duì)IES各設(shè)備容量以及逐時(shí)出力進(jìn)行優(yōu)化，則針對(duì)圖1所示的IES，其優(yōu)化變量(X)可表示為

(21)

式(21)中：符號(hào)的上標(biāo)t代表t時(shí)刻，以1 h為時(shí)間尺度；E和Q分別為各設(shè)備的逐時(shí)電量和熱量；N為各設(shè)備的容量；Sge為內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)(當(dāng)內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，Sge=1；當(dāng)內(nèi)燃機(jī)停機(jī)時(shí)，Sge=0)。內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)化主要是限制其低負(fù)荷運(yùn)行，以免由于效率的下降而導(dǎo)致污染物的增加。

2.2 優(yōu)化目標(biāo)

通常IES成本包括設(shè)備投資成本、設(shè)備維護(hù)成本，包括購電及燃?xì)獾倪\(yùn)行成本；另外考慮到雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)，引入碳排放成本限制市電和天然氣的使用；并考慮棄光懲罰成本作為鼓勵(lì)可再生能源的使用。綜上，數(shù)據(jù)中心IES的年總成本可表示為

minATC=Ccap+Com+Cgas+Cgrid+Ctax+Cpe

(22)

式(22)中：ATC為數(shù)據(jù)中心IES費(fèi)用年值；Ccap、Com、Cgas、Cgrid、Ctax和Cpe分別為年投資成本、設(shè)備運(yùn)維成本、燃?xì)獬杀?、購電成本、碳稅成本以及棄光懲罰成本。其中設(shè)備年投資成本可表示為

(23)

式(23)中：Nm為第m個(gè)設(shè)備的裝機(jī)容量，kW；Cm為第m個(gè)設(shè)備的單位投資費(fèi)用，元/kW；l為系統(tǒng)中的設(shè)備個(gè)數(shù)；i為折現(xiàn)率，i=0.06；n為壽命周期，年。設(shè)備運(yùn)維成本按照設(shè)備投資成本進(jìn)行折算，公式為

(24)

式(24)中：ε為運(yùn)維成本系數(shù)，ε=0.02[18]。天然氣費(fèi)用、電網(wǎng)購電費(fèi)用、碳稅和棄光成本的計(jì)算公式如下。

Cgas=cgas(Vge+Vb)

(25)

Cgrid=cgridEgrid

(26)

Ctax=ctax[(Vge+Vb)λgas+Egridλgrid]

(27)

Cpe=cpe(Epv-Epv0)

(28)

式中：Vge和Vb分別為內(nèi)燃機(jī)和鍋爐年消耗天然氣量，m3；cgas為天然氣單價(jià)，元/m3；cgrid為實(shí)時(shí)電價(jià)，元/kWh；Egrid為電網(wǎng)年購電量，kW；ctax為碳稅價(jià)格；λgas為天然氣CO2排放因子，kg/m3；λgrid為電網(wǎng)度電CO2排放因子，kg/(kW·h)；Epv為光伏系統(tǒng)年產(chǎn)電量，kW；Epv0為數(shù)據(jù)中心實(shí)際使用的光伏發(fā)電量，kW；cpe為棄光懲罰因子，元/(kW·h)。

2.3 約束條件

IES運(yùn)行過程中各發(fā)電設(shè)備電功率輸出與數(shù)據(jù)中心和地源熱泵所需要的電功率平衡，可表示為

Ege+Egrid+EORC+EPV=Egshp1+Egshp2+EDC

(29)

非供暖期，數(shù)據(jù)中心由吸收式制冷機(jī)組和地源熱泵共同供冷，則冷量平衡可表示為

Qc=Qc,gshp1+Qgshp2+Qac

(30)

而在供暖期，數(shù)據(jù)中心由吸收式制冷機(jī)組和GSHP#2供冷，則冷量平衡可表示為

Qc=Qgshp2+Qac

(31)

IES熱量平衡約束包括系統(tǒng)末端為數(shù)據(jù)中心供熱的熱量平衡和系統(tǒng)內(nèi)部余熱利用平衡，分別表示為

Qh=Qhc+Qh,gshp1

(32)

Qb+Qr=Qorc+Qra+Qrh+Qloss

(33)

另外，IES運(yùn)行中各設(shè)備的逐時(shí)出力不得大于設(shè)備容量，則發(fā)電設(shè)備通用不等式約束可表示為

0≤Em≤Nm

(34)

而余熱及制冷設(shè)備科表示為

0≤Qm≤Nm

(35)

對(duì)于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)而言，若運(yùn)行在低負(fù)荷，其發(fā)電效率將降低，也會(huì)帶來污染物排放的增高，因此這里為了限制其運(yùn)行在低負(fù)荷，設(shè)置其逐時(shí)出力約束為

βNgeSge≤Ege≤NgeSge

(36)

式(36)中：β為內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行最小負(fù)荷率，β=25%。

2.4 求解算法

IES優(yōu)化模型涉及設(shè)備容量變量、內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行狀態(tài)布爾變量，以及式(36)中運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備容量之間的耦合使得該優(yōu)化為混合整數(shù)非線性優(yōu)化(MINLP)模型?，F(xiàn)引入一個(gè)無窮大變量M，將內(nèi)燃機(jī)出力約束轉(zhuǎn)換為如下線性數(shù)學(xué)表達(dá)式，即

(37)

通過線性變換，將MINLP問題轉(zhuǎn)換為混合整數(shù)線性規(guī)劃(MILP)模型，然后利用分支定界法對(duì)其進(jìn)行求解。

3 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了比較IES相對(duì)于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)的能源節(jié)約特性，選擇一次能源節(jié)約率(primary energy saving ratio，PESR)作為能源評(píng)價(jià)指標(biāo)，定義為

(38)

式(38)中：Fref和FIES分別為參考系統(tǒng)和IES的化石能源消耗量，其中參考系統(tǒng)由電網(wǎng)供電，地源熱泵供冷，燃?xì)忮仩t供熱來滿足數(shù)據(jù)中心冷熱的負(fù)荷。為了便于計(jì)算，將內(nèi)燃機(jī)和鍋爐消耗的天然氣以及電網(wǎng)購電量按照自身熱值轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)煤，計(jì)算公式為

F=Vgasωgas,f+Egridωgrid,f

(39)

式(39)中：ωgas,f和ωgrid,f分別為天然氣和市電折算為標(biāo)準(zhǔn)煤的系數(shù)。根據(jù)《綜合能耗計(jì)算通則》(GB/T 2589—2020)，標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為7 000 kcal/kg (29 300 kJ/kg)，所用天然氣熱值為8 500 kcal/m3(35 580 kJ/kg)，因此天然氣折算為標(biāo)準(zhǔn)煤的系數(shù)為1.214 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/m3。根據(jù)國家電網(wǎng)及發(fā)改委所提供的數(shù)據(jù)，以火力發(fā)電煤耗為基準(zhǔn)，電力折算為0.335 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/(kW·h)[19]。

類似節(jié)能率的定義，IES的二氧化碳減排率可表示為

(40)

式(40)中：CDEref為參考系統(tǒng)二氧化碳排放量，CDEIES為IES二氧化碳排放量，計(jì)算公式為

CDE=λgas(Vge+Vb)+λgridEgrid

(41)

為了體現(xiàn)IES相對(duì)于參考系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)收益，使用年值節(jié)約率來評(píng)價(jià)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能，可表示為

(42)

式(42)中：ATCref和ATCIES分別為參考系統(tǒng)和IES的費(fèi)用年值。

4 結(jié)果與討論

4.1 參數(shù)設(shè)置

選擇中國華北地區(qū)某中小型數(shù)據(jù)中心，該數(shù)據(jù)中心占地2 km2，為單體建筑，包括數(shù)據(jù)機(jī)房和辦公區(qū)域。其中機(jī)房含3 100個(gè)機(jī)架，共56 000個(gè)處理器，單臺(tái)處理器的額定功率為500 W。數(shù)據(jù)中心功耗模型所用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)見表1。該數(shù)據(jù)中心IT機(jī)房?jī)?nèi)各設(shè)備規(guī)格參數(shù)見表2。其中處理器實(shí)時(shí)利用率與實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)荷均用正態(tài)分布表示[20]。

表1 數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備功耗模型經(jīng)驗(yàn)系數(shù)[20]Table 1 Coefficients of electric consumption of IT in data center[20]

表2 數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的規(guī)格參數(shù)[20-21]Table 2 Parameters of IT equipment [20-21]

根據(jù)數(shù)據(jù)中心當(dāng)?shù)丨h(huán)境參數(shù)及太陽輻射強(qiáng)度，以及數(shù)據(jù)中心本體的設(shè)備能耗及圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可模擬求得數(shù)據(jù)中心逐時(shí)負(fù)荷曲線，如圖3所示?？梢钥闯觯瑪?shù)據(jù)中心全年存在冷負(fù)荷需求，熱負(fù)荷需求僅發(fā)生在供暖季；數(shù)據(jù)中心全年最大電冷熱負(fù)荷分別為9 568.19、8 948.93、3 290.24 kW。

圖3 數(shù)據(jù)中心全年逐時(shí)負(fù)荷Fig.3 Hourly loads of data center

表3給出了各設(shè)備的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)參數(shù)。數(shù)據(jù)中心當(dāng)?shù)胤謺r(shí)電價(jià)：1:00—7:00以及24:00為低谷時(shí)段，電價(jià)為0.474 8元/(kW·h)；8:00和12:00—18:00為平價(jià)時(shí)段，電價(jià)為0.900 3元/(kW·h)；9:00—11:00和19:00—23:00為高峰時(shí)段，為1.345 8元/(kW·h)[22]。

表3 系統(tǒng)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)參數(shù)Table 3 Technical and economic parameters

4.2 設(shè)備容量?jī)?yōu)化結(jié)果

為了比較所提出IES系統(tǒng)的有效性，對(duì)以下3種系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化對(duì)比。

系統(tǒng) 1：參考分供系統(tǒng)(SP)。

系統(tǒng) 2：未集成ORC的太陽能與天然氣互補(bǔ)IES，即如圖1中所示未集成ORC發(fā)電子系統(tǒng)，定義為PV-IES。

系統(tǒng) 3：圖1所示的IES，定義為PV-ORC-IES。

采用所構(gòu)建混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，3種系統(tǒng)的配置方案如表4所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：由于集成了ORC在內(nèi)，PV-ORC-IES中內(nèi)燃機(jī)和光伏的容量分別下降了6.17%和3.20%，也反映了ORC的集成可提升余熱的利用，降低發(fā)電設(shè)備的容量。

表4 系統(tǒng)設(shè)備優(yōu)化容量Table 4 Optimum capacities of components

參考分供系統(tǒng)的全年電負(fù)荷來自電網(wǎng)，冷負(fù)荷來自地源熱泵，熱負(fù)荷來自鍋爐。對(duì)PV-ORC-IES全年冷熱電負(fù)荷供給來源如表5所示。內(nèi)燃機(jī)發(fā)電量占全年總用電量的45.15%，為數(shù)據(jù)中心和地源熱泵用電的主要來源，光伏發(fā)電量占29.13%，電網(wǎng)購電量占比為22.28%，有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電量占比最少，約3.44%。數(shù)據(jù)中心全年有冷負(fù)荷需求，吸收式制冷機(jī)組全年制冷量占數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷的72.92%，為主要冷量來源，地源熱泵#1供冷量為12.11%，地源熱泵#2為14.97%，略高于地源熱泵#1。這說明IES為數(shù)據(jù)中心供能的過程中，絕大多數(shù)冷負(fù)荷能通過吸收式制冷機(jī)組利用內(nèi)燃機(jī)余熱滿足。冬季，數(shù)據(jù)中心辦公區(qū)的熱需求由地源熱泵#1和換熱器滿足，兩者占比分別為36.30%和63.70%。

表5 數(shù)據(jù)中心冷熱電來源占比Table 5 Cooling, heating and power source ratios

表6為3種系統(tǒng)的性能對(duì)比。與傳統(tǒng)SP系統(tǒng)相比，PV-IES性能大幅提升，二氧化碳減排較為明顯，達(dá)53.58%，一次能源節(jié)約率為37.67%。從經(jīng)濟(jì)性上來看，由于SP系統(tǒng)的電需求主要由電網(wǎng)滿足，未涉及設(shè)備投資費(fèi)用，因此PV-IES的投資費(fèi)用和運(yùn)維費(fèi)用遠(yuǎn)大于SP系統(tǒng)。PV-IES主要由內(nèi)燃機(jī)消耗天然氣產(chǎn)電，購天然氣的費(fèi)用遠(yuǎn)大于SP系統(tǒng)，購電費(fèi)用小于SP系統(tǒng)。碳稅與二氧化碳排放量相關(guān)，年值中IES碳稅部分的成本下降明顯。由于光伏發(fā)電量受當(dāng)?shù)販囟?、濕度、太陽輻射等多種因素影響，不能完全與數(shù)據(jù)中心末端電負(fù)荷相匹配，存在棄光現(xiàn)象，PV-IES的年度棄光率約為15.65%，棄光成本約為46.54萬元。

表6 不同供能系統(tǒng)性能對(duì)比Table 6 Performance comparisons of different systems

提出的PV-ORC-IES在經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和能源三個(gè)方面均優(yōu)于PV-IES。與SP系統(tǒng)相比，PV-ORC-IES的年值節(jié)約率為35.72%，二氧化碳減排率為55.11%，一次能源節(jié)約率為39.86%。與PV-IES相比，雖然包含ORC的IES投資費(fèi)用與運(yùn)維費(fèi)用略大，但是購電費(fèi)用、購天然氣費(fèi)用、碳稅以及棄光懲罰均有減少。通過傳統(tǒng)分供系統(tǒng)與兩個(gè)IES的對(duì)比可以明顯看出，IES在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用是非常有必要的，IES與光伏發(fā)電、電網(wǎng)進(jìn)行合理的配置和運(yùn)行可以明顯降低系統(tǒng)年值費(fèi)用、二氧化碳排放量和一次能源消耗量，更好地發(fā)揮IES能源利用率高、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，通過PV-IES和PV-ORC-IES的性能比較，可以看出有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)能夠在數(shù)據(jù)中心IES中發(fā)揮很好的作用。

4.3 最優(yōu)運(yùn)行出力分析

通過優(yōu)化各個(gè)設(shè)備的逐時(shí)出力，達(dá)到運(yùn)行成本最低的目的。選擇供暖期和非供暖期典型日下對(duì)IES的優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。

圖4為IES供暖期典型日的各機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)及能量平衡關(guān)系。由圖4(a)電平衡關(guān)系中可知：數(shù)據(jù)中心電力來源與電價(jià)、光伏發(fā)電情況密切相關(guān)。1:00—7:00以及24:00為低谷電價(jià)時(shí)段，該時(shí)段內(nèi)電量來源以電網(wǎng)購電為主，內(nèi)燃機(jī)發(fā)電為輔；9:00—18:00時(shí)段內(nèi)系統(tǒng)優(yōu)先利用光伏發(fā)電，在光伏發(fā)電量不足以滿足數(shù)據(jù)中心電需求時(shí)，通過內(nèi)燃機(jī)、ORC發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)共同滿足電負(fù)荷。某些時(shí)刻IES發(fā)電量高于末端電負(fù)荷，主要因?yàn)榈卦礋岜迷谥评浠蛑茻岬倪^程中需要消耗一定的電量。

圖4(b)展示了IES系統(tǒng)冷量與熱量平衡。吸收式制冷機(jī)組通過將內(nèi)燃機(jī)余熱轉(zhuǎn)換為冷量滿足大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心冷負(fù)荷；在內(nèi)燃機(jī)不出力時(shí)段(10:00—15:00)，由地源熱泵#2滿足冷負(fù)荷，其中13:00時(shí)地源熱泵#2達(dá)到其額定功率，此時(shí)，輔助鍋爐工作為吸收式制冷機(jī)組提供熱量補(bǔ)充制冷。數(shù)據(jù)中心辦公區(qū)熱負(fù)荷優(yōu)先由換熱器利用內(nèi)燃機(jī)余熱滿足，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)余熱不足時(shí)地源熱泵#1開始制熱。

圖4 供暖工況下各設(shè)備運(yùn)行出力狀態(tài)Fig.4 Hourly operation states of components in typical heating day

綜合圖4(a)和圖4(b)可得：低谷電價(jià)時(shí)期，系統(tǒng)的最佳運(yùn)行狀態(tài)為內(nèi)燃機(jī)根據(jù)吸收式制冷機(jī)組滿足冷負(fù)荷與換熱器滿足熱負(fù)荷所需的熱量確定其出力情況，ORC不工作，不足電量從電網(wǎng)購入(如2:00—7:00、24:00)。1:00時(shí)數(shù)據(jù)中心所需電量全部從電網(wǎng)購入，這是因?yàn)樵摃r(shí)段冷負(fù)荷若全部由AC滿足，其所需熱量未達(dá)到內(nèi)燃機(jī)最小啟動(dòng)功率的產(chǎn)熱量。非低谷電價(jià)時(shí)期，系統(tǒng)優(yōu)先利用光伏出力，啟動(dòng)地源熱泵#2制冷(如10:00—15:00)。光伏出力不能滿足全部電負(fù)荷的情況下，內(nèi)燃機(jī)的最佳運(yùn)行狀態(tài)是其產(chǎn)生的余熱驅(qū)動(dòng)AC制冷滿足末端所有冷負(fù)荷，驅(qū)動(dòng)HX滿足所有熱需求，剩余熱量提供給ORC系統(tǒng)，并且此時(shí)的PV發(fā)電量、內(nèi)燃機(jī)發(fā)電量和ORC發(fā)電量剛好滿足末端電需求和地源熱泵用電(如17:00—21:00)。8:00時(shí)內(nèi)燃機(jī)在最大功率下工作，依然不能與ORC共同滿足電負(fù)荷，則不足電量從電網(wǎng)購入。16:00時(shí)由于光伏出力不能滿足全部電負(fù)荷，且內(nèi)燃機(jī)具有最小啟動(dòng)負(fù)荷率，此時(shí)內(nèi)燃機(jī)以最小工況運(yùn)行，熱量全部提供給吸收式制冷機(jī)組與換熱器，造成了一定的棄光量。

數(shù)據(jù)中心IES非供暖期典型日的優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。非供暖期光照時(shí)間長(zhǎng)，光伏出力充足，光伏系統(tǒng)承擔(dān)的電負(fù)荷占比明顯高于供暖期，這也導(dǎo)致在某些時(shí)刻內(nèi)燃機(jī)出力較少，產(chǎn)生的可利用余熱量下降。光伏發(fā)電高峰時(shí)段10:00—17:00內(nèi)，光伏出力能滿足數(shù)據(jù)中心末端及地源熱泵電需求，兩臺(tái)地源熱泵為IT機(jī)房及辦公區(qū)供冷。6:00—9:00和18:00—20:00時(shí)段內(nèi)，光伏出力不能滿足數(shù)據(jù)中心全部末端電需求及地源熱泵耗電，由燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)與電網(wǎng)共同滿足電需求。非供暖期各設(shè)備出力情況與供暖期類似，均受到電價(jià)與光伏出力的影響。

圖5 非供暖工況下各設(shè)備運(yùn)行出力狀態(tài)Fig.5 Hourly operation states of components in typical non-heating day

總體來看，通過MILP方法優(yōu)化的數(shù)據(jù)中心IES運(yùn)行方案實(shí)現(xiàn)了PV、電網(wǎng)和燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的協(xié)同供電，保證了數(shù)據(jù)中心的冷、熱、電平衡。

5 結(jié)論

針對(duì)數(shù)據(jù)中心的冷熱電需求，提出了集成光伏、內(nèi)燃機(jī)及有機(jī)朗肯循環(huán)的綜合能源系統(tǒng)(PV-ORC-IES)，建立了IES容量配置及運(yùn)行策略一體化優(yōu)化模型，分別對(duì)設(shè)備容量及各設(shè)備逐時(shí)出力進(jìn)行了優(yōu)化，可得如下結(jié)論。

(1)與傳統(tǒng)分供系統(tǒng)及光伏-天然氣互補(bǔ)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相比，集成有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)于數(shù)據(jù)中心的綜合能源系統(tǒng)，集成了熱-電轉(zhuǎn)化功能從而實(shí)現(xiàn)了IES靈活熱電比調(diào)節(jié)，在經(jīng)濟(jì)、減排、能耗三個(gè)方面的效益均有顯著提升。與傳統(tǒng)供能系統(tǒng)相比，PV-ORC-IES的費(fèi)用年值節(jié)約率達(dá)35.72%，二氧化碳減排率為55.11%，一次能源節(jié)約率為39.86%。

(2)所提出的IES能通過調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷率與分別提供給ORC系統(tǒng)、吸收式制冷機(jī)組和換熱器的余熱比值有效匹配系統(tǒng)末端冷熱電負(fù)荷，IES存在最佳運(yùn)行狀態(tài)，此狀態(tài)下內(nèi)燃機(jī)出力情況受數(shù)據(jù)中心末端冷、熱、電負(fù)荷影響。通過優(yōu)化方法，可獲得最佳的調(diào)度指令，增強(qiáng)IES運(yùn)行性能。