王江江，鄧洪達，劉藝，王永真

(1.華北電力大學動力工程系，保定 071003； 2.河北省低碳高效發(fā)電技術(shù)重點實驗室，保定 071003； 3.北京理工大學機械工程學院，北京 100081)

當前，以數(shù)字化為代表的科技革命和產(chǎn)業(yè)革命，正推動著人類生活及生產(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)模將不斷擴大，“算力”將不斷提高，相應(yīng)地，數(shù)據(jù)中心能耗及運行成本也隨之攀升。2018年，中國數(shù)據(jù)中心的用電量已達160×109kW·h，占全社會總用電量的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(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，也是支撐制造強國、網(wǎng)絡(luò)強國建設(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，將冷負荷轉(zhuǎn)換為電負荷，進而推升了電負荷增長；以市電為主的電力供應(yīng)方式嚴重依賴電網(wǎng)，經(jīng)濟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]。當前不少研究均證實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[4]對冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的能效、經(jīng)濟及環(huán)境特性進行了綜合分析，結(jié)果顯示數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定的負荷需求以及低電冷比使其與聯(lián)供系統(tǒng)匹配度更好，運行成本可降低54%。文獻[5]對燃料電池驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的經(jīng)濟性能進行了評估，結(jié)果顯示天然氣與市電價格1%的變化將分別帶來年度現(xiàn)金流50%和56%的變化，市電價格的提升將使其經(jīng)濟性能更好。

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)常與用戶動態(tài)負荷不匹配，造成系統(tǒng)設(shè)備利用率低、適應(yīng)性不強等問題。為了改善其特性，加之能源可持續(xù)發(fā)展目標的深化，太陽能、風能等可再生能源技術(shù)以及設(shè)置儲能等方式在數(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和隨機性，給冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的規(guī)劃與運行帶來了不穩(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)果顯示太陽能和風能發(fā)電相互協(xié)同可取得更高的經(jīng)濟效益和更好的穩(wěn)定性。為了降低數(shù)據(jù)中心對于傳統(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[11]通過集成余熱有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)來提升氫能驅(qū)動的冷電聯(lián)供系統(tǒng)，年度能源利用率達86.53%。

綜上，數(shù)據(jù)中心綜合能源在設(shè)計與運行階段，都取得了突破性的進展，但已有研究成果大多是將兩個階段分開進行，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。另外，傳統(tǒng)的IES優(yōu)化設(shè)計方法通常將各設(shè)備的運行出力按照某種特定的運行規(guī)則進行分配，在這種優(yōu)化模式下，IES并未實現(xiàn)最優(yōu)的規(guī)劃?；谝陨蠁栴}，現(xiàn)首先提出一種集成有機朗肯循環(huán)的IES，實現(xiàn)IES熱電比靈活調(diào)控，從而匹配數(shù)據(jù)中心的動態(tài)負荷；另外構(gòu)建一種將系統(tǒng)容量配置與運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)劃理論進行求解，實現(xiàn)IES的最優(yōu)設(shè)計。

1 數(shù)據(jù)中心IES方案

1.1 數(shù)據(jù)中心負荷

(1)

(2)

(3)

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

(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負載率。

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

(9)

式(9)中：Qc,IT和Qc,of分別為機房和辦公區(qū)冷負荷，機房冷負荷采用負載系數(shù)LF進行估算，即

(10)

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

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

針對數(shù)據(jù)中心IT機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)和燃氣內(nèi)燃機(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[吸收式制冷機組(absorption chiller，AC)、有機朗肯循環(huán)機組(organic Rankine cycle，ORC)、換熱器(heat exchanger，HC)等]回收利用內(nèi)燃機余熱，并通過ORC和地源熱泵(ground source heat pump，GSHP)來調(diào)控系統(tǒng)熱電比，以滿足用戶端的動態(tài)變化。針對數(shù)據(jù)中心供暖期和非供暖期的需求，采用兩臺GSHP配置的方式，非供暖期，兩臺GSHP為數(shù)據(jù)中心供冷，而在供暖期，GSHP#2與吸收式制冷機組為IT機房供冷，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

內(nèi)燃機的天然氣耗量及發(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)燃機輸出的電功率，kW；Fge為燃氣內(nèi)燃機的天然氣消耗率，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?shù)丨h(huán)境溫度和太陽輻射強度有關(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為太陽輻射強度，kW/m2；Gstc為標準測試條件下的太陽輻射強度，取值1 kW/m2；α為溫度系數(shù)，%/℃；TPV,stc為標準試驗條件下的光伏板溫度，25 ℃；TPV,p為實際溫度下的光伏板溫度，計算公式[3]為

TPV,p=

(15)

式(15)中：Ta,p為環(huán)境溫度，℃；TPV,soc為標準工況(45～48 ℃)下光伏板表面溫度；ηe,PV為在標準試驗條件下光伏效率；τ為太陽能的透光率；β為光伏的太陽能吸收率；τβ的默認值為0.9，標準操作條件為：標準光強度(Gsoc)0.8 kW/m2，標準環(huán)境溫度(Ta,soc)20 ℃。

1.2.3 吸收式制冷機組和地源熱泵

內(nèi)燃機煙氣與缸套水一并通入煙氣熱水型溴化鋰吸收式冷水機組制冷，另外配置了兩臺地源熱泵機組利用電力制冷，共同滿足IT機房全年冷負荷及辦公區(qū)的冬季熱負荷?；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組和熱泵的輸入能量，kW；Qac和Qgshp分別為吸收式制冷機組和熱泵的能量輸出，kW；COPac和COPgshp分別為吸收式制冷機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 有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)

ORC系統(tǒng)主要由膨脹機、蒸發(fā)器、冷凝器和工質(zhì)泵4個部件組成，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)電機效率，%。

1.2.5 燃氣鍋爐和換熱器

燃氣鍋爐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為燃氣鍋爐的天然氣消耗量，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

針對數(shù)據(jù)中心IES的設(shè)計與運行，提出一種容量配置與運行策略的集成優(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估等4個階段。該模型將多維數(shù)、多時段及多約束的非連續(xù)優(yōu)化問題，通過模型變換，實現(xiàn)了該優(yōu)化問題的求解。另外，設(shè)備容量與其逐時運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，實現(xiàn)了兩者一體化的求解。

圖2 IES容量配置與運行策略集成優(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、ORC以及電網(wǎng)補充，各自的容量配置以及逐時出力狀態(tài)關(guān)系到系統(tǒng)中的能流平衡以及經(jīng)濟成本，例如光伏容量的提升必然會降低IES運行成本，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現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計；另外在系統(tǒng)運行中，由于數(shù)據(jù)中心末端冷熱電負荷的逐時變化以及光伏的波動，各設(shè)備的出力需要進行優(yōu)化調(diào)度，以實現(xiàn)運行性能的提升?；诖耍槍ES各設(shè)備容量以及逐時出力進行優(yōu)化，則針對圖1所示的IES，其優(yōu)化變量(X)可表示為

(21)

式(21)中：符號的上標t代表t時刻，以1 h為時間尺度；E和Q分別為各設(shè)備的逐時電量和熱量；N為各設(shè)備的容量；Sge為內(nèi)燃機的運行狀態(tài)(當內(nèi)燃機工作時，Sge=1；當內(nèi)燃機停機時，Sge=0)。內(nèi)燃機運行狀態(tài)的優(yōu)化主要是限制其低負荷運行，以免由于效率的下降而導致污染物的增加。

2.2 優(yōu)化目標

通常IES成本包括設(shè)備投資成本、設(shè)備維護成本，包括購電及燃氣的運行成本；另外考慮到雙碳戰(zhàn)略目標，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費用年值；Ccap、Com、Cgas、Cgrid、Ctax和Cpe分別為年投資成本、設(shè)備運維成本、燃氣成本、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個設(shè)備的裝機容量，kW；Cm為第m個設(shè)備的單位投資費用，元/kW；l為系統(tǒng)中的設(shè)備個數(shù)；i為折現(xiàn)率，i=0.06；n為壽命周期，年。設(shè)備運維成本按照設(shè)備投資成本進行折算，公式為

(24)

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

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)燃機和鍋爐年消耗天然氣量，m3；cgas為天然氣單價，元/m3；cgrid為實時電價，元/kWh；Egrid為電網(wǎng)年購電量，kW；ctax為碳稅價格；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運行中各設(shè)備的逐時出力不得大于設(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)

對于燃氣內(nèi)燃機而言，若運行在低負荷，其發(fā)電效率將降低，也會帶來污染物排放的增高，因此這里為了限制其運行在低負荷，設(shè)置其逐時出力約束為

βNgeSge≤Ege≤NgeSge

(36)

式(36)中：β為內(nèi)燃機運行最小負荷率，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)燃機運行狀態(tài)布爾變量，以及式(36)中運行狀態(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)引入一個無窮大變量M，將內(nèi)燃機出力約束轉(zhuǎn)換為如下線性數(shù)學表達式，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其進行求解。

3 性能評價指標

為了比較IES相對于傳統(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)作為能源評價指標，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，燃氣鍋爐供熱來滿足數(shù)據(jù)中心冷熱的負荷。為了便于計算，將內(nèi)燃機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)化為標準煤，計算公式為

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準煤的系數(shù)。根據(jù)《綜合能耗計算通則》(GB/T 2589—2020)，標準煤的熱值為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準煤的系數(shù)為1.214 kg標準煤/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，電力折算為0.335 kg標準煤/(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，計算公式為

CDE=λgas(Vge+Vb)+λgridEgrid

(41)

為了體現(xiàn)IES相對于參考系統(tǒng)的經(jīng)濟收益，使用年值節(jié)約率來評價系統(tǒng)經(jīng)濟性能，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)機房和辦公區(qū)域。其中機房含3 100個機架，共56 000個處理器，單臺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)驗系數(shù)見表1。該數(shù)據(jù)中心IT機房內(nèi)各設(shè)備規(guī)格參數(shù)見表2。其中處理器實時利用率與實時網(wǎng)絡(luò)流量負荷均用正態(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?shù)丨h(huán)境參數(shù)及太陽輻射強度，以及數(shù)據(jù)中心本體的設(shè)備能耗及圍護結(jié)構(gòu)，可模擬求得數(shù)據(jù)中心逐時負荷曲線，如圖3所示。可以看出，數(shù)據(jù)中心全年存在冷負荷需求，熱負荷需求僅發(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)中心全年逐時負荷Fig.3 Hourly loads of data center

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

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

4.2 設(shè)備容量優(yōu)化結(jié)果

為了比較所提出IES系統(tǒng)的有效性，對以下3種系統(tǒng)進行優(yōu)化對比。

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。對比發(fā)現(xiàn)：由于集成了ORC在內(nèi)，PV-ORC-IES中內(nèi)燃機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)的全年電負荷來自電網(wǎng)，冷負荷來自地源熱泵，熱負荷來自鍋爐。對PV-ORC-IES全年冷熱電負荷供給來源如表5所示。內(nèi)燃機發(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)中心全年有冷負荷需求，吸收式制冷機組全年制冷量占數(shù)據(jù)中心冷負荷的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)冷負荷能通過吸收式制冷機組利用內(nèi)燃機余熱滿足。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53.58%，一次能源節(jié)約率為37.67%。從經(jīng)濟性上來看，由于SP系統(tǒng)的電需求主要由電網(wǎng)滿足，未涉及設(shè)備投資費用，因此PV-IES的投資費用和運維費用遠大于SP系統(tǒng)。PV-IES主要由內(nèi)燃機消耗天然氣產(chǎn)電，購天然氣的費用遠大于SP系統(tǒng)，購電費用小于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?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)性能對比Table 6 Performance comparisons of different systems

提出的PV-ORC-IES在經(jīng)濟、環(huán)境和能源三個方面均優(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投資費用與運維費用略大，但是購電費用、購天然氣費用、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IES的對比可以明顯看出，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)進行合理的配置和運行可以明顯降低系統(tǒng)年值費用、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。同時，通過PV-IES和PV-ORC-IES的性能比較，可以看出有機朗肯循環(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)運行出力分析

通過優(yōu)化各個設(shè)備的逐時出力，達到運行成本最低的目的。選擇供暖期和非供暖期典型日下對IES的優(yōu)化運行狀態(tài)進行分析。

圖4為IES供暖期典型日的各機組運行狀態(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、光伏發(fā)電情況密切相關(guān)。1:00—7:00以及24:00為低谷電價時段，該時段內(nèi)電量來源以電網(wǎng)購電為主，內(nèi)燃機發(fā)電為輔；9:00—18:00時段內(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，通過內(nèi)燃機、ORC發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)共同滿足電負荷。某些時刻IES發(fā)電量高于末端電負荷，主要因為地源熱泵在制冷或制熱的過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。吸收式制冷機組通過將內(nèi)燃機余熱轉(zhuǎn)換為冷量滿足大部分數(shù)據(jù)中心冷負荷；在內(nèi)燃機不出力時段(10:00—15:00)，由地源熱泵#2滿足冷負荷，其中13:00時地源熱泵#2達到其額定功率，此時，輔助鍋爐工作為吸收式制冷機組提供熱量補充制冷。數(shù)據(jù)中心辦公區(qū)熱負荷優(yōu)先由換熱器利用內(nèi)燃機余熱滿足，當內(nèi)燃機余熱不足時地源熱泵#1開始制熱。

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

綜合圖4(a)和圖4(b)可得：低谷電價時期，系統(tǒng)的最佳運行狀態(tài)為內(nèi)燃機根據(jù)吸收式制冷機組滿足冷負荷與換熱器滿足熱負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時數(shù)據(jù)中心所需電量全部從電網(wǎng)購入，這是因為該時段冷負荷若全部由AC滿足，其所需熱量未達到內(nèi)燃機最小啟動功率的產(chǎn)熱量。非低谷電價時期，系統(tǒng)優(yōu)先利用光伏出力，啟動地源熱泵#2制冷(如10:00—15:00)。光伏出力不能滿足全部電負荷的情況下，內(nèi)燃機的最佳運行狀態(tài)是其產(chǎn)生的余熱驅(qū)動AC制冷滿足末端所有冷負荷，驅(qū)動HX滿足所有熱需求，剩余熱量提供給ORC系統(tǒng)，并且此時的PV發(fā)電量、內(nèi)燃機發(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時內(nèi)燃機在最大功率下工作，依然不能與ORC共同滿足電負荷，則不足電量從電網(wǎng)購入。16:00時由于光伏出力不能滿足全部電負荷，且內(nèi)燃機具有最小啟動負荷率，此時內(nèi)燃機以最小工況運行，熱量全部提供給吸收式制冷機組與換熱器，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)化運行結(jié)果如圖5所示。非供暖期光照時間長，光伏出力充足，光伏系統(tǒng)承擔的電負荷占比明顯高于供暖期，這也導致在某些時刻內(nèi)燃機出力較少，產(chǎn)生的可利用余熱量下降。光伏發(fā)電高峰時段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，兩臺地源熱泵為IT機房及辦公區(qū)供冷。6:00—9:00和18:00—20:00時段內(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，由燃氣內(nèi)燃機與電網(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，均受到電價與光伏出力的影響。

圖5 非供暖工況下各設(shè)備運行出力狀態(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運行方案實現(xiàn)了PV、電網(wǎng)和燃氣內(nèi)燃機的協(xié)同供電，保證了數(shù)據(jù)中心的冷、熱、電平衡。

5 結(jié)論

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

(1)與傳統(tǒng)分供系統(tǒng)及光伏-天然氣互補冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相比，集成有機朗肯循環(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)化功能從而實現(xiàn)了IES靈活熱電比調(diào)節(jié)，在經(jīng)濟、減排、能耗三個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的費用年值節(jié)約率達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)燃機負荷率與分別提供給ORC系統(tǒng)、吸收式制冷機組和換熱器的余熱比值有效匹配系統(tǒng)末端冷熱電負荷，IES存在最佳運行狀態(tài)，此狀態(tài)下內(nèi)燃機出力情況受數(shù)據(jù)中心末端冷、熱、電負荷影響。通過優(yōu)化方法，可獲得最佳的調(diào)度指令，增強IES運行性能。