1、投稿网址:www stae com cn2023 年 第23 卷 第5 期2023，23(5):01968-10科学技术与工程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-05-09;修订日期:2022-11-19基金项目:国家自然科学基金重大项目(52090064);国家自然科学基金面上项目(51876064)第一作者:王江江(1979)，男，汉族，河北石家庄人，博士，教授。研究方向:多能互补分布式供能系统与可再生能源利用。E-mail:wangjjncepu edu cn。引用格式:王江江，邓洪达，刘
2、艺，等 数据中心综合能源系统配置与运行的集成优化 J 科学技术与工程，2023，23(5):1968-1977Wang Jiangjiang，Deng Hongda，Liu Yi，et al Integrated optimization of configurations and operations of integrated energy system for datacenterJ Science Technology and Engineering，2023，23(5):1968-1977能源与动力工程数据中心综合能源系统配置与运行的集成优化王江江1，2，邓洪达1，2，刘艺1，2，王
3、永真3(1 华北电力大学动力工程系，保定 071003;2 河北省低碳高效发电技术重点实验室，保定 071003;3 北京理工大学机械工程学院，北京 100081)摘要采用清洁高效、环保节能的综合能源系统替代传统供能系统，是实现数据中心绿色可持续发展的有效措施。综合能源系统的设计与运行优化通常被分割成两个阶段进行考虑，而并未实现系统的最优规划。基于数据中心全年能耗特点，设计了一种以天然气、太阳能及地热能为能源，集成有机朗肯循环发电系统、吸收式制冷机组、换热器等余热利用设备的综合能源系统。以投资成本、运行成本、碳税成本及太阳能丢弃惩罚成本等在内的综合成本为优化目标，建立了综合能源系统混合整数线性
4、规划模型，对各设备容量以及调度策略进行了集成优化。以某小型数据中心为例进行了案例研究，结果显示:与传统供能方式相比，所构建的综合能源系统费用年值节约率为 35.72%，二氧化碳减排率为 55.11%，一次能源节约率为 39.86%。关键词数据中心;综合能源系统;系统配置;运行策略;优化中图法分类号TK01+9;文献标志码AIntegrated Optimization of Configurations and Operations ofIntegrated Energy System for Data CenterWANG Jiang-jiang1，2，DENG Hong-da1，2，LIU
5、 Yi1，2，WANG Yong-zhen3(1 Hebei Key Laboratory of Low Carbon and High Efficiency Power Generation Technology，North China Electric Power University，Baoding 071003，China;2 Hebei Key Laboratory of Low Carbon and High Efficiency Power Generation Technology，North China Electric Power University，Baoding 07
6、1003，China;3 School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China)Abstract Adopting the energy-efficient，clean and environmental friendly integrated energy system(IES)in data center to replaceconventional separate production system is one of effective alternatives to
7、 realize the green and sustainable development of data centerThe system configurations and operations of IES were respectively optimized in the traditional methods Based on the annual energy con-sumption characteristics of the data center，a comprehensive energy system was designed，which uses natural
8、 gas，solar energy and geo-thermal energy as energy sources and integrates organic ankine cycle power generation system，absorption refrigeration unit，heat ex-changer and other waste heat utilization equipment Taking investment cost，operation cost，carbon tax cost and solar energy discardingpenalty cos
9、t as optimization objectives，a mixed integer linear programming model for integrated energy system was established，and thecapacity of each equipment and scheduling strategy were integrated and optimized A case study in small-scale data center was conduc-ted，and the results demonstrate that the optim
10、ized IES achieves the annual total cost saving rate of 35.72%，carbon dioxide emissionreduction rate of 55.11%，and primary energy saving rate of 39.86%Keywords data center;integrated energy system(IES);system configuration;operation strategy;optimization当前，以数字化为代表的科技革命和产业革命，正推动着人类生活及生产方式的根本性变革。作为数字基础
11、设施的重要载体，数据中心规模将不断扩大，“算力”将不断提高，相应地，数据中心能耗及运行成本也随之攀升。2018 年，中国数据中心的用电量已达 160 109kWh，占全社会总用电量的2.4%1。按照现有速度发展，数据中心的能耗占全球能耗的比例，将从 2015 年的 0.9%上升到 2025年的 4.5%，再到 2030 年的 8%。数据中心的巨大能耗也带来了严峻的碳排放问题，据估算，2035 年投稿网址:www stae com cn中国数据中心的碳排放总量将达(2.3 3.1)亿 t，占中国碳排放量的 2%4%。因此，加快绿色数据中心建设，积极推广应用安全可控的节能新技术和新能源，把绿色发展
12、理念贯穿于数据中心建设各环节，既是保障资源环境可持续的需要，也是支撑制造强国、网络强国建设的关键2。传统的数据中心多采用市电供电，通过大型集中式空调制冷，将冷负荷转换为电负荷，进而推升了电负荷增长;以市电为主的电力供应方式严重依赖电网，经济性差且二氧化碳排放量大。若以天然气、太阳能等分布式能源替代部分电网的支撑，形成综合能源系统(integrated energy system，IES)，在一定程度上将提升数据中心供能系统的环境效益。以天然气冷热电联供系为代表的分布式能源，因其能量梯级利用的特性，具备高效、清洁、可靠性高等特性，可有效降低数据中心一次能源的消耗3。当前不少研究均证实了利用分布式
13、能源系统为数据中心供能的可行性与可靠性。文献 4 对冷热电联供系统在数据中心应用的能效、经济及环境特性进行了综合分析，结果显示数据中心稳定的负荷需求以及低电冷比使其与联供系统匹配度更好，运行成本可降低 54%。文献 5对燃料电池驱动的冷热电联供系统在数据中心的经济性能进行了评估，结果显示天然气与市电价格 1%的变化将分别带来年度现金流 50%和 56%的变化，市电价格的提升将使其经济性能更好。但是由于冷热电联供系统自身热电比受限的属性，经常与用户动态负荷不匹配，造成系统设备利用率低、适应性不强等问题。为了改善其特性，加之能源可持续发展目标的深化，太阳能、风能等可再生能源技术以及设置储能等方式在
14、数据中心的应用也逐渐增多。但由于可再生能源的波动和随机性，给冷热电联供系统的规划与运行带来了不稳定的要素6，因此大多的研究更倾向于采用互补的方式为数据中心供电，提高可再生能源利用率，降低化石燃料的使用量。Sheme 等7 论证了在北纬60数据中心使用可再生能源供电的可能性，结果显示太阳能和风能发电相互协同可取得更高的经济效益和更好的稳定性。为了降低数据中心对于传统化石能源的依赖，目前大多数研究都考虑使用风能和太阳能为数据中心供能，只有少数研究考虑了其他资源，如固体废料8。另外，有研究还探讨了通过系统内部中低品位热力循环的耦合来实现冷热电联供系统热电比的改善与系统优化。典型的耦合方式有地源热泵9
15、、有机朗肯循环发电系统10-11、电转气技术(power to gas，P2G)12 等。文献 11 通过集成余热有机朗肯循环发电系统来提升氢能驱动的冷电联供系统，年度能源利用率达 86.53%。除了数据中心 IES 的优化设计外，IES 的运行与调度策略也是关键所在13。Song 等14 比较了数据中心以电定热和以热定电两种不同运行策略，结果表明以电定热模式更适宜于数据中心，其运行成本、二氧化碳排放和一次能源消耗分别降低了46.5%、37.4%和 18.5%。Norani 等15 基于能量分析、分析和经济分析，比较了两种不同运行场景下的系统的性能，最终得出了系统的最优设计方案。Keskin
16、等16 将数据中心与区域供冷、供热相结合，为数据中心和区域能源网络运营商提供更大灵活性的同时，降低了运营的整体能源成本，同时全年可节约 40.3%的电力成本。综上，数据中心综合能源在设计与运行阶段，都取得了突破性的进展，但已有研究成果大多是将两个阶段分开进行，并未将优化的调度策略集成于系统的优化设计。另外，传统的 IES 优化设计方法通常将各设备的运行出力按照某种特定的运行规则进行分配，在这种优化模式下，IES 并未实现最优的规划。基于以上问题，现首先提出一种集成有机朗肯循环的 IES，实现 IES 热电比灵活调控，从而匹配数据中心的动态负荷;另外构建一种将系统容量配置与运行策略一并集成的优化模型，并采用混合整数线性规划理论进行求解，实现IES 的最优设计。1数据中心 IES 方案1.1数据中心负荷数据中心通常包括 IT 机房和办公区两部分，IT机房的主要耗能单元以服务器、网络设备和配电设备为主，则数据中心在 t 时刻的电负荷 EtDC可表示为EtDC=EtIT+Etof(1)EtIT=Etser+Etnet+Etdis(2)式中:EIT为 IT 机房电负荷;Eof为办公区电负荷;Es
