一种用于回收液冷数据中心余热的热泵储电系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于回收液冷数据中心余热的热泵储电系统，包括热泵储能回路、热机发电回路、循环水回路和冷却回路。采用谷段电价或可再生能源电驱动热泵储能回路，将数据中心通过换热器传递的低品位余热(约45℃)提升至较高温度(如90℃)，并通过换热器将较高温热能存储于高温储罐中；在峰段电价时，热机发电回路将高温储罐中已存储的高温热能通过热机循环驱动发电机发电，并供给数据中心制冷机组。利用本发明专利技术，可同时回收余热和储电，提高液冷数据中心余热回收效率，降低数据中心耗能，同时降低数据中心运营成本，尤其是散热成本，具有很高的经济效益。具有很高的经济效益。具有很高的经济效益。

【技术实现步骤摘要】
一种用于回收液冷数据中心余热的热泵储电系统


[0001]本专利技术属于能量储存
，尤其是涉及一种用于回收液冷数据中心余热的热泵储电系统。

技术介绍

[0002]随着电子技术的不断发展，高性能高密度的计算需求加速增长，电子设备的散热功率和散热密度日益提高，数据中心能耗问题日益凸显。传统的风冷技术已经不足以为功率密度不断增长的高性能机柜提供足够的冷量。相比于传统空气冷却性能更加优越，可降低数据中心能耗，减少支出成本，降低噪音标准。
[0003]典型数据中心的散热量一般可达几兆瓦至三十兆瓦左右，充分利用该部分余热可显著提升数据中心能量利用率。然而，数据中心余热品位低，风冷冷却数据中心余热仅约30℃(载体为空气)、液冷约40
‑
50℃(载体为水)，回收难度大。
[0004]现有已公开的技术方案中，利用数据中心余热是与热网相结合的，如公开号为CN205299850U的中国专利公开了的一种数据中心余热回收的供能系统，利用热回收设备为数据中心制冷降温的同时为数据中心周边建筑用户提供生活热水、供暖用热等。公开号为CN109579107A的中国专利技术专利公开了的一种用于数据中心的余热供热系统，其对上述公开号为CN205299850U的中国专利进行了改善，利用两个热泵提高热网供水的温度及对外供热能力。然而，数据中心余热与热网相耦合，仅适合于具有集中供热条件、位于城市内或附近的数据中心。对于位于偏远郊区、山区的数据中心，由于并无热网，已公开的技术方案无合适应用场景，无法有效工作。
[0005]事实上，数据中心的高负荷运行期间约在早上八点到晚上十点，其他时间为低负荷运行期间，与峰谷分时电价时间周期基本相符。峰谷分时电价一般差别较大，最大接近三倍。由于数据中心正是在电价最高的时候用电需求大，而电价低的时候用电需求小，造成数据中心运行成本高。为提升运行经济效益，将谷段时期电力储存用于峰段时期使用是具有潜力的方向。常见大规模储能技术主要包括电化学电池储电、压缩空气储电和液化空气储电等。然而，以上这些储能方式在数据中心应用场景下，面临一些实际条件约束使得其应用存在一定限制。电池储电效率较高，但储电成本较高，一般较适合小规模储电，对于大型数据中心用电规模下的储电成本过高；压缩空气储电和液化空气储电技术主要是针对大型百兆瓦的量级储电，与现有数据中心功率不相匹配，同时实际运行效率相对较低。除传统电网供电之外，利用可再生能源电力作为数据中心用电也值得重视。然而，可再生能源电波动较大，同样需求大规模储电技术以保证电力稳定供应与经济性。
[0006]合理利用数据中心余热，降低数据中心运行能耗和成本是数据中心节能的关键。然而，数据中心余热常见应用场景主要为生活供热，而数据中心大多建设在离市区人口密集区较远的地方，余热消纳应用场景不多，建设长途运输管道等设备又将加大投资成本，这也是现阶段制约数据中心普及余热回收利用技术的重要原因。因此可以看出，数据中心有大量余热，同时具有大规模储电需求，但目前仍未有适合数据中心应用场景的、可同时回收
余热和储电的技术方案。

技术实现思路

[0007]针对目前数据中心所面临的余热无法有效回收、同时亟需大规模储电技术，而现有技术无法同时满足两方面需求的问题，本专利技术提供了一种用于回收液冷数据中心余热的热泵储电系统，可回收数据中心余热并用于储电过程。
[0008]一种用于回收液冷数据中心余热的热泵储电系统，包括循环水回路、热泵储能回路、热机发电回路和冷却回路，各回路均是内有工作介质流动的循环回路；
[0009]在谷段电价时期，数据中心的余热通过循环水回路把低品位热能输送至热泵储能回路，制备高温热能，并将高温热能存储于高温储罐中；在峰段电价时期，热机发电回路将高温储罐中已存储的高温热能通过热机发电回路驱动热机循环发电，并将产生的电能供给数据中心的水冷冷水机组；释能过程中的余热通过冷却回路排散至环境中；
[0010]所述循环水回路包括热泵蒸发换热器、热泵冷却装置和数据中心的水冷冷水机组，通过管路依次连接形成闭合回路；
[0011]所述热泵储能回路包括热泵蒸发换热器、压缩机、热泵冷凝换热器和膨胀阀，通过管路依次连接形成闭合回路；
[0012]所述热机发电回路基于有机朗肯循环，包括热机换热器、透平机、热机冷凝器和工质泵，通过管路依次连接形成闭合回路；透平机带动发电机输出的电能供给水冷冷水机组；
[0013]所述冷却回路包括热机冷凝器和冷却装置，通过管路依次连接形成闭合回路。
[0014]本专利技术中，在谷段电价时期，也可以用可再生能源电驱动循环水回路和热泵储能回路。
[0015]进一步地，在谷段电价时期，所述的循环水回路中液态工质循环流动，液态工质经过数据中心的水冷冷水机组时被加热，经过热泵蒸发换热器时被冷却，借助热泵冷却装置将从热泵储能回路中流出的工质中的热量排散到环境中，达到水冷冷水机组所需温度时回到水冷冷水机组。
[0016]进一步地，在谷段电价时期，所述的热泵储能回路中，通过循环水回路输送至热泵蒸发换热器的热能与热泵蒸发换热器内部工质进行热交换；同时，热泵蒸发换热器内部的工质吸热汽化被吸入压缩机，压缩机将这种低压工质气体压缩成高温、高压气体送入热泵冷凝换热器；高温储罐内部的水也通过热泵冷凝换热器与热泵冷凝换热器内工质进行热交换，并储存在高温储罐中；所述热泵冷凝换热器内工质被冷却成液体，该液体经膨胀阀节流降温后再次流入热泵蒸发换热器，如此反复循环工作，使得数据中心输送至热泵储能回路的热能被不断换热送到高温储罐中。
[0017]进一步地，在峰段电价时期，所述热机发电回路中，从高温储罐输送至热机换热器的热能与热机换热器内部工质进行热交换；同时，热机换热器内部工质在热机换热器中吸收热量，生成具一定压力和温度的工质蒸气；工质蒸气进入透平机械膨胀做功，从而带动发电机发电；从透平机排出的工质蒸气在热机冷凝器中向冷却回路内冷却水放热，凝结成液态；最后借助工质泵重新回到热机换热器，如此不断循环。
[0018]进一步地，在峰段电价时期，所述冷却回路中的液态工质循环流动，液态工质经过热机冷凝器时被加热，经过冷却装置时被冷却，将热机发电回路中流体工质冷凝过程释放
的热能排散到环境中。
[0019]进一步地，在谷段电价时期，高温储罐内的液态水在回路中循环流动，液态水经过热泵储能回路中热泵冷凝换热器时被加热，热泵产出的高温热能被存储至高温储罐中；
[0020]在峰段电价时期，开始释放储存在高温储罐内高温液态水，经过热机换热器时被冷却，存储在高温储罐中的高温热能被交换至热机发电回路中。
[0021]优选地，所述热机发电回路和热泵储能回路采用R245fa工质。R245fa具有稳定性强、蒸发压力低、不可燃、蒸发潜热和比热大等优点，广泛应用于有机朗肯循环和制冷循环中。热机发电回路和热泵储能回路还可以采用R134a工质或者R600工质。
[0022]本专利技术还提供了另一种用于回收液冷数据中心余热的热泵储电系统，与上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于回收液冷数据中心余热的热泵储电系统，其特征在于，包括循环水回路、热泵储能回路、热机发电回路和冷却回路，各回路均是内有工作介质流动的循环回路；在谷段电价时期，数据中心的余热通过循环水回路把低品位热能输送至热泵储能回路，制备高温热能，并将高温热能存储于高温储罐(109)中；在峰段电价时期，热机发电回路将高温储罐(109)中已存储的高温热能通过热机发电回路驱动热机循环发电，并将产生的电能供给数据中心的水冷冷水机组(102)，释能过程中的余热通过冷却回路排散至环境中；所述循环水回路包括热泵蒸发换热器(105)、热泵冷却装置(103)和数据中心的水冷冷水机组(102)，通过管路依次连接形成闭合回路；所述热泵储能回路包括热泵蒸发换热器(105)、压缩机(106)、热泵冷凝换热器(107)和膨胀阀(108)，通过管路依次连接形成闭合回路；所述热机发电回路基于有机朗肯循环，包括热机换热器(110)、透平机(113)、热机冷凝器(112)和工质泵(111)，通过管路依次连接形成闭合回路；透平机(113)带动发电机输出的电能供给水冷冷水机组(102)；所述冷却回路包括热机冷凝器(112)和冷却装置(114)，通过管路依次连接形成闭合回路。2.根据权利要求1所述的用于回收液冷数据中心余热的热泵储电系统，其特征在于，在谷段电价时期，所述的循环水回路中液态工质循环流动，液态工质经过数据中心的水冷冷水机组(102)时被加热，经过热泵蒸发换热器(105)时被冷却，借助热泵冷却装置(103)将从热泵储能回路中流出的工质中的热量排散到环境中，达到水冷冷水机组(102)所需温度时回到水冷冷水机组(102)。3.根据权利要求1所述的用于回收液冷数据中心余热的热泵储电系统，其特征在于，在谷段电价时期，所述的热泵储能回路中，通过循环水回路输送至热泵蒸发换热器(105)的热能与热泵蒸发换热器(105)内部工质进行热交换；同时，热泵蒸发换热器(105)内部的工质吸热汽化被吸入压缩机(106)，压缩机(106)将这种低压工质气体压缩成高温、高压气体送入热泵冷凝换热器(107)；高温储罐内部的水也通过热泵冷凝换热器(107)与热泵冷凝换热器(107)内工质进行热交换，并储存在高温储罐(109)中；所述热泵冷凝换热器(107)内工质被冷却成液体，该液体经膨胀阀(108)节流降温后再次流入热泵蒸发换热器(105)，如此反复循环工作，使得数据中心输送至热泵储能回路的热能被不断换热送到高温储罐(109)中。4.根据权利要求1所述的用于回收液冷数据中心余热的热泵储电系统，其特征在于，在峰段电价时期，所述热机发电回路中，从高温储罐(109)输送至热机换热器(110)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王凯，魏欣宇，植晓琴，邱利民，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：