По мере развития инфраструктуры цифровой экономики, масштабы развития центров обработки данных становятся беспрецедентными, а соответствующее потребление электроэнергии и эксплуатационные расходы также растут из года в год. По прогнозам профильных специалистов, ожидается, что в 2030 году энергопотребление центров обработки данных будет составлять 10% от потребления электроэнергии всем социумом.
В целом, потребляемая электроэнергия, в основном объёме, используется для питания серверов, кондиционирования воздуха, внутреннего освещения и зарядки источников бесперебойного питания (ИБП). В настоящее время, чтобы своевременно охлаждать операционные залы с серверными стойками, а также отводить вырабатываемое тепло в окружающую среду, потребление электроэнергии системами кондиционирования составляет до 40% от всего объёма ЦОД.
Стремясь к снижению затрат, повышению эффективности и развитию экологически чистых технологий в центрах обработки данных, была создана новая комбинированная система охлаждения и электроснабжения, работающая на солнечной энергии, путём объединения сверхкритического энергетического цикла с транскритическим холодильным циклом. Результаты показывают, что: в расчётных условиях энергетический и эксергетический КПД системы составляют 29,47% и 16,21% соответственно. Индекс комплексной оценки эффективности может достигать 47,63%. Он увеличивается при повышении входного давления компрессора высокого давления и температуры испарения. Характеристики системы в периоды осеннего и весеннего равноденствия более схожи, тогда как характеристики системы в периоды летнего и зимнего солнцестояния сильно отличаются от показателей весеннего равноденствия.
С целью косвенного сокращения выбросов углекислого газа важно использовать для электроснабжения дата-центров возобновляемые источники энергии (энергия ветра и солнца, геотермальная энергия и т. д.) Что касается повышения энергоэффективности, необходимо разработать комбинированную систему охлаждения и электроснабжения на солнечной энергии. Однако, в этом вопросе существуют большие проблемы из-за прерывистой характеристики интенсивности солнечного освещения в разные времена года.
Чтобы гарантировать максимальную производительность сервера, в центре обработки данных требуется постоянная температура и влажность. В связи с тем, что сервер при работе может выделять большое количество тепла, то необходима эффективная система охлаждения. Для системы кондиционирования воздуха в компьютерном зале типичной технологией является парокомпрессионное охлаждение. Под действием компрессора рабочая жидкость передаёт тепло эффектом конвекции из помещения на улицу. Когда температура окружающей среды достаточно низкая, система кондиционирования может использовать естественное охлаждение притоком морозного воздуха извне, чтобы снизить потребление электроэнергии и эксплуатационные расходы. Но естественное охлаждение можно использовать только в холодное время года и в районах с низкой температурой окружающего воздуха. В географических районах с высокой среднегодовой температурой окружающей среды, компрессионную холодильную систему все равно необходимо эксплуатировать постоянно.
Технология охлаждения тепловыми трубами позволяет реализовать охлаждение на уровне стойки, которое в основном включает в себя раздельную систему холодного и горячего коридора. Благодаря высокой эффективности теплопередачи эта технология позволяет эффективно использовать природный источник холода и осуществлять передачу тепла на большие расстояния. В системе разделённых тепловых потоков, испаряющий конец тепловой трубы отделен от конденсирующего. Испарительная труба размещается в корпусе стойки для поглощения отходящего тепла, а конденсационная выводится во внешнюю среду, для рассеивания тепла. В интегрированной системе тепловая труба соединена с испарителем холодильного цикла, для передачи тепла во внешнюю среду.
Без теплового насоса тепло используется неэффективно. Но если достаточно быстро доставлять его до офисных или бытовых помещений, то можно частично удовлетворить потребности в тепловой энергии окружающих пользователей. В качестве хладагента в тепловом насосе в основном используются органические рабочие жидкости, такие как R134a, R410a и R600a. Однако эти рабочие жидкости имеют высокую степень воздействия на образование парниковых газов, что приводит к глобальному потеплению из-за парникового эффекта. Но в последнее время принято использовать тепловые насосы, работающие на углекислом газе (CO2), так как его характеристики обеспечивают хорошую способность теплопередачи, отсутствие загрязнения и низкий потенциал парникового эффекта. Благодаря превосходным свойствам, углекислота широко используется в холодильном цикле. Поскольку критическая температура двуокиси углерода близка к температуре окружающей среды, то для таких систем охлаждения обычно используется транскритический цикл.
Сверхкритический или транскритический цикл – это такой процесс трансформации состояния, в котором максимальное давление выше критического. Рабочее тело нагревается от подогретой жидкости до перегретого пара, с плавным переходом выше критической точки. Фазовый переход происходит постепенно, и все физические и термодинамические свойства изменяются без скачков в процессе подвода тепла. Сверхкритические циклы интересны тем, что они могут обеспечить более высокую эффективность по сравнению с докритическими циклами, если доступен источник конечной теплоёмкости. При правильном подборе рабочего тела и правильной оптимизации параметров цикла можно получить кривую нагрева, соответствующую источнику тепла с переменной температурой, уменьшая общую логарифмическую разницу температур и потери КПД из-за процесса подвода тепла с конечной температурой. различия.
Системы на основе двуокиси углерода стали многообещающим вариантом для производства электроэнергии, благодаря своим надёжным термодинамическим характеристикам, а также преимуществам, предлагаемым углекислотой в качестве рабочей жидкости, которая нетоксична, не горит и устойчива к разложению в условиях высоких температур. Хорошим термодинамическим характеристикам в этих системах способствует хорошее термическое соответствие, которое может быть достигнуто между циклом и источником(ами) тепла, опять же вследствие термодинамических свойств. Тепло от сжигания ископаемого топлива, а также солнечное, геотермальное и рекуперация отработанного тепла – всё это потенциальные области применения систем с транскритическим циклом и рабочей жидкостью CO2, совместно с солнечными башенными термосолнечными станциями, в которых температура теплоносителя из соляного раствора может нагреваться в широком диапазоне от 300 до 700 °C и термодинамическим КПД 20–65%.
Более того, высокая плотность углекислоты в сверхкритической области позволяет создавать компактные компоненты и системы, что особенно выгодно в условиях ограниченного пространства. Надо признать, что эта технология ещё не получила широкого распространения, но уже близка к этому. Общая экономия затрат может быть снижена на 30-35% при внедрении углекислотных систем, по сравнению с традиционными паровыми. Применение систем с транскритическим циклом на CO2 обширны и охватывают различные области, но особенно актуальны для турбомашин и теплообменников.
Благодаря естественному охлаждению, расчётному распределению нагрузки и охлаждению на уровне шкафа, система может снизить годовую рабочую нагрузку на охлаждение, среднего по размеру центра обработки данных, на 170 МВтч. Но пока система рекуперации тепла теплового насоса с CO2 для дата-центров по-прежнему страдает от ограниченной хладопроизводительности и низкой степени использования оборудования. Между тем, модернизированное тепло иногда используется только для централизованного теплоснабжения некоторых помещений зимой. Таким образом, чтобы улучшить производительность и использовать модернизированное тепло круглый год, естественным образом сформировалась идея построить систему, путём интеграции углекислотного теплового насоса с механическим предварительным охлаждением, для эффективной утилизации отводимого из серверных шкафов тепла.
Для вырабатываемого высокотемпературного тепла, помимо проведения прямого отопления в зимний период, обеспечивается также подача санитарно-технической горячей воды в неотопительные периоды. Летом добавляется абсорбционный холодильный цикл бромид лития-воды (LiBr-H2O) для обеспечения охлаждения за счёт выделяемого тепла.
Ввиду многочисленных преимуществ углекислого газа в области энергетики и охлаждения, эффективная и компактная комбинированная система, состоящая из энергетического цикла и цикла охлаждения, привлекла внимание учёных, которые предложили новую и эффективную комбинированную систему, объединяющую энергетический цикл S-CO2 и холодильный цикл T-CO2, для рекуперации отходящего тепла. Далее они объединили регенеративный цикл S-CO2 с циклом транскритического охлаждения, предложив два типа комбинированных систем охлаждения и электропитания. Первая система приводит в действие компрессор холодильного цикла от турбины энергетического цикла. На основании этого был предложен второй тип комбинированной системы, в которой два подцикла делят единый охладитель. При сравнении производительности двух систем было выяснено, что система, использующая общий охладитель, имеет более высокую холодопроизводительность при той же температуре испарения. Сочетание сверхкритического энергетического цикла с транскритическим холодильным циклом может обеспечить эффективное охлаждение, при выработке электроэнергии, тем самым значительно улучшая коэффициент использования энергии и оптимизируя энергетическую структуру всей системы.
При использовании солнечной энергетической установки, для частичного обеспечения электроэнергией, цикл углекислотного охлаждения используется для обеспечения кондиционирования залов ЦОДа. При этом отходящее от серверных шкафов тепло используется в комбинированном цикле, что повышает коэффициент использования энергии.
В единой системе ещё используется башенный солнечный термоколлектор для нагревания теплоносителя из соляного раствора, а для эффективного хранения используются теплоаккумулирующие резервуары. В соответствии с комбинированным циклом, холод и электроэнергия вырабатываются одновременно. Чтобы устранить недостатки низкой интенсивности солнечного излучения и прерывистости (ночь-день), используются технологии фокусировки энергии солнца на нагревателе башни термосолнечной установки и резервуаров хранения тепла, с рабочей жидкостью из концентрированного соляного раствора. После получения очень горячего соляного раствора в нагревателе башни от солнечных гелиостатов, он, в комбинации с энергосистемой S-CO2 и системой охлаждения T-CO2 будет одновременно поставлять электроэнергию и охлаждать центр обработки данных. Для снижения стоимости системы низкотемпературный рекуператор и охладитель используются совместно в энергетическом и холодильном циклах.
Подробно рабочий процесс в последних двух контурах, описывается следующим образом: в энергетическом цикле, нагретая в теплообменнике нагревателя углекислотная рабочая жидкость, превращаясь в пар и расширяясь, совершает выработку электроэнергии в турбине. Затем проходит через высокотемпературный рекуператор для передачи тепла низкотемпературному потоку на другой стороне. На выходе из высокотемпературного рекуператора углекислота смешивается с потоком на выходе компрессора низкого давления в холодильном цикле. Смешанный рабочий поток последовательно проходит через низкотемпературный рекуператор и охладитель, выделяя тепло. После этого, понизив давление, разделяется на два потока. Один поток поступает в энергетический цикл и сжимается компрессором высокого давления, тогда как другой поток поступает в цикл охлаждения и продолжает выделять тепло в предварительном охладителе. В энергетическом цикле высокого давления, поток рабочей жидкости, сжатый в компрессоре высокого давления, последовательно проходит через оба рекуператора для отдачи отходящего тепла с понижением давления, а затем снова поступает в нагреватель для насыщения теплом от горячего соляного раствора в нагревателе. В цикле охлаждения, после выделения тепла в предварительном охладителе, углекислота поступает в дроссельный клапан и превращается в жидкую углекислоту при низкой температуре и низком давлении. После этого холодная жидкая углекислота поступает в испаритель и превращается в пар, обеспечивая охлаждение циркулирующей воды в закрытом контуре центра обработки данных. Затем парообразный CO2 поступает в предварительный охладитель и нагревается высокотемпературным потоком с другой стороны теплообменника. Наконец, углекислота сжимается с помощью компрессора низкого давления и смешивается с нагретым потоком из линии нагревателя через высокотемпературный рекуператор.
Преимущества этой системы заключаются в том, что она может стабильно и одновременно обеспечивать электроэнергией и охлаждением ЦОД, за счёт солнечной энергии. Между тем, в комбинированной системе высокотемпературный и низкотемпературный рекуператоры используются для максимизации рекуперации тепла нагретого теплоносителя из двуокиси углерода. Чтобы решить проблему несоответствия температур низкотемпературного рекуператора в энергетическом цикле, рабочая жидкость из холодильного цикла примешивается в систему подачи перед этим рекуператором, для увеличения общей теплоёмкости подающего потока. Ещё одним преимуществом этой конфигурации является возможность рекуперации части тепла, выделяемого в холодильном цикле, что повышает общую эффективность. Кроме того, если солнечная энергия не может удовлетворить потребности дата-центра в энергии, её можно забирать напрямую из электросети, чтобы обеспечить непрерывную работу.
