标题：Data center integrated energy system for sustainability: Generalization, approaches, methods, techniques, and future perspectives
链接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-energy.2024.100014
要点
- DC-IES的定义与目标：DC-IES旨在通过整合可再生能源和废热回收技术，实现数据中心的能源效率提升和环境可持续性。
- 系统优化方法：研究了如何在DC-IES规划和设计中实现多维度的优化，包括能源效率、水资源管理、经济效益、环境影响和系统可靠性。
- 技术创新与互动模型：探讨了计算网络与电力网、供暖网络之间的创新互动方式，以及这些互动如何通过技术原理和效益影响来提高整体性能。
- 废热回收技术的应用：分析了热泵和吸收式制冷系统在数据中心废热回收中的应用，以及这些技术如何显著增强DC-IES的能源规划和运营。
- 面临的挑战：识别了DC-IES在实现过程中可能遇到的技术、经济和数据安全方面的挑战。
- 未来研究方向：提出了未来研究的方向，包括开发更全面的评价指标体系，以及探索DC-IES的商业模式和市场潜力。
研究点
本文研究了数据中心集成能源系统（DC-IES）的概念、优化方法、技术应用及其在提高能源效率和可持续性方面的潜力与挑战。
摘要
随着全球数字经济的变化，数据中心（DCs）的能源消耗和碳排放问题引起了广泛关注。同时，集成能源系统（IES）的快速发展使得数据中心能够有效利用清洁能源和废热，为可持续性做出贡献。本文介绍了数据中心集成能源系统（DC-IES）的概念，并对其在利用可再生能源、回收废热、构建生产者和消费者关系以及系统架构多样性方面的概括、方法、技术和未来展望进行了深入探讨。同时，从能源、水、经济、环境和可靠性的角度讨论了DC-IES的评价指标和优化目标。此外，提出了DC-IES在计算网络、电力网和供暖网络之间互动的创新模型，并强调了通过技术原理、参与元素和影响效益的相关研究。研究表明，计算网络中非交互式工作负载的整合，以及柴油发电机和不间断电源（UPS）等灵活资源的利用，以及热泵和吸收式制冷系统等废热回收技术的实施，将显著提高DC-IES的规划和运营。最后，揭示了DC-IES优化中遇到的可靠性和成本效益方面的一系列挑战和未来展望。
The increasing prominence of data centers (DCs) in the global digital economy has raised concerns about energy consumption and carbon emissions. Simultaneously, the rapid advancement of integrated energy systems (IES) has enabled DCs to efficiently harness clean energy and waste heat, contributing to sustainability. A concept of data center integrated energy system (DC-IES) is introduced in this paper, and its generalization, approaches, methods, techniques, and future perspectives are scrutinized on the utilization of renewable energy, recovery of waste heat, construction of producer and consumer and diversity of system architecture, as well as optimization solutions in DC-IES planning and design. The evaluation indicators and optimization objectives of DC-IES are also discussed from perspectives of energy, water, economy, environment and reliability. Furthermore, innovative models are proposed for DC-IES to actively engage in the interaction between computing networks and power grids as well as heating networks respectively, while also emphasizing their associated research through the technical principles, participating elements and benefit impacts. It reveals that the integration of non-interactive workloads in the computing network, along with the utilization of flexible resources from diesel generators and uninterruptible power supply, as well as the implementation of waste heat recovery technologies such as heat pumps and absorption refrigeration systems, will significantly enhance the planning and operation of DC-IES. Finally, a series of challenges and future perspectives related to the reliability and cost-effectiveness encountered in the optimization of DC-IES are revealed.
Keywords: Data center / integrated energy system / flexible interaction / waste heat recovery / heat pump
图示情况
图1所示，对DC-IES的创新交互模型进行了分析，包括计算网络、电力网和供热网络之间的灵活交互，并揭示和调查了它们的普遍性、方法和途径。
图2所示，与IES不同，DC-IES在能源方面具有显著的特点。它不仅基于能量级联利用、多能互补和发电-电网-负荷-储能方法，而且紧密集成了数据中心的运营和计算特性。
图3所示，考虑到DC-IES的系统拓扑结构，各种能量转换设备及其相互连接关系的优化至关重要。从传统的观点来看，仅存在上游能源供应和数据中心之间的相关性。从DC-IES研究的角度来看，由于上游能源供应和下游能源消耗过程中对能量转换设备的多样化需求，仍有许多系统架构需要广泛探索。
图4所示，优化DC-IES的典型解决方案过程，包括以下关键步骤：
1、准确描述计算容量、功耗、冷却需求和周围领域的典型日需求，理解DC-IES业务运营的空间和时间可转移性；
2、调查和分析DC-IES的内部外部能源资源，评估电网容量、天然气资源、热源和绿色能源选项；
3、分析能源消费价格特征，研究电力市场价格、发电成本、供暖费用等，影响资源分配的决策过程；
4、选择适当的能源转换设备以优化整体系统性能。
图5所示，直流电已将重点转向通过尽可能减少电力消耗和提高系统效率来实现经济运营。作为评估直流电能效的著名指标，PUE在优化资源利用和减轻环境影响方面起着关键作用。2022年，受调查的直流电的平均PUE为1.55。这意味着IT机架消耗的电力中有55%用于辅助系统。
图6所示，展示了场内可用资源的多样性，包括电池、UPS、柴油发电机、虚拟能量储存系统和灵活工作负载。这些资源在有效支持需求侧响应活动以通过时间和空间的等效电传输来解决电网拥堵问题，并在数据中心和区域电力网内实现峰值削减和谷值填补操作方面起着至关重要的作用。
图7所示，制冷技术，如吸收式和吸附式制冷技术，利用蒸汽提取或热电厂或工业过程中的废热，同时满足数据中心部分的冷却需求。这种基于废热回收的生产者模式的整合实现了能量级联利用，并增强了数据中心-工业生态系统的系统能源效率。
总结
DC-IES展示了数据中心计算网络与电力网、供暖网络之间巨大的耦合和协同潜力。本文从不同方面全面回顾了近年来DC-IES的能源研究，并详细阐述了其概括、方法、技术和未来展望。DC-IES的主要目标包括促进可再生能源的利用、提高能源效率和探索未开发的灵活资源。
当前DC-IES的商业模式以灵活的DR为中心，面临一些挑战。为了确保高安全性和可靠性，我们建议在机架服务器之间分布式部署计算能力，建立IT设备与辅助系统之间的联系，定义灵活资源参与电力市场的规则，以及在涉及多个实体、电力市场和计算网络业务的DC-IES中完善利益博弈的贡献规则。在DC-IES中，计算网络与供暖网络的互动方面，与DC-IES中废热回收的低热力学效率和有限经济效益的有机朗肯循环（ORC）转换技术相比，具有高COP的压缩热泵和吸收式制冷技术可以有效地利用DC的废热，同时产生积极的技术和经济效益。
然而，仍然存在一些挑战，包括客户接受度低、距离终端用户远、季节性热需求和IT设备可靠性。这两种技术路径的经济可行性仍需要一个复杂的计算模型进行全面评估，特别是涉及在不同外部温度和湿度条件以及内部利用率下的回收期的深入分析。
通讯作者
王勇真：现任北京理工大学预聘副教授。
研究方向：1）综合智慧能源的热电解耦、通用建模及优化评价；2）氢能、地热能、太阳能等能源的综合利用与梯级利用；3）产消型数据中心的能量转化机制及可持续性评价。
沈俊：现任北京理工大学教授。
研究方向：新型制冷与极低温技术的基础和和应用研究，主要包括：1）磁制冷；2）新型低温与散热技术；3）高热流密度散热技术及应用研究；4）综合能源系统协同优化及应用研究。
韩恺：现任北京理工大学教授。
研究方向：新能源动力系统建模与控制，燃料电池和综合智慧能源。
李健：现任北京理工大学预聘副教授/特别研究员。
研究方向：1）中低温可再生能源及余热高效利用；2）综合能源系统集成设计与运行调控；3）有机朗肯循环、热泵与先进储能技术；4）流体热物理性质的测量与表征。
张浩然：现任北京大学深圳研究生院助理教授。
研究方向：1）城市能源系统；2）城市物流系统；3）城市流空间。
严晋跃：现任香港理工大学讲席教授。
研究方向：长期从事可再生能源技术与低碳技术、能源系统集成与优化、碳捕集利用与封存和碳贸易、先进发电技术与储能、能源高效利用等领域方面研究。