面向数据中心的余热回收型燃料电池机架原型：设计考量与实验验证¶
面向数据中心的余热回收型燃料电池机架原型：设计考量与实验验证
低碳能源在大电网与分布式用能单位中的应用是亟待解决的关键问题。数据中心（DC）作为典型的分布式大型用能单位，应用可再生能源与储能技术是实现其脱碳的可行路径。本文开发了一套适用于数据中心的完整混合能源系统（HES）仿真流程，系统包含光伏电池（PV）、电解槽、储氢系统、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、锂电池（BAT）、电网及数据中心负载。
本文建立了一维两相流 PEMFC 模型，对电池内部详细传质过程进行建模，开发了 PEMFC 模型求解算法并集成至 HES 仿真程序中。基于逻辑流程
质子交换膜燃料电池（PEMFC）与数据中心的结合已成为极具前景的零碳解决方案，但相关实验研究极少，且多数研究仅解决了简单的电耦合问题。本文提出一种新型机架内数据中心服务器与 PEMFC 耦合设计方案，同时考虑服务器与 PEMFC 的电耦合和热管理耦合，并首次搭建了机架原型。
通过 PEMFC 系统的全工况连续实验，充分验证了原型的服务器供电稳定性，其功率响应速度达 0.1 秒内 4.9kW。在服务器功率为 5kW 的额定工况下开展实验，分析了原型的碳排放水平与效率性能：额定工况下，原型最高热电联供（CHP）效率为 64.1%，可提供 41.6℃热水（流量 3.04 升 / 分钟）；最低热电联供效率为 59.8%，可提供 61.1℃热水（流量 1.33 升 / 分钟）。
该原型实现了服务器的零碳（或负碳）排放，平均运行碳排放速率为 - 35 克 / 小时。与纯电网供电的数据中心相比，原型的平均单位功率碳减排速率为 0.13 克 / 秒・千瓦。实验结果从碳排放优势与余热回收潜力两方面，充分证明了所提数据中心与 PEMFC 耦合方案的应用价值。
能源演进映射着人类社会的发展历程。如今，传统化石能源引发的污染问题日益严峻，可再生能源的应用已成为迫切需求 [1,2]。然而，可再生能源的高间歇性导致其高比例消纳时，不可避免地引发电能质量与供电可靠性问题。可再生能源与储能系统的联合应用是解决这一问题的有效方案，在用户侧形成分布式混合能源系统（HES）。
HES 因其在工业园区、城市建筑、海岛供电等场景的广泛应用，已成为研究热点，且为实现碳减排目标，其应用范围正快速拓展。数据中心是典型的大型用能单位，能耗约占全球总能耗的 1%[3]。面对碳排放压力，HES 在数据中心的应用成为极具前景的低碳解决方案，尤其适用于大型数据中心 [4,5]。
目前，针对数据中心 HES 的研究多以优化系统性能为目标。为实现快速模型计算，相关研究普遍采用简化数学模型：文献 [6-12] 均采用与时间相关的简单组件功率变量，描述数据中心混合能源系统的能耗与发电特性；Iverson 等人 [13] 为 HES 中的风机、光伏阵列及储氢子系统建立了基于简单方程的数学模型；Kanbur 等人 [14] 采用（火用）分析与数学模型，研究了混合 PEMFC 与两相液浸式数据中心冷却系统的性能。
上述研究均基于能量与物质平衡，采用简单的 HES 子组件模型，且通常未给出模型验证结果。这些研究的核心贡献集中在 HES 优化，却忽视了子组件模型精度对优化结果的影响。数学模型用于生成 HES 子组件性能数据，而不完善的内部数学模型会导致 HES 性能计算出现较大误差，进而降低性能预测与优化结果的准确性 [17]。
现有少数研究采用了考虑物理化学过程本质的详细数学模型：Khalaj 等人 [18] 采用风机、光伏组件与电池组成的混合能源系统为数据中心供电，旨在提升数据中心的电网独立性，采用五参数逻辑函数风机模型与阶梯式数学光伏组件模型预测输出；Lazaar 等人 [19] 开发了潮汐能 / 光伏混合独立系统，结合电池作为储能系统为兆瓦级数据中心供电，介绍了子系统的详细数学模型与能源管理系统；Kang 等人 [20] 对包含 PEMFC、电池与数据中心服务器的混合系统进行数值研究，采用了详细的两相动态 PEMFC 堆模型。
但这些研究中的 PEMFC 模型多为简化模型 [20-23]，忽略了复杂的传质过程。在现有 HES 仿真与优化研究中，子组件数学模型仍缺乏足够的准确性与可重复性。
对于 HES 仿真而言，仿真模型的准确性直接影响性能预测结果的可靠性。本文旨在为数据中心用 HES 的关键组件开发精准、可靠的数学模型，建立了一维两相流 PEMFC 模型，详细给出了子组件模型所用的所有方程与参数，确保模型可重复性。
进一步，开发了基于 MATLAB-SIMULINK 平台的可编辑 HES 仿真程序，将数学模型、能源管理系统与各子系统整合其中，关键子系统均编写为可编辑的 m 函数，保障其可扩展性。最后，以西安某 200kW 数据中心为对象，开展了不同 HES 参数配置下的全年性能仿真与分析，提出了适宜的 HES 参数组合。
需说明的是，除数值仿真外，作者团队将搭建低碳数据中心混合能源系统实验平台，因此本研究采用西安地区的气象数据。下文将在第 2 节详细介绍数学模型、能源管理策略与子系统；第 3 节讨论模型验证与系统仿真的主要结果；第 4 节给出结论与展望。
研究团队：王子星博士、陶文铨教授团队
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