一种数据中心液冷耦合余热回收系统的Simulink建模仿真方法及系统与流程

本发明涉及数据中心热管理、余热回收和仿真建模，尤其涉及一种数据中心液冷耦合余热回收系统的simulink建模仿真方法及系统。

背景技术：

1、随着云计算、人工智能和大数据技术的发展，数据中心算力规模和服务器功率密度持续提高。传统风冷散热方式受空气换热能力和风机功耗限制，在高热流密度场景下难以兼顾散热安全和运行能耗。液冷技术利用液体较高的比热容和对流换热能力，可以更有效地带走芯片、服务器或机柜产生的热量，其中喷淋式液冷因冷却液能够直接或近距离作用于发热元件，具有较高换热效率。

2、数据中心液冷系统的冷却液出口温度相对较高，为余热回收提供了热源条件。该余热可用于二氧化碳布雷顿循环、压缩空气储能或压缩二氧化碳储能的加热过程，也可用于卡诺电池、热泵、供热水或区域供热系统。为了适应季节、热需求、储能状态和经济性目标，液冷系统通常需要在余热完全回收、余热部分回收和余热完全不回收等多种运行模式间切换。

3、但是，数据中心液冷耦合余热回收系统包括数据中心热源、冷却液泵、管路、储液箱、换热器、阀门以及二次冷却装置等多个部件。冷却液泵的实际工作点由泵特性曲线与一次回路阻力特性曲线共同决定；换热器的换热量受传热面积、流体入口状态、相变状态和流动阻力共同制约；不同运行模式又对应不同拓扑和边界条件。现有简化稳态核算方法通常只按单一设计点计算，或将泵流量、换热效能设置为固定值，难以准确预测非设计工况和模式切换后的流量、温度、压力及余热回收能力。

4、因此，有必要提出一种面向数据中心液冷耦合余热回收系统的模块化simulink建模仿真方法及系统，使其既具有较高的建模效率，又能够体现泵-回路耦合、换热器面积约束和多模式切换的实际物理关系。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：针对现有数据中心液冷耦合余热回收系统在设计阶段缺少可复用、可切换、能够反映非设计工况的仿真模型的问题，提供一种数据中心液冷耦合余热回收系统的simulink建模仿真方法及系统。

2、为解决上述技术问题，本发明第一方面提供一种数据中心液冷耦合余热回收系统的simulink建模仿真方法及系统，其特征在于，包括以下步骤：

3、s1、获取待仿真的数据中心液冷耦合余热回收系统的边界条件和运行模式集合，所述边界条件至少包括数据中心热负荷、冷却液目标进出口温度、环境温度、冷却液物性参数、管路约束参数以及余热利用侧温度需求或功率需求；

4、s2、根据所述边界条件和运行模式集合，确定数据中心液冷一次回路、余热回收支路和二次散热支路的系统架构，并确定数据中心、冷却液泵、冷却液管道、储液箱、余热换热器和二次散热装置的设计参数；

5、s3、基于所述设计参数分别建立数据中心模块、冷却液泵模块、冷却液管道模块、储液箱模块、余热换热器模块和二次散热装置模块的非设计工况模型，其中冷却液泵模块的工作点由泵特性曲线与回路阻力特性曲线耦合确定，余热换热器模块的出口工况由换热器结构参数、冷流体入口工况和热流体入口工况共同确定；

6、s4、在simulink环境中将所述非设计工况模型封装为具有统一输入输出接口的功能模块，并在各功能模块的mask中配置结构参数、设计工况参数和运行工况参数；

7、s5、根据运行模式集合选择并连接相应功能模块，形成余热完全回收模式、余热部分回收模式和余热完全不回收模式中的至少一种系统仿真模型；

8、s6、对所述系统仿真模型进行稳态或准稳态求解，输出冷却液流量、温度、压力、冷却液泵功率、换热量、余热回收率和能效评价结果中的至少一种。

9、优选地，步骤s1中，所述运行模式集合包括：

10、余热完全回收模式，在该模式下数据中心产生的热量全部经一个或多个余热换热器传递至余热利用侧；

11、余热部分回收模式，在该模式下数据中心产生的热量一部分经余热换热器传递至余热利用侧，剩余部分经二次散热装置排出；

12、余热完全不回收模式，在该模式下数据中心产生的热量经风冷散热器、冷却塔、自然冷源水冷装置、冷水机组或其组合排出。

13、优选地，步骤s2中，根据数据中心额定发热功率与各换热设备设计换热量之间的热量匹配关系确定不同运行模式下参与工作的换热设备；在余热完全回收模式下，余热换热器设计换热量之和等于或大于数据中心额定发热功率；在余热部分回收模式下，余热换热器设计换热量之和小于数据中心额定发热功率，二次散热装置的设计换热量根据数据中心额定发热功率与余热换热器设计换热量之差确定。

14、优选地，步骤s2中，根据数据中心额定发热功率以及冷却液流入和流出数据中心时的比焓差确定冷却液额定质量流量，并根据所述冷却液额定质量流量、静扬程项和回路总阻力系数确定回路所需扬程，从而确定冷却液泵额定工作点。

15、优选地，步骤s2中，余热换热器的设计参数根据热流体侧和冷流体侧的雷诺数、普朗特数、换热器两端冷热线流体温差、设计换热量以及传热系数确定，所述设计参数包括换热面积、管长、管径、并联支路数和流动阻力中的至少一种。

16、优选地，步骤s3中，所述数据中心模块根据服务器发热功率、服务器数量、冷却液质量流量、冷却液比热容和冷却液进出口温差建立，并通过冷却液吸热量与服务器发热量之间的能量守恒关系计算冷却液出口温度。

17、优选地，步骤s3中，所述余热换热器模块根据热流体侧放热量与冷流体侧吸热量之间的能量守恒关系，以及换热器传热系数、换热面积和对数平均温差之间的传热关系，计算冷、热流体出口温度、出口压力和换热量。

18、优选地，所述对数平均温差根据换热器两端冷、热流体温差确定，并且余热换热器模块通过二分迭代法、牛顿迭代法或查表插值法求解冷、热流体出口温度、出口压力和换热量。

19、优选地，步骤s3中，所述冷却液泵模块的特性曲线为流量-扬程曲线、流速-扬程曲线、流量-压降曲线或流速-压降曲线；当冷却液泵采用变转速调节时，冷却液泵模块根据泵相似定律确定不同转速下的流量、扬程和功率。

20、优选地，步骤s3中，冷却液管道模块将管道视为绝热管道，并根据管长、管径、冷却液密度、冷却液流速、雷诺数、沿程阻力系数和局部阻力系数计算沿程压降、局部压降和总压降，以得到管道出口压力。

21、优选地，步骤s3中，储液箱模块基于冷却液进口流量、进口温度、进口压力和液体存量计算冷却液出口流量、出口温度和出口压力；阀门、接头和过滤器作为局部阻力模块接入冷却液一次回路。

22、优选地，步骤s4中，所述功能模块采用s-function、matlabfunction、simscape组件或其组合实现，统一输入输出接口至少包括质量流量、温度和压力，且所述功能模块被封装为simulink库模块以供不同运行模式调用。

23、优选地，步骤s6后还包括：对不同运行模式、不同冷却液泵转速、不同换热面积、不同环境温度和不同数据中心热负荷中的至少一种进行参数扫描，生成部件选型、模式切换阈值和余热回收运行策略的评价结果。

24、本发明另一方面提供一种数据中心液冷耦合余热回收系统的simulink建模仿真系统，包括：

25、边界条件配置模块，用于获取数据中心热负荷、冷却液目标进出口温度、环境温度、冷却液物性参数、管路约束参数以及余热利用侧温度需求或功率需求；

26、架构与模式配置模块，用于配置数据中心液冷一次回路、余热回收支路和数据中心散热回路的部件连接关系，并配置余热完全回收模式、余热部分回收模式和余热完全不回收模式；

27、设计参数计算模块，用于确定数据中心、冷却液泵、冷却液管道、储液箱、余热换热器和数据中心散热装置的设计参数；

28、模型库模块，用于存储数据中心模块、冷却液泵模块、冷却液管道模块、储液箱模块、余热换热器模块和数据中心散热装置模块的非设计工况模型；

29、模式装配模块，用于按照所配置运行模式选通并连接模型库模块中的相应模块；

30、仿真求解模块，用于在simulink环境中对模式装配模块形成的系统仿真模型进行稳态或准稳态求解；

31、结果输出模块，用于输出冷却液流量、温度、压力、冷却液泵功率、换热量、余热回收率和能效评价结果中的至少一种。

32、优选地，所述设计参数计算模块包括热负荷分配单元、换热器设计单元和泵选型单元；热负荷分配单元用于根据数据中心额定发热功率与各换热设备设计换热量之间的热量匹配关系确定各换热设备设计换热量，换热器设计单元用于根据设计换热量、传热系数和平均温差确定换热面积，泵选型单元用于根据数据中心额定发热功率、冷却液比焓差、静扬程项和回路总阻力系数确定冷却液泵额定工作点。

33、优选地，所述数据中心模块的输入包括数据中心热负荷、冷却液进口温度、冷却液进口压力和冷却液进口流量，输出包括冷却液出口温度、冷却液出口压力和冷却液出口流量；所述数据中心模块的mask参数包括服务器数量、服务器额定功率、冷却液物性参数、喷淋孔数量和喷淋孔直径中的至少一种。

34、优选地，所述冷却液泵模块包括泵特性曲线单元、转速调节单元和工作点求解单元，工作点求解单元用于将泵特性曲线与回路阻力特性曲线进行耦合求解，以得到冷却液泵实际流量、实际扬程和实际功率。

35、优选地，所述余热换热器模块包括加热器模块、相变蒸发器模块和无相变换热器模块中的至少一种，且所述余热换热器模块具有冷却液侧接口和余热利用侧接口，余热利用侧接口用于接入二氧化碳布雷顿循环工质、卡诺电池循环工质、热泵工质、供热水或其它余热利用工质。

36、优选地，所述数据中心散热装置模块包括风冷换热器模块、冷却塔模块、自然冷源水冷模块和冷水机组模块中的至少一种；其中风冷换热器模块包括冷却液侧输入接口、空气侧输入接口和换热功率输出接口，空气侧输入接口用于输入空气温度、空气流量和风机调节量中的至少一种。

37、优选地，所述模式装配模块通过阀门状态、支路开关、模块使能信号或参数选择信号实现模式切换；在余热完全回收模式下选通余热换热支路，在余热部分回收模式下同时选通余热换热支路和数据中心散热回路，在余热完全不回收模式下选通数据中心散热回路。

38、本发明有如下有益效果：

39、1.本发明将数据中心、冷却液泵、管路、储液箱、余热换热器和数据中心散热装置分别建模并封装为simulink模块，能够按不同运行模式快速组合，减少重复建模工作。

40、2.本发明通过泵特性曲线与回路阻力特性曲线耦合确定冷却液泵实际工作点，能够反映管路、换热器、阀门和运行模式变化对流量及泵功率的影响。

41、3.本发明通过换热器能量守恒、传热面积和对数平均温差求解换热器出口工况，能够体现换热器物理尺寸和入口工况对余热回收能力的限制。

42、4.本发明覆盖余热完全回收、余热部分回收和余热完全不回收三类模式，可用于比较二氧化碳布雷顿循环、压缩空气储能、卡诺电池、热泵和常规散热等耦合方案。

43、5.本发明能够在设计阶段开展泵选型、管径、换热面积、并联支路数和模式切换策略的参数扫描，为工程设计和运行优化提供依据。