新型燃氣分布式能源與數據中心耦合供能技術

朱良君，王世朋，謝玉榮，趙大周

新型燃氣分布式能源與數據中心耦合供能技術

朱良君，王世朋，謝玉榮，趙大周

（1.華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2.浙江省蓄能與建筑節能技術重點實驗室，浙江 杭州 310030）

隨著計算機云技術的發展，數據中心建設已進入快速發展階段。數據中心機房具有穩定的電負荷以及全年高冷負荷的特征，具有很高的供能可靠性，對供能系統也提出了較高的要求。分布式能源系統具有高效環保、運行靈活等特點，通過分布式能源系統的梯級用能方式為數據中心供能，實行冷熱電聯產，實現能源的綜合配置與優化，能夠大大提高數據中心的值。以浙江省某規劃設計數據中心為例，設計了一套天然氣分布式能源系統。進行供能可靠性、污染物排放及綜合效益分析評價，評價結果顯示分布式能源與數據中心耦合供能相結合的技術方案，使能源站綜合能源效率達到84.5%，數據中心供能值降低至1.35，具有極好的節能減排效益。

數據中心；電能利用效率；分布式能源系統；云計算

在社會信息化與互聯網經濟飛速發展的進程中，云計算、物聯網、大數據等新一代IT技術蓬勃興起，與此相對應的各種大型數據中心應運而生[1]。2015年政府明確指出“互聯網+”行動計劃，提出了“實施國家大數據戰略，推進數據資源開放共享”建議，在《軟件和信息技術服務業“十三五”發展規劃》中提出，“十三五”期間行業整體市場復合增長率超過24.5%[2]。在政策鼓舞與時代浪潮下，中國的信息技術和數據通訊行業發展迅猛。2010—2017年，中國IDC市場規模從102.2億元增長到946.1億元，平均增長率為37.8%，是全球平均增長率的2倍以上[3]。數據中心的電負荷與冷負荷穩定可靠，天然氣分布式的能源供應多樣，燃氣分布式與數據中心相耦合，實現能源梯級利用，大大提高綜合能源利用率及數據中心值，使得數據中心燃氣分布式成為行業研究熱點[4]。

1 數據中心供能分析

數據中心作為一種典型的高能耗大用戶，具有極高的供能穩定性。其供能方式通常采用市電作為電源，大型集中式電空調作為冷源，但這種能源利用方式的電冷負荷均通過電力滿足需求，因此，對電負荷要求較高，嚴重依賴電網，能源綜合利用率較低，造成數據中心的能源利用效率較高，不利于數據中心的節能[4]。

能源利用效率（Power Usage Effectiveness，）是評價數據中心能源利用效率的指標，=數據中心全年總耗電量/IT設備全年耗電量，值大小反應數據中心能耗情況，值越小則表明用于除IT設備以外的耗電越少，數據中心越節能[5]。數據中心的能耗主要來源為IT設備、制冷系統、配電系統、照明及其他能耗，其中制冷設備能耗約占35%，如何有效地降低數據中心制冷系統的能耗，是降低值的關鍵[6]。

目前而言，國內數據中心的綠色化水平低、能耗普遍較高，值普遍達不到綠色數據中心的要求（1.5以下）。北京、上海、天津等地方政府要求當地建設的數據中心值應在1.5以內，降低數據中心值是新建機房的重大指標任務。

2 天然氣分布式與數據中心耦合

天然氣分布式能源系統通常被稱為天然氣冷熱電三聯供，即CCHP（Combined Cooling，Heating and Power），典型的天然氣分布式供能系統如圖1所示，天然氣與壓縮空氣在燃燒室內燃燒，通過燃氣輪或燃氣內燃機膨脹做工并驅動發電機發電，排出的高溫煙氣結合余熱鍋爐與汽輪機、余熱吸收制冷機等余熱利用設備進行余熱利用，為用戶提供熱負荷與冷負荷，實現冷熱電聯產，這樣的能源梯級利用與綜合利用方式，使得能源利用合理、能耗較小、配置靈活、系統經濟性好，能夠使能源利用效率達到70%以上，同時還可以改善電源結構，削峰填谷，提高供電安全和應急能力[7]。

圖1 典型天然氣分布式供能系統

對于大型數據中心這樣的用能單位來說，其負荷特點是冷電需求較大，熱負荷需求較小，并且負荷波動相對較小，適合采用分布式供能系統進行冷電聯供。

天然氣分布式能源系統則完全符合數據中心這一能源特點，通過天然氣分布式系統為數據中心提供電能以及冷能，結合分布式系統的梯級用能方式，有效地降低了數據中心的制冷系統能耗[8]，對提高能源的綜合利用效率具有重大意義。

3 數據中心負荷需求

該數據中心項目規劃建設2 397個A級數據機柜，每臺標準模塊機房機柜電量密度為5 kW/rack，擬規劃17個機房模塊，規劃設計機房占地面積約7 000 m2，分三層布置。

3.1 電負荷分析

數據中心耗電設備分為IT設備、輔助設備、消防設備、其他設備，根據統計，數據中心IT設備的實際使用功率統計約14 910 kW，如表1所示，其他用電設備裝設功率為 2 020 kW，總計電負荷約16 930 kW，數據機房負荷穩定，全年運行時基本無較大波動。

表1 數據中心機房模塊電負荷功率

機房模塊類型模塊個數每個模塊機柜數IT模塊功率密度（kW/m2）機房總面積/m2IT模塊電功率/kW其他設備電功率/kW 模塊12811.645008202 020 模塊22201.11180200 模塊3111972.55 50013 750 模塊42141.27110140 總計17——6 29014 91016 930

3.2 冷負荷分析

數據中心機房具有設備發熱量大、功率密度大、使用系數大、單位面積空調冷負荷極大、對空調系統的依賴性強以及較高的供能可靠性等特點。機房主要工藝設備包括電子信息設備等其他輔助設備，設備的散熱量約占總熱量的80%以上，參照包含了機房IT設備散熱及照明、人員、空調風機等冷負荷，冷負荷合計為16 022 kW。

表2 數據中心機房模塊冷負荷

機房模塊類型模塊個數IT冷負荷/kW總空調負荷/kW其他冷負荷/kW 模塊124559102 640 模塊22128256 模塊3111 08011 880 模塊42168336 合計17—13 38216 022

4 能源站建設方案

4.1 能源站裝機方案

能源站裝機根據負荷需求及數據中心負荷等級和分類要求，擬建設4套4.3 MW級的燃氣內燃機組及配套煙氣熱水型溴化鋰制冷機組，輔以電制冷機組備用，以及其他配套設施。系統主要設備內燃機功率為4.3 MW，效率為44.1%，排氣溫度為405 ℃；煙氣熱水型溴化鋰制冷量為4.13 MW，冷凍水額定出入口溫度為7/12 ℃；單臺離心式冷水機組制冷量為4.22 MW。

數據中心分布式能源系統供應流程如圖2所示。

根據數據中心冷負荷、電負荷特點，以內燃機發電機組作為主體設備，發電供能源站及數據中心機房使用，為機房IT設備供電。

以內燃機高溫煙氣余熱和高溫缸套水為熱源，利用煙氣熱水溴化鋰機組作為制冷設備制取冷能，結合離心式冷水機組為數據中心提供冷卻水。內燃機發電機組與電網并網連接，當內燃機組出力不足，滿足不了數據中心電負荷需求時，市電及時補充，以保證數據中心供能系統穩定性。

圖2 數據中心分布式能源系統供應流程圖

4.2 能源站運行方案

能源站運行方式——燃氣內燃發電機組作為主要電力設備，4臺機組同時運行，平均負荷率在98%左右，溴化鋰機組為數據機房提供冷能，在檢修或突然停機等突發事故時，切換至市電進行供電并啟動電制冷機為數據中心提供冷能，保證數據中心供能穩定性。能源站技術經濟運行指標如表3所示，全年機組等效運行為7 155 h，熱電比達0.946，綜合能源利用效率為84.48%。

5 經濟性分析

5.1 投資估算

本數據中心能源站擬建設4套4 300千瓦級內燃機組、溴化鋰機組及離心冷水機組，能源站包括內燃機組、溴化鋰機組及配套冷凍冷卻水系統、離心冷水機組及配套冷凍冷卻水系統、站房、室外冷凍水管道、補給水系統設施等。項目計劃總資金（含數據機房建筑）為18 435.2萬元，單位投資10 718元/千瓦時，投資估算表如表4所示。

表3 能源站運行指標

參數類別數值 裝機規模/kW17 200 運行機組臺數/臺4 天然氣熱值/（kJ/m3）33 300 全年等效運行小時/h8 504 全年供電量/萬千瓦時14 397 全年供冷量/萬千瓦時13 625 全年天然氣年消耗量/萬立方米3 017 熱（冷）電比0.946 綜合能源利用效率/（%）84.5

表4 能源站系統投資費用概算

費用名稱萬元 建筑工程2 267.52 設備購置11 168.08 安裝工程3 248.32 其他費用1 751.36 總計18 435.2

5.2 經濟效益分析

新建燃氣分布式能源站供能與采用市電供能方式相比，用能成本經濟性以及降低數據中心值方面均具有很強的優越性，具體數據如表5所示。

表5 采用分布式與市電用能成本分析

參數項目市電供能燃氣分布式+市電供能 全年耗電量/萬千瓦時17 803.314 397.0 IT設備/萬千瓦時10664.410 664.4 尖峰段電量/萬千瓦時1 483.8— 峰段電量/萬千瓦時8 904.2— 谷段電量/萬千瓦時7 415.3— 冷量/萬千瓦時—14 397 尖峰段電價/（元/千瓦時）1.044— 峰段電價/（元/千瓦時）0.865 4— 谷段電價/（元/千瓦時）0.392 4— 冷價/（元/千瓦時）0.366— PUE值1.671.35 用能成本/萬元12 1659 746 單位用能成本/（元/千瓦時）0.683 30.676 9

采用燃氣分布式為數據中心供能，數據中心值與采用傳統市電相比，市電供能值為1.67，而采用燃氣分布式供電可以將值降低至1.35；在供能成本方面，由于燃氣分布式綜合利用效率達84.48%，實現了能量梯級利用，大大提高了能源利用率，單位供能成本僅0.676 9元/千瓦時，低于市電供能成本0.683 3元/千瓦時。

5.3 節能效益分析

數據中心采用燃氣分布式進行供能，能耗穩定，負荷波動較小，裝機匹配合理，使得該分布式能源系統能夠取得良好的經濟效益；同時由于分布式供能的特殊性，其不再完全依賴于電網直供電，有效提高了數據中心用電用冷的可靠性；清潔能源的使用使每年標煤使用量減少61 800 t，減少粉塵排放14 100 t，減少二氧化硫排放2 300 t，減少二氧化碳排放170 000 t，節能減排效果明顯；天然氣分布式與數據中心耦合供能方式為城市打響“藍天保衛戰”有極大促進作用，有效減小對大氣的影響。

6 結論

天然氣分布式能源系統與數據中心供能耦合供能方式能有效促進節能減排。采用天然氣作為能源，因地制宜地在負荷中心建設能源站，具備典型的樓宇天然氣分布式能源站的特征，能夠實現能源梯級利用，大大提高能源效率，降低輸電網絡系統網損，提高數據中心供能的可靠性，具有很好的節能減排作用。采用天然氣作為清潔能源，與傳統煤電相比，大大減少原煤消耗，降低SO2的排放量和煙塵排放量，大大改善了當地的能源結構。該分布式能源站采用冷熱聯供方式，數據中心具備穩定冷源與電源，能源綜合利用效率可以達到84.5%，數據中心值低至1.35，節能減排綜合效益明顯。

［1］沈洪流.數據中心天然氣分布式能源系統供電方案設計［J］.浙江電力，2018，37（10）：14-18.

［2］王世朋，趙大周，柯冬冬，等.杭州數據中心燃氣分布式能源典型方案及經濟性分析［J］.浙江電力，2019（10）：20-25.

［3］印佳敏，陳澤韓.天然氣分布式能源系統在大型數據中心的應用研究［J］.南方能源建設，2015，2（2）：52-56.

［4］徐濤.某醫院天然氣分布式能源項目方案的投資決策分析［D］.天津：天津工業大學，2017.

［5］李曉.天然氣分布式能源系統在數據中心的應用［J］.低碳世界，2016（17）：72-73.

［6］馬天順.數據中心機房空調設計［J］.中華建設科技，2017（8）：96-97.

［7］蔡潔聰，韓高巖，國旭濤，等.浙江省天然氣分布式能源發展及建議［J］.浙江電力，2019，38（1）：25-29.

［8］王健.燃氣分布式能源在某醫院中的應用分析［J］.上海節能，2018（9）：748-752.

F726

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.008

2095－6835（2020）02－0029－03

朱良君，男，安徽宿松人，初級工程師，研究方向為余熱高效利用、分布式能源、綜合能源服務。

〔編輯：張思楠〕