燃气冷热电三联供系统在IDC机房的适用性研究

许伟明， 代 勇， 梁永建

（1.北京燃气能源发展有限公司，北京 100101；2.华电电力科学研究院，浙江杭州 310030）

0 引言

燃气冷热电三联供，即CCHP（Combined Cooling，Heatingand Power），属于分布式能源，是将电力、热力、制冷等技术按照“梯级利用”原理，将每种技术的冗余限制在最低状态，利用效率发挥到最大状态，以达到节约资金的目的。

我国燃气冷热电三联供的发展远远落后国外，其主要原因有二：一是缺乏充足的天然气资源；二是受电力系统管理体制的制约。随着我国能源结构的调整及天然气在能源利用中比重的不断增加，我国以天然气为燃料的分布式能源系统建设已进入实质性开发实施阶段，在北京、上海、广州等大城市有一批热、电、冷联产示范工程投运。如北京燃气集团指挥监控中心、北京清华科技园（文津国际公寓）、北京会议中心、北京火车南站、北京蟹岛生态园区、上海浦东机场、上海舒雅健康休闲中心、广东铝业集团、成都深兰绿色能源站等国内燃气冷热电三联供的工程[1]。

本文结合北京地区某IDC机房工程案例对燃气冷热电三联供在IDC机房应用情况进行安全可靠性分析，探索燃气冷热电三联供在IDC机房的适用性，以期将该三联供供能方式合理的利用到IDC机房领域。

1 项目建设情况

项目建设的北京地区某IDC机房总建筑面积约为3万m，包括IDC主机房、辅助区和设备支持区。IDC主机房主要用于存放数据机柜、交换和传输设备等，其布置了普通机柜、高密机柜共2500面。

该IDC机房按照《电子信息系统机房设计规范》A级机房标准要求建设，燃气冷热电三联供系统作为IDC机房的能源供应设施，为IDC机房提供必要的冷电需求，在保证IDC机房的正常安全稳定运行下，向周围建筑物提供冷、热供应。建设的燃气冷热电三联供系统要配合IDC机房整体设计要求和理念，建设成为可靠、安全、高效、节能、低污染的现代化供能中心[2]。

表1 对于A级电子信息系统机房设计要求

2 负荷分析及要求

燃气冷热电三联供系统常年为IDC机房提供用电及用冷需求，燃气冷热电三联供系统的供电系统及空调系统设计均应满足《电子信息系统机房设计规范》（GB50174-2008）要求。

2.1 用电负荷特点与供电要求

IDC机房主要用电包括主机设备、服务器、通讯设备、专用空调、应急照明、消防用电等，利用eQUEST软件分析测算IDC机房全年总用电量波动范围较小（0.9～1）。

按照A级IDC机房的设计规范要求，供给IDC机房的用电电源有两路和有冗余的备用电源系统。且双路电源保空调系统配电，确保空调系统供冷的连续性和稳定性。

2.2 冷负荷特点与空调要求

IDC机房的冷负荷由主要工艺设备的散热形成冷负荷、围护结构传热形成冷负荷、新风引起冷负荷、照明散热和人体散热形成冷负荷组成。

IDC机房中主要工艺设备散热量大且集中，主要为设备的显热，即使在冬季也需要供冷，因而供冷负荷随季节变化波动不大，全年均需供冷。利用eQUEST软件分析计算，IDC机房冷负荷受外界气候等条件影响很小，冷负荷变化幅度为0.9～1。

按照A级IDC机房的设计规范要求，要求空调系统常年为IDC机房提供冷量，维持IDC机房的温度恒定。要求配置冗余的空调系统的冷水机组、冷冻和冷却水泵。

2.3 热负荷特点与空调要求

由于IDC机房内设备常年散热，常年无需采暖。冬季采暖仅满足周边的办公及相关配套建筑。

2.4 系统总容量

为满足IDC机房总用电和用冷需求和设计规范，燃气冷热电三联供系统配置见表2[3]：

在满足IDC机房全部用电量和用冷量的同时，由于系统配置总制冷能力远大于IDC机房需冷量，可考虑为IDC机房周边建筑提供冷量约为16.8MW，提高项目经济性。其系统中燃气热水锅炉与余热直燃机可为IDC机房周边建筑提供采暖需求，预计采暖面积约为48万m2。

表2 设备类型、容量及冗余率

3 设备配置分析

3.1 燃气冷热电三联供系统配置原则

燃气冷热电三联供系统的设备配置原则如下：（1）燃气内燃发电机组作为主电源，发电设备的设置台数按N+1考虑。

（2）双路市电备用：要求供给IDC机房的备用电源为双路，且两路电源不应同时受到损坏。

（3）双路冗余UPS供电：若燃气内燃发电机组全部受到损坏，切换到市电的过程中，可由UPS提供短暂的电源。

（4）余热直燃机按100%补燃考虑，在发电机停运时，可以通过补燃保证冷供应。

（5）设置备用电制冷机，在余热直燃机停运时，可以用电制冷机带全部冷负荷。

（6）水泵、冷却塔等台数设置均按N+1考虑。

3.2 常规供能系统的设备配置原则

常规供能系统是指市政电力作为IDC机房电源，电制冷机组提供IDC机房冷源。常规供能系统的设备配置原则如下：

（1）双路市电作为主电源，其各自带50%负荷，且两路电源不应同时受到损坏。

（2）柴油发电机组作为备用电源，设置台数按N+1考虑。

（3）双路冗余UPS供电：若双路市电全部受到损坏，切换到柴油发电机组的过程中，可由UPS供电。

（4）配置N+1的电制冷机组，且两路电源，其中至少一路为应急电源，即备用柴油发电机组作为电制冷机组的应急电源。

（5）水泵、冷却塔等台数设置均按N+1考虑。

3.3 两种供能系统的安全性对比

为备用电源。

现在，又一个浪头打了来，木桶最终还是经不住大浪，被打了个底朝天，等孔老一把木桶再翻转过来时，潘云早没了身影。

燃气内燃发电机组产生的10kV电送入其10kV母线，并分别馈出1路电源至IDC机房变配电室的10kV母线，带IDC机房的用电负荷。根据电力公司接入系统的相关规定和要求，要求在并网线路10kV线路侧不允许潮流返送，在开关站所带负荷需就地平衡。为防止向系统返送潮流造成对系统以及其他用户的影响，在开关站并网线路上需加装逆功率保护。

燃气冷热电三联供系统中直燃机、冷冻水泵、冷却水泵、循环水泵、补水泵、冷却塔及其它用电设备等分别由低压0.4kV系统接入。

当市电停电时，燃气冷热电三联供系统为燃气内燃发电机黑启动配有EPS电源，以满足一台燃气内燃发电机自身启动时所需电力需要。当一台燃气内燃发

表3 两种供能系统的安全性对比

由表3对比可知，燃气冷热电三联供系统的供能保障度不低于常规系统。

（1）燃气冷热电三联供系统对外部市政条件依赖程度小。唯有市政电力和燃气同时出现故障，才致使三联供系统无法正常供能。

（2）系统之间的设备互备率高。燃气冷热电三联供系统的同类型设备之间的互备率高，且发电机组与市电组成互备，余热直燃机与电制冷组成互备，大大提高了系统的运行可靠性。

4 供能模式

4.1 供电模式

燃气冷热电三联供系统中发电机组采用4用1备配置方式，并网运行方式。燃气内燃发电机组全年运行，全年为IDC机房提供电、冷。发电机组作为常用电源，年运行约8000h，为IDC机房提供电负荷，双路市电作电机启动以后再依次启动其余燃气内燃发电机。

4.2 供冷模式

由于燃气冷热电三联供系统全年运行，优先利用燃气内燃发电机组所产生的烟气与缸套水余热制冷。其中余热直燃机也采用4用1备配置方式。

过渡季和夏季，余热直燃机利用燃气内燃发电机燃烧天然气产生的烟气余热和高温缸套水余热进行制冷，以满足IDC机房冷量需求。

冬季，由于室外温度较低，采用自然冷却方式（免费制冷方式）为IDC机房提供冷量，燃气内燃发电机产生的余热可对周边建筑供暖。

正常情况下，燃气内燃发电机产生的烟气和缸套水进入余热直燃机制冷为IDC机房提供冷量。同时，系统备用的电制冷机处于备用状态，为提高备用电制冷机的利用率，考虑利用备用电制冷机向周边建筑供冷，也提高了项目的经济性。

当余热直燃机出现故障时，备用的电制冷机可及时切换保证IDC机房的供冷连续性。

4.3 供热模式

由于IDC机房冬季的全年散热量稳定，冬季也需要制冷，利用自然冷却方式（免费制冷方式）为IDC机房提供冷量，不仅大大降低系统的电耗，而且提高了项目的经济型。

同时，余热直燃机利用燃气内燃发电机的余热进行制热，可满足周边建筑冬季采暖负荷需求。配置燃气锅炉用于周边建筑采暖负荷调峰。

燃气冷热电三联供系统冬季供暖模式延长了燃气内燃发电机年运行小时数，余热利用最大化，提高系统整体能源利用率，节省了周边建筑的市政设施投入。

5 结语

本文通过分析研究燃气冷热电三联供系统在IDC机房运行中的安全可靠性和节能减排的效果。按照电子信息机房设计规范要求配置系统设备，满足电源和冷源的冗余要求，通过分析对比三联供系统与常规供能系统的安全性，得出在IDC机房领域的燃气冷热电三联供系统的安全性不低常规供能系统，满足IDC机房用能要求，其节能效果明显，同时也充分证明燃气冷热电联产在IDC机房具有普遍适用性。

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[1]朱成章.美国冷热电联产纲领及启示[J].中国电力，2000，33（9）：91～94.

[2]杨建新，徐成，王如松.产品生命周期评价方法及应用[M].气象出版社，2002，6.

[3]金红光，郑丹星，徐建中.分布式冷热电联产系统装置及应用[M].中国电力出版社，2010，2.