杭州数据中心燃气分布式能源典型方案及经济性分析

王世朋，赵大周，柯冬冬，林 达

（1.华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030；2.浙江省蓄能与建筑节能技术重点实验室，杭州 310030）

0 引言

数据中心是实现数据信息集中处理、存储、传输等功能的服务平台，具有用电密度高、用冷需求大、供能可靠性要求高等特点[1]。受云计算、大数据、移动互联网等信息化技术发展的驱动，数据中心的需求量也持续快速增长。据统计，2013—2017 年，全球IDC（互联网数据中心）市场规模平均增长率为17.1%，中国平均增长率为37.8%[2]。随着5G、物联网等终端侧应用场景的技术演进与迭代，终端侧上网需求量将呈现指数级增长，数据中心的应用场景及市场需求还将进一步扩大。预计2020 年，我国数据中心市场规模将超过2 000 亿元。

目前，数据中心用电量约占全社会用电量的1.8%，由于数据中心高耗能，北京、上海、深圳等一线城市或浙江、江苏等发达省份严格控制数据中心的建设规模，其中浙江规定新建数据中心PUE（电能利用效率）低于1.5[3]。

在此背景下，可通过配套建设燃气分布式供能系统对数据中心进行冷电联供，实现能源梯级利用及电力就地消纳，从而降低数据中心PUE值，由此促进数据中心项目落地。受此因素影响，数据中心燃气分布式供能系统近年来成为行业讨论热点[4-7]。

本文以杭州地区某数据中心燃气分布式能源项目为例，从技术、经济角度分析论证燃气分布式能源为数据中心供能的节能性及经济性，为同类型项目开发提供指导意见。

1 燃气分布式供能系统适用性分析

1.1 数据中心能耗分析

数据中心包括机房IT（信息技术）设备，以及空调系统、电源系统、照明系统等辅助基础设施。据《中国数据中心冷却技术年度发展报告2016》显示，IT 设备系统能耗占数据中心总能耗的45%，空调系统能耗占比为40%[8]。

PUE 是评价数据中心能源效率的指标，指的是数据中心消耗的所有电量与IT 负载消耗的电量之比。PUE 值越接近于1，表示数据中心越节能[9]。我国早期建设的数据中心PUE 基本在2.0～2.5，近年来，全国数据中心能效水平进一步提升，在用超大型数据中心平均PUE 为1.63，大型数据中心平均PUE 为1.54，仍有进一步降低的空间[10]，详见图1。

图1 2016 年数据中心能耗组成

1.2 燃气分布式供能系统适用性

燃气分布式供能系统是指利用天然气为燃料，通过冷热电三联供等方式实现能源梯级利用，综合能源利用效率在70%以上，并在负荷中心实现就近供能的现代能源供应方式[11]，包括楼宇型及区域型2 种类型。

数据中心与燃气分布式供能系统有很好的匹配性。一是数据中心需求的冷电比接近1:1，与燃气分布式供能系统供能特性相匹配；二是数据中心负荷稳定，可保证燃气分布式供能系统全年高效运行，提高系统利用率。同时，燃气分布式供能系统与市电相结合，可以为数据中心提供一路可靠电源，提高数据中心的供能安全性[7，12]。

2 数据中心负荷分析

杭州市某A 级数据中心规划建筑面积10 000 m2，配置2 000 个机架，IT 设备功率密度有5 kW/柜和7 kW/柜2 种类型。机房楼内设置运维办公场所。

2.1 电负荷分析

数据中心电负荷需求主要包括IT 设备、空调风机、新风通风、UPS（不间断电源）损耗、安防照明等。根据数据中心提供的资料，扣除空调系统制冷负荷，数据中心全年电负荷为11.89 MW，其中IT 设备使用功率为9.98 MW，其他设备电负荷为1.91 MW，详见表1。

表1 数据中心电负荷情况 kW

数据中心电负荷需求与数据中心具体业务相关，全年运行基本稳定无波动。

2.2 冷负荷分析

2.2.1 气象参数

杭州属夏热冬冷地区，其全年干湿球温度曲线如图2 所示。根据《采暖通风与空气调节设计规范》，杭州地区空调设计所采用的室外气象参数见下：

大气压力：冬季1 020.9 kPa，夏季1 000.5 kPa

供暖室外计算温度：-1 ℃

冬季通风室外计算温度：4 ℃

冬季空气调节室外计算温度：-4 ℃

夏季空气调节室外计算干球温度：35.7 ℃

夏季空气调节室外计算湿球温度：28.5 ℃

夏季通风室外计算温度：33 ℃

日平均温度≤5 ℃的天数：61 天

极端最低温度：-9.6 ℃

极端最高温度：39.9 ℃

图2 杭州全年干湿球温度

2.2.2 冷负荷分析

数据中心机房冷负荷包括机房主要工艺设备散热量形成的冷负荷、围护结构传热形成的冷负荷以及照明散热和人体散热形成的冷负荷。

机房主要工艺设备散热量形成的冷负荷是机房空调负荷的重要组成部分，属于稳定冷负荷，IT设备电功率的97%转换为散热量[13]，该部分约占总热量的80%以上。围护结构传热形成的冷负荷主要是太阳辐射热通过机房的屋顶、墙壁等围护结构所传入的热量和因室内外温差所引起的传热量两部分之和，主要出现在夏季，需求占比不到总体负荷的5%。照明散热和人体散热等非工艺设备散热形成的冷负荷因房间的功能不同，模拟出各房间的冷负荷也不尽相同。另外，数据中心所设的新风系统设有温度处理（表冷器、加热器）及亚高效过滤器。新风取自室外，经过滤加热等处理达到机房露点温度后送入机房吊顶内，与机房空调机组回风混合后，再送入室内所需区域。数据机房的新风降温除湿处理采用风冷直膨式新风机组，消耗电能，因此不会对数据机房带来额外热源。

经测算，数据中心IT 设备散热量、空调风机散热量、照明及人员散热量（除围护结构负荷外）的冷负荷为11.25 MW，其中IT 设备冷负荷为9.74 MW。

负荷对外界气候环境变化不显著，经分析全年波动仅在围护结构负荷上存在少量差异。以表1 杭州全年干湿球温度及相关气象参数为基础，利用华电源软件进行数据中心围护结构负荷模拟，结果见图3。

图3 数据中心全年冷负荷曲线

3 能源站建设方案

3.1 装机方案

能源站项目设计工况下数据中心全年电负荷需求11.89 MW，全年平均冷负荷需求11.15 MW，据此进行装机选型设计。

按照10%负荷需求配置冗余，建设4 400 kW级别燃气内燃机3 台。通过内燃机组发电直供，内燃机排放高温烟气及缸套水通过烟气热水型吸收式溴化锂机组吸收制冷，配套安装3 台4.3 MW离心式冷水机组以便吸收式机组故障或谷段电价时刻备用，安装1 台800 m3蓄冷水罐，满足20 min 的紧急供冷。系统图见图4，设备主要技术参数见表2。

表2 主要设备参数

图4 燃气分布式供能系统

3.2 运行方案

根据数据中心电冷负荷特点（电冷负荷基本匹配），本方案选择以燃气内燃机发电机组作为主体设备，高温烟气和热水作为热源驱动溴化锂机组制冷可以满足数据中心负荷需求，不足部分由两路市电补充。

考虑杭州地区执行峰平谷分段电价，从提高运行经济性角度出发，峰平电价时段与谷段电价时段执行不同运行策略安排。

峰平电价时段，采用“燃气分布式内燃机+烟气热水型溴化锂机组”运行，为数据中心供电、供冷。当发电机组负荷降低，难以满足数据中心电负荷需求时，市电补充。冷负荷波动，溴化锂机组提供冷量小于数据中心需要冷量时，离心式电制冷机运行补充。内燃机的高温烟气及缸套水提供热量过多时，高温烟气通过电动三通阀排空，保证机组正常运行。

谷段电价时段，采用“市电+离心式电制冷机组”运行方式。能源站全年运行指标见表3。

表3 能源站运行指标

4 经济性分析

4.1 数据中心燃气分布式能源站经济性

4.1.1 投资估算

按照《电力建设工程估算指标（2016 版）》进行投资估算编制，结果见表4。能源站静态总投资1.87 亿元，其中建筑工程费2 240 万元，占比12.0%；设备购置费11 082 万元，占比59.36%；安装工程2 654 万元，占比14.21%；其他费用1 805 万元，占比9.67%；基本预备费889 万元，占比4.76%。

表4 能源站系统投资概算 万元

4.1.2 财务评价

主要成本参数：资本金占比30%。直供电价，参照杭州市35 kV 大工业电价，峰平时段电价按九五折优惠；含税气价2.37 元/m3；水价按市政自来水价2.5 元/t；维修费率前三年取2.5%，之后取5%；保险费率0.25%；材料费按发电量计，取8 元/MWh；其他费用10 元/MWh。能源站定员10 人，人均年工资10 万元，福利费系数取60%。直供电税率取13%；供冷税率取9%；天然气税率取9%。

在以上边界条件内按IRR（内部收益率）为8%反算得到项目供冷价格为0.366 元/kWh，与同类型项目0.46 元/kWh 相比[14]，具有一定优势。

若能源站所发电力全额上网，电价执行浙江燃气分布式临时上网电价0.65 元/kWh，冷价按照0.46 元/kWh，此时项目IRR＜0，能源站不具备盈利能力。

4.2 与传统市电方案对比

4.2.1 模式一：能源站由第三方建设

能源站由发电集团、燃气集团、地方能源集团等投资方建设，对数据中心进行冷、电联供，直供电价取市电电价的九五折，冷价为0.366元/kWh。此时“燃气分布式+市电”供能方案与传统两路市电方案相比，数据中心年用能成本见表5。

表5 2 种方案用能成本对比

传统两路市电方案PUE 值为1.51，“燃气分布式+市电”方案PUE 降低至1.32。不考虑用能经济性，若谷段电价时段仍通过燃气分布式供能系统对数据中心供能，PUE 有望进一步降至1.19。

从用能成本考虑，传统市电方案年用能成本为9 022.16 万元，“燃气分布式+市电”方案用能成本为10 874.66 万元，较两路市电方案增加了1 852.50 万元。对数据中心业主而言，燃气分布式供能方案虽然降低了数据中心PUE 值，但年用能成本有明显提高，这是限制数据中心燃气分布式能源站开发的主要因素[15-16]。

依据4.1.2 节财务评价条件，经测算知能源站气价与供冷价格呈线性关系（见图5）。当气价为1.712 元/m3时，“燃气分布式+市电”供能方案与两路市电方案供能成本相当；当气价低于1.712元/m3时，“燃气分布式+市电”供能成本更具经济性。

图5 模式一条件能源站气价与数据中心年用能成本变化示意

4.2.2 模式二：能源站由数据中心业主建设

若燃气分布式供能系统由数据中心业主自建，从数据中心供能成本考虑，主要包括燃气分布式能源站供能成本及数据中心谷段电价成本。其中，燃气分布式能源站供能成本主要包括燃料成本、水费、材料费、检修费、人工及福利费、折旧费、修理费以及相关财务费用，详见图6，寿命期内平均成本为5 792 万元。综合考虑数据中心谷段用电成本，此时数据中心年用能成本为7 950.01 万元，相较两路市电供能方案，年节省用能成本1 072.15 万元，节能效益可观。

图6 模式二条件燃气分布式能源站年运行成本

图7 模式二条件气价与数据中心年用电成本变化

测算得到该模式下气价与数据中心年用能成本关系如图7 所示，当气价低于3.080 元/m3时，“燃气分布式能源站+市电”联合供能模式更具经济性。

5 结论与建议

随着5G 技术、物联网技术的演进与迭代，数据中心的市场需求将持续扩大。受能耗高的影响，在发达省市项目落地较为困难。燃气分布式供能系统有助于数据中心节能，降低数据中心PUE 值，为数据中心在发达地区的建设提供有力支持。通过对数据中心燃气分布式供能系统的方案对比及经济性分析，可以得到以下主要结论：

（1）燃气分布式能源站作为数据中心的配套能源供应系统，有助于降低数据中心PUE 值，节能效果显著，但是否有助于降低数据中心年用能成本值得商榷。供能经济性是制约燃气分布式供能系统为数据中心供能的主要因素。

（2）从目前市场条件考虑，由数据中心业主投资建设燃气分布式能源站更为合适，数据中心用能成本显著降低。地方能源公司、燃气公司等其他投资机构受直供电政策壁垒、供能价格及投资收益指标等因素限制，为数据中心建设配套分布式能源站需结合边界条件做详细财务论证。