新型燃气分布式能源与数据中心耦合供能技术

朱良君，王世朋，谢玉荣，赵大周

新型燃气分布式能源与数据中心耦合供能技术

朱良君，王世朋，谢玉荣，赵大周

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

随着计算机云技术的发展，数据中心建设已进入快速发展阶段。数据中心机房具有稳定的电负荷以及全年高冷负荷的特征，具有很高的供能可靠性，对供能系统也提出了较高的要求。分布式能源系统具有高效环保、运行灵活等特点，通过分布式能源系统的梯级用能方式为数据中心供能，实行冷热电联产，实现能源的综合配置与优化，能够大大提高数据中心的值。以浙江省某规划设计数据中心为例，设计了一套天然气分布式能源系统。进行供能可靠性、污染物排放及综合效益分析评价，评价结果显示分布式能源与数据中心耦合供能相结合的技术方案，使能源站综合能源效率达到84.5%，数据中心供能值降低至1.35，具有极好的节能减排效益。

数据中心；电能利用效率；分布式能源系统；云计算

在社会信息化与互联网经济飞速发展的进程中，云计算、物联网、大数据等新一代IT技术蓬勃兴起，与此相对应的各种大型数据中心应运而生[1]。2015年政府明确指出“互联网+”行动计划，提出了“实施国家大数据战略，推进数据资源开放共享”建议，在《软件和信息技术服务业“十三五”发展规划》中提出，“十三五”期间行业整体市场复合增长率超过24.5%[2]。在政策鼓舞与时代浪潮下，中国的信息技术和数据通讯行业发展迅猛。2010—2017年，中国IDC市场规模从102.2亿元增长到946.1亿元，平均增长率为37.8%，是全球平均增长率的2倍以上[3]。数据中心的电负荷与冷负荷稳定可靠，天然气分布式的能源供应多样，燃气分布式与数据中心相耦合，实现能源梯级利用，大大提高综合能源利用率及数据中心值，使得数据中心燃气分布式成为行业研究热点[4]。

1 数据中心供能分析

数据中心作为一种典型的高能耗大用户，具有极高的供能稳定性。其供能方式通常采用市电作为电源，大型集中式电空调作为冷源，但这种能源利用方式的电冷负荷均通过电力满足需求，因此，对电负荷要求较高，严重依赖电网，能源综合利用率较低，造成数据中心的能源利用效率较高，不利于数据中心的节能[4]。

能源利用效率（Power Usage Effectiveness，）是评价数据中心能源利用效率的指标，=数据中心全年总耗电量/IT设备全年耗电量，值大小反应数据中心能耗情况，值越小则表明用于除IT设备以外的耗电越少，数据中心越节能[5]。数据中心的能耗主要来源为IT设备、制冷系统、配电系统、照明及其他能耗，其中制冷设备能耗约占35%，如何有效地降低数据中心制冷系统的能耗，是降低值的关键[6]。

目前而言，国内数据中心的绿色化水平低、能耗普遍较高，值普遍达不到绿色数据中心的要求（1.5以下）。北京、上海、天津等地方政府要求当地建设的数据中心值应在1.5以内，降低数据中心值是新建机房的重大指标任务。

2 天然气分布式与数据中心耦合

天然气分布式能源系统通常被称为天然气冷热电三联供，即CCHP（Combined Cooling，Heating and Power），典型的天然气分布式供能系统如图1所示，天然气与压缩空气在燃烧室内燃烧，通过燃气轮或燃气内燃机膨胀做工并驱动发电机发电，排出的高温烟气结合余热锅炉与汽轮机、余热吸收制冷机等余热利用设备进行余热利用，为用户提供热负荷与冷负荷，实现冷热电联产，这样的能源梯级利用与综合利用方式，使得能源利用合理、能耗较小、配置灵活、系统经济性好，能够使能源利用效率达到70%以上，同时还可以改善电源结构，削峰填谷，提高供电安全和应急能力[7]。

图1 典型天然气分布式供能系统

对于大型数据中心这样的用能单位来说，其负荷特点是冷电需求较大，热负荷需求较小，并且负荷波动相对较小，适合采用分布式供能系统进行冷电联供。

天然气分布式能源系统则完全符合数据中心这一能源特点，通过天然气分布式系统为数据中心提供电能以及冷能，结合分布式系统的梯级用能方式，有效地降低了数据中心的制冷系统能耗[8]，对提高能源的综合利用效率具有重大意义。

3 数据中心负荷需求

该数据中心项目规划建设2 397个A级数据机柜，每台标准模块机房机柜电量密度为5 kW/rack，拟规划17个机房模块，规划设计机房占地面积约7 000 m2，分三层布置。

3.1 电负荷分析

数据中心耗电设备分为IT设备、辅助设备、消防设备、其他设备，根据统计，数据中心IT设备的实际使用功率统计约14 910 kW，如表1所示，其他用电设备装设功率为 2 020 kW，总计电负荷约16 930 kW，数据机房负荷稳定，全年运行时基本无较大波动。

表1 数据中心机房模块电负荷功率

机房模块类型模块个数每个模块机柜数IT模块功率密度（kW/m2）机房总面积/m2IT模块电功率/kW其他设备电功率/kW 模块12811.645008202 020 模块22201.11180200 模块3111972.55 50013 750 模块42141.27110140 总计17——6 29014 91016 930

3.2 冷负荷分析

数据中心机房具有设备发热量大、功率密度大、使用系数大、单位面积空调冷负荷极大、对空调系统的依赖性强以及较高的供能可靠性等特点。机房主要工艺设备包括电子信息设备等其他辅助设备，设备的散热量约占总热量的80%以上，参照包含了机房IT设备散热及照明、人员、空调风机等冷负荷，冷负荷合计为16 022 kW。

表2 数据中心机房模块冷负荷

机房模块类型模块个数IT冷负荷/kW总空调负荷/kW其他冷负荷/kW 模块124559102 640 模块22128256 模块3111 08011 880 模块42168336 合计17—13 38216 022

4 能源站建设方案

4.1 能源站装机方案

能源站装机根据负荷需求及数据中心负荷等级和分类要求，拟建设4套4.3 MW级的燃气内燃机组及配套烟气热水型溴化锂制冷机组，辅以电制冷机组备用，以及其他配套设施。系统主要设备内燃机功率为4.3 MW，效率为44.1%，排气温度为405 ℃；烟气热水型溴化锂制冷量为4.13 MW，冷冻水额定出入口温度为7/12 ℃；单台离心式冷水机组制冷量为4.22 MW。

数据中心分布式能源系统供应流程如图2所示。

根据数据中心冷负荷、电负荷特点，以内燃机发电机组作为主体设备，发电供能源站及数据中心机房使用，为机房IT设备供电。

以内燃机高温烟气余热和高温缸套水为热源，利用烟气热水溴化锂机组作为制冷设备制取冷能，结合离心式冷水机组为数据中心提供冷却水。内燃机发电机组与电网并网连接，当内燃机组出力不足，满足不了数据中心电负荷需求时，市电及时补充，以保证数据中心供能系统稳定性。

图2 数据中心分布式能源系统供应流程图

4.2 能源站运行方案

能源站运行方式——燃气内燃发电机组作为主要电力设备，4台机组同时运行，平均负荷率在98%左右，溴化锂机组为数据机房提供冷能，在检修或突然停机等突发事故时，切换至市电进行供电并启动电制冷机为数据中心提供冷能，保证数据中心供能稳定性。能源站技术经济运行指标如表3所示，全年机组等效运行为7 155 h，热电比达0.946，综合能源利用效率为84.48%。

5 经济性分析

5.1 投资估算

本数据中心能源站拟建设4套4 300千瓦级内燃机组、溴化锂机组及离心冷水机组，能源站包括内燃机组、溴化锂机组及配套冷冻冷却水系统、离心冷水机组及配套冷冻冷却水系统、站房、室外冷冻水管道、补给水系统设施等。项目计划总资金（含数据机房建筑）为18 435.2万元，单位投资10 718元/千瓦时，投资估算表如表4所示。

表3 能源站运行指标

参数类别数值 装机规模/kW17 200 运行机组台数/台4 天然气热值/（kJ/m3）33 300 全年等效运行小时/h8 504 全年供电量/万千瓦时14 397 全年供冷量/万千瓦时13 625 全年天然气年消耗量/万立方米3 017 热（冷）电比0.946 综合能源利用效率/（%）84.5

表4 能源站系统投资费用概算

费用名称万元 建筑工程2 267.52 设备购置11 168.08 安装工程3 248.32 其他费用1 751.36 总计18 435.2

5.2 经济效益分析

新建燃气分布式能源站供能与采用市电供能方式相比，用能成本经济性以及降低数据中心值方面均具有很强的优越性，具体数据如表5所示。

表5 采用分布式与市电用能成本分析

参数项目市电供能燃气分布式+市电供能 全年耗电量/万千瓦时17 803.314 397.0 IT设备/万千瓦时10664.410 664.4 尖峰段电量/万千瓦时1 483.8— 峰段电量/万千瓦时8 904.2— 谷段电量/万千瓦时7 415.3— 冷量/万千瓦时—14 397 尖峰段电价/（元/千瓦时）1.044— 峰段电价/（元/千瓦时）0.865 4— 谷段电价/（元/千瓦时）0.392 4— 冷价/（元/千瓦时）0.366— PUE值1.671.35 用能成本/万元12 1659 746 单位用能成本/（元/千瓦时）0.683 30.676 9

采用燃气分布式为数据中心供能，数据中心值与采用传统市电相比，市电供能值为1.67，而采用燃气分布式供电可以将值降低至1.35；在供能成本方面，由于燃气分布式综合利用效率达84.48%，实现了能量梯级利用，大大提高了能源利用率，单位供能成本仅0.676 9元/千瓦时，低于市电供能成本0.683 3元/千瓦时。

5.3 节能效益分析

数据中心采用燃气分布式进行供能，能耗稳定，负荷波动较小，装机匹配合理，使得该分布式能源系统能够取得良好的经济效益；同时由于分布式供能的特殊性，其不再完全依赖于电网直供电，有效提高了数据中心用电用冷的可靠性；清洁能源的使用使每年标煤使用量减少61 800 t，减少粉尘排放14 100 t，减少二氧化硫排放2 300 t，减少二氧化碳排放170 000 t，节能减排效果明显；天然气分布式与数据中心耦合供能方式为城市打响“蓝天保卫战”有极大促进作用，有效减小对大气的影响。

6 结论

天然气分布式能源系统与数据中心供能耦合供能方式能有效促进节能减排。采用天然气作为能源，因地制宜地在负荷中心建设能源站，具备典型的楼宇天然气分布式能源站的特征，能够实现能源梯级利用，大大提高能源效率，降低输电网络系统网损，提高数据中心供能的可靠性，具有很好的节能减排作用。采用天然气作为清洁能源，与传统煤电相比，大大减少原煤消耗，降低SO2的排放量和烟尘排放量，大大改善了当地的能源结构。该分布式能源站采用冷热联供方式，数据中心具备稳定冷源与电源，能源综合利用效率可以达到84.5%，数据中心值低至1.35，节能减排综合效益明显。

［1］沈洪流.数据中心天然气分布式能源系统供电方案设计［J］.浙江电力，2018，37（10）：14-18.

［2］王世朋，赵大周，柯冬冬，等.杭州数据中心燃气分布式能源典型方案及经济性分析［J］.浙江电力，2019（10）：20-25.

［3］印佳敏，陈泽韩.天然气分布式能源系统在大型数据中心的应用研究［J］.南方能源建设，2015，2（2）：52-56.

［4］徐涛.某医院天然气分布式能源项目方案的投资决策分析［D］.天津：天津工业大学，2017.

［5］李晓.天然气分布式能源系统在数据中心的应用［J］.低碳世界，2016（17）：72-73.

［6］马天顺.数据中心机房空调设计［J］.中华建设科技，2017（8）：96-97.

［7］蔡洁聪，韩高岩，国旭涛，等.浙江省天然气分布式能源发展及建议［J］.浙江电力，2019，38（1）：25-29.

［8］王健.燃气分布式能源在某医院中的应用分析［J］.上海节能，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，初级工程师，研究方向为余热高效利用、分布式能源、综合能源服务。

〔编辑：张思楠〕