楼宇型分布式能源系统在数据中心的应用

陈卉，刘颖，赵龙生

（1.东南大学建筑设计研究院有限公司，南京210096；2.南京工业职业技术大学，南京210096）

0 引言

数据中心的电负荷、冷负荷需求量大，且负荷全年波动范围小，较为稳定。数据中心电负荷系统及空调系统需全年不间断运行，以保证数据通信设备运行的可靠性和有效性。数据中心用能设备包括服务器、交换机等互联网技术（Internet Technology，IT）设备，还包括空调、配电等辅助系统。目前在数据中心能效水平状况下，数据中心IT 设备大约占总能耗50%，空调系统能耗占总能耗约40%，其电负荷和冷负荷比例接近1。用于数据中心的天然气分布式能源站通常也能实现约44%的发电效率和约46%的余热利用效率，当采用能效比（COP）在1左右的溴化锂吸收式制冷机组时，其供电、供冷比例接近于1。天然气分布式能源站的供电、供冷比例与数据中心的电负荷、冷负荷比例接近，可保证能源利用的充分性和稳定性。其特殊的用能结构非常适宜采用分布式能源系统［1-7］。

天然气作为一种清洁低碳化石能源，在能源结构转型中发挥重要作用，围绕国家提出的“30·60”碳排放目标特别是2030年前碳排放达峰的要求，响应国家能源消费结构向清洁低碳加快转变，本文搭建天然气分布式能源系统（CCHP 系统），使能源消费结构向更绿色、低碳方向发展。CCHP 系统以天然气为原料，通过燃气发电机组发电，所发电力与市电共同满足用户端的电力需求，同时采用余热利用设备（溴化锂空调、换热器等）满足用户端的冷热负荷需求，实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70%以上，并在负荷中心就近实现现代能源供应方式，是天然气高效利用的重要方式［7］。与传统集中式供能方式相比，天然气分布式能源具有低碳清洁环保、能效高、安全性好、削峰填谷、经济效益好等优点，是高碳模式向低碳模式的经济增长的转变方式。将天然气分布式能源系统应用到数据中心中，不但能够满足数据中心的电与冷负荷需求，减少能源费用，更可以与传统的数据中心供能方式互为补充以满足数据中心用能安全性的特殊需求。

1 数据中心项目概况

某数据中心项目位于常熟新规划的城铁片区内，占地面积2.35 公顷，共设2 座互联网数据中心（IDC）机房楼及其他建筑物，均按民用建筑设计，该数据中心依据《数据中心设计规范》A级标准进行设计。#1和#2 IDC机房楼机架数量均为2 800个，单机架面积7.5m2，电源使用效率（PUE）年平均值1.35。

数据中心能源需求主要是电能和冷能。数据中心的主要用电是服务器、交换机等IT 设备用电，且数据中心需要常年提供足量的空调冷负荷。

2 冷、电负荷分析

2.1 电负荷分析

数据中心用电负荷常年稳定运行，负荷波动较小。数据中心IT 负载约37 MW，数据中心引入110 kV 变电站的最低容量为20 MV·A（即必须用掉20 MV·A 的电量）。因此，数据中心耗电量扣除该部分的输入电量即为能源站的供电负荷。能源站需供应的电负荷为17 MW。数据中心用电系统采用双路电源，保证了供电安全性和可靠性。

2.2 冷负荷分析

数据中心设计方根据《采暖通风与空气调节设计规范》，查询国家气象标准中苏州的室外设计参考指标参数和室内设计参数，并由《计算机房空调设计》中的计算公式，估算出机房的冷负荷约50 MW。所需冷冻水供回水温度暂定为15∕21℃，水流量为7 200 m3∕h。空调系统每天24 h 运行，负荷常年波动不大。根据上述对数据中心冷、电负荷分析，能源站设计负荷见表1。

3 能源站供能方案

通过比较分析，冷∕电源采用N+1 设计，得出该数据中心推荐配置方案：5 台单机装机容量为4.5 MW 级燃气内燃机（4 用1 备）+5 台3 917 MW 烟气-热水型溴化锂冷水机组（4 用1 备）+5 台9 100 kW 离心式电制冷机组（4 用1 备）+2 台7 000 kW 电制冷机组［8-11］。能源站系统流程如图1所示，系统配置如图2所示。

表1 楼宇式分布式能源站设计负荷Tab.1 Design load of the building distributed energy station /kW

图1 数据中心楼宇式分布式能源系统示意Fig.1 Building-type distributed energy system for a data center

图2 能源站系统配置Fig.2 Configuration of the energy station

为保证供冷可靠性，能源站空调冷冻水系统采用二级泵系统，一级泵冷冻水系统母管为双供双回环形管网系统，二级泵冷冻水系统为双管路系统，按管路系统2N 冗余设计，供回水系统分别接入集、分水器；为提高数据中心PUE，降低基础设备能耗成本，冷冻水供回水温度设定为15∕21℃。

能源站采用二路供冷水的系统，设置有2 个蓄冷罐，蓄冷罐直径9 m，体积为595 m3。水蓄冷作为应急冷源，满足系统运行15 min 的冷量，可保证双冷源平稳切换［12-13］。

数据中心制冷系统冷却水的设计方案是基于闭式冷却塔自然冷却的形式，冷却水系统母管为环形管网系统，保证安全可靠性，冷却水供∕回水温度分别为32∕37℃。冷却水系统包括冷却塔30 台（28台运行，2 台备用）、冷冻水泵、冷却水泵、板式换热器等。为了更好地节约能源，降低数据中心PUE，设计采用室外自然免费冷源，即冬季采用开式冷却塔+板式换热器提供自然冷却免费制冷方式［14］。

为保证供电安全可靠，能源站拟以双回10 kV的电压等级接入数据中心110 kV开闭所的10 kV母线。能源站内建设一座10 kV 配电间，10 kV 接线为单母线分段接线，能源站第一解列点为10 kV 联络开关，后备解列点设置在发电机出口开关。第1 并列点设在发电机出口开关处，第2并列点设在10 kV联络开关处。

另外，为了满足常熟地区NOx的排放要求，推荐采用选择性催化还原（SCR）法脱硝工艺进行烟气脱硝，布置在内燃机尾部与烟气-热水型溴化锂机组之间，将NOx排放质量浓度降至50 mg∕m3以下，实现达标排放，脱硝工艺流程如图3所示（图中PLC 为可编程逻辑控制器）。

图3 脱硝工艺流程Fig.3 Denitrification process

4 能源站供能运行方案

4.1 夏季/过渡季供冷运行方案

4 台 燃 气发 电 机00：00—08：00 停 机 不 运行；08：00—24：00 满负荷运行，所发电力满足高峰时段（08：00—12：00，17：00—21：00）能源站内电制冷机组用电需求，富余电量满足数据中心部分电能需求，平价时段（12：00—17：00，21：00—24：00）电制冷机组从电网购电，内燃机发电量用于满足数据中心部分用电需求，平价时段和高峰时段数据中心不足电量均从网上购电。发电过程中所产生的烟气余热和高温缸套水通过4 台余热溴冷机组吸收利用，产生7 ℃的冷水。

4 台离心电制冷机以电为动力产生15 ℃的冷水，高峰时段所耗电量由内燃发电机供，平段和谷段从电网购电。夏季∕过渡季典型日制冷设备负荷分摊情况如图4所示。

图4 夏季/过渡季典型日制冷设备负荷分摊Fig.4 Load distribution of the refrigeration equipment on a typical day in summer/transition season

4.2 冬季供冷运行方案

结合当地气候特点，本项目冬季采用开式冷却塔+板式换热器提供自然冷却免费制冷方式，能源站免费制冷时间按1 080 h 计，无需开启冷冻水机组，节省了运行费用。

本文研究探索以求为建筑行业的可持续发展中BIM技术的广泛应用及结构配筋图智能化审核技术提供更完善的理论和实践方法。

5 技术经济性分析

5.1 约束条件

对于供、用电，其能量平衡公式如下

式中：P 为供应用户端电量；Pg为内燃机发电量；Pes为电网上网电量；Pex为电网下网电量；Pu为电制冷机消耗电量；∑Qec为制冷水泵及风机等消耗电量总和。

对于供冷设备，其能量平衡公式为

式中：Qc为供用户端冷量；Qyc为烟气-热水型溴化锂机组供冷量；Qec为电制冷机组供冷量。

能源站节能率公式如下

式中：r 为节能率；B 为联供系统年燃气总耗量，m3；QL为天然气低位发热量，QL=34.8 MJ∕m3；W 为联供系统年净输出电量，kW·h；ηeo为常规供电模式的平均供电效率，计算结果为38.57%；Q1为联供系统余热年供热总量，MJ，本案例为0；ηo为常规供热模式的燃气锅炉平均热效率；Q2为联供系统余热年供冷总量，MJ；COPo为常规供冷模式的电制冷机平均性能系数，可按5.0取值。

5.2 算例分析

5.2.1 技术指标分析

江苏省10 kV及以下大工业用电高峰段（08：00—12：00，17：00—21：00）电价为1.0 697元∕（kW·h），平段（12：00—17：00，21：00—24：00）电价为0.641 8元∕（kW·h），谷段（12：00—17：00，21：00—24：00）电价为0.313 9 元∕（kW·h），能源站供数据中心电价为0.80 元∕（kW·h）。为充分利用峰谷电价差，提高能源站经济效率，能源站内燃机谷段（00：00—08：00）不运行，数据中心从国家电网购电，能源站内用电亦从电网购入谷价电；能源站的内燃机（08：00—24：00）运行，高峰段，能源站用电设备由内燃机供，剩余电量供数据中心；平段，能源站供数据中心电价高于从电网平段电价，所以此时段能源站内燃机发电量全部供给数据中心，能源站内用电设备从电网购入电量。数据中心冷负荷（00：00—08：00）全部由电制冷离心机承担；数据中心冷负荷（08：00—24：00）由烟气-热水型溴化锂机组和离心式电制冷机组共同承担。

白天烟气-热水型溴化锂机组承担15 668 kW冷负荷，其余34 332 kW 冷负荷由离心式电制冷机组承担；夜间50 MW 冷负荷全部由离心式电制冷机组承担。能源站典型日供冷量如图5所示。

图5 能源站典型日供冷量Fig.5 Cooling capacity of the power station on a typical day

能源站内燃机夜间停运，白天发电功率为18 000 kW；能源站夜间用电负荷为9 064 kW，白天用电负荷7 430 kW；能源站平∕峰段供数据中心电负荷17 100∕9 670 kW；能源站谷段从电网购入电负荷9 064 kW，峰段不从电网购电，由内燃机供应，平段从电网购电负荷7 430 kW。

能源站典型日内燃机发电量、制冷相关设备耗电量、下网电量及供数据中心电量如图6所示。

通过分析计算［15］，得出主要技术数据，能源站内燃机年耗天然气量2 453 万m3∕a，年供电量104.71 GW·h，综合能源利用效率79%，热电比91.6%，内燃机标准工况主要技术指标见表2。

5.2.2 经济指标分析

（1）边界条件。能源站财务评价需在特定边界条件下评估，设定的边界数据见表3。

（2）经济指标。能源站静态投资25 396 万元，税后内部收益率9.43%，投资回收期9.73 年，经济上是可行的，能源站主要经济指标见表4。

图6 能源站典型日相关电量Fig.6 Electricity consumption of the power station on a typical day

表2 内燃机标准工况主要技术指标Tab.2 Main technical indicators of the internal-combustion engine

5.2.3 敏感性分析

为分析能源站抗风险的能力，将总投资、发电量、天然气价格和供电价格作为敏感性因素，分析结果如图7 所示。由敏感性分析可知，税后内部收益率对天然气价格和供电价格变化十分敏感［16］。

表3 财务评价计算边界条件Tab.3 Boundary conditions for the financial evaluation

表4 主要经济指标Tab.4 Main economic indicators

图7 敏感性分析Fig.7 Sensibility analysis

6 节能及环境效益分析

6.1 节标煤量及节能率

天然气分布式能源系统梯级利用，提高了天然气能源使用效率，起到节能减排目的，减少碳排放量。经分析计算，该能源站节约标准煤量为12 564 t∕a。CCHP 系统节能率22.6%，满足并高于国家标准《燃气冷热电联供工程技术规范》（GB 51131—2016）中节能率大于15%的要求。

6.2 环境效益

天然气分布式能源系统可有效降低碳排放量，使能源站获得碳排放收益，能源站投运后，具有年减排烟尘2.2 t，二氧化硫20.63 t，氮氧化物减排量37.27 t，二氧化碳减排量10 200 t，碳排放及相关污染物减排效果较明显，低碳环保［17-18］，污染物减排情况见表5。

表5 CCHP系统污染物减排一览表Tab.5 Reduced pollutant list of the CCHP system /（t·a-1)

7 结论

数据中心常年负荷大且稳定，使得其配套的能源站综合能源利用效率高，接近80%。能源站利用峰谷电价差提高其经济效益，投资税后内部收益率9.43%，经济性可行，具有一定的抗风险能力。能源站运营成本主要受天然气价格制约，综合考虑节能减排、低碳经济等因素，笔者认为在未来天然气价格进一步下降的情况下，降低运行成本后，该方案具有一定的推广意义。