燃气三联供系统在数据中心的应用探究

徐 嘉，林武隽，张 渊，刘永彬

（中国电信股份有限公司北京分公司，北京 100032）

0 引 言

随着数据中心大型化和高密度化的空前发展，其能耗在社会总能耗中所占的比重逐年提高，由此引起了政府相关主管部门对数据中心节能的高度重视，先后出台多项政策文件，部署和推进数据中心先进适用技术、绿色数据中心建设和相关节能标准。工信部等部门于2019年发布的《三部门关于加强绿色数据中心建设的指导意见》中明确提出：到2022年，新建大型、超大型数据中心的能耗效率（Power Usage Effectiveness, PUE）达到1.4以下。

数据中心能耗中约35%以上源于全年不间断供冷，因此开展数据中心冷却系统节能关键技术的研究具有重要意义。除制冷系统控制策略、自然冷却技术和气流组织与液冷技术等热点节能措施外[1]，从供冷的源头着手寻求节能突破亦是降本增效的有效途径之一。

本文以天津某大型数据中心实际工程为研究对象，从理论上分别对使用蒸汽压缩式、直燃型和蒸汽型溴化锂吸收式3种制冷方案进行技术经济对比。结合蒸汽型吸收式制冷可使用低品位热能的技术特点，针对主用燃气三联供（Combined Cooling, Heating and Power, CCHP）系统在数据中心的应用进行探究，以期为实际制冷方案的选择提供技术参考。

1 工程概况

天津某处于设计规划阶段的大型数据中心，共4栋，每栋6层，建筑面积共7.8万 m2。单栋IT机柜数量约3 920个，单机柜功率主要为5 kW、部分为7 kW，4栋机楼共约15 680个机柜（后期可扩容）。经统计，4栋数据中心总设计用电负荷约为59 732.1 kW。

1.1 空调冷负荷概况

数据中心冷负荷主要包含IT设备发热量、高低压配电发热量、电池发热量以及建筑和照明负荷。以《中国电信绿色数据中心建设技术要求》为依据，选配数据中心空调主系统的同时系数和需用系数，如表1所示。由于本项目主要所属为对外数据中心，因此单栋数据中心空调主系统的综合系数为：0.92×0.85=0.78。经计算，单栋数据中心设计冷负荷约为17 857.4 kW，4栋数据中心空调设计冷负荷为71 429.6 kW（20310RT）。

表1 数据中心空调负荷计算同时系数和需用系数

1.2 总体制冷方案

为充分利用华北地区自然冷源可持续时长的优势，总体采用“制冷主机+自然冷源”的供冷方案。当室外湿球温度连续3日低于10 ℃时，热备制冷主机，采用“冷却塔+板换”的自然冷源模式为数据中心散热；当室外湿球温度连续3日高于10 ℃时，使用制冷主机为数据中心供冷。当室外湿球温度低于10 ℃时，冷却塔的逼近度按照4 ℃进行测算，则冷却塔自然冷却时，室外湿球温度的阈值为10 ℃。根据天津当地典型气象年中的室外气象参数，全年室外湿球温度＜10 ℃的时长为4 259 h，即制冷主机供冷的时长为：8 760 h-4 259 h=4 501 h。

由于上述3种冷却方案中，各主机和自然冷源的运行时间分别相同，为了更加直观地对比蒸汽压缩式、直燃型和蒸汽型溴化锂吸收式3种制冷主机的技术经济性，本文仅针对制冷主机供冷时段（4 501 h）的经济性进行对比。

2 技术经济性对比

2.1 技术原理比较

蒸汽压缩式和吸收式制冷同属于相变制冷，即均利用低沸点的液体或者让液体在低温、低压条件下气化，吸收循环载冷剂（多为水或有机溶液）的热量，产生冷却效应。如图1所示，除主要循环过程和组成部件的不同外，两者最主要的区别在于，从能源驱动的角度来看，蒸气压缩制冷依靠电能驱动压缩机做功来完成制冷循环，而溴化锂吸收式制冷则是依靠热能来驱动；从制冷剂的角度来看，蒸气压缩制冷依靠常规氟利昂的相变吸热，而溴化锂吸收式的制冷剂则为水。

图1 蒸气压缩式和吸收式制冷工作原理

吸收式制冷按输入侧能源种类的不同又可分为直燃型和蒸汽型。

从蒸汽压缩式和吸收式制冷的技术原理及组成可以看出，与蒸气压缩式制冷相比，溴化锂吸收式制冷具有以下特点：

（1）耗电量非常小，其耗电设备主要为循环泵，可大幅降低用电能耗，但直燃型以大量消耗一次能源为代价，是该机组运行成本的主要部分，适用于燃气等能源价格相对较低的地区；

（2）热能的可利用性要求宽广，除一次能源的直接利用外，蒸汽型也可利用低品位的工厂余热和废热等低品位热能；

（3）不使用氟利昂类制冷剂，制冷剂为水，ODP（消耗臭氧潜能值）和GWP（全球变暖潜能值）均为零；

（4）制冷能力有限，溴化锂吸收式冷水机组的最低出水温度约为4 ℃，而蒸汽压缩式制冷可以制造出0 ℃以下的冷水（多为有机溶液）；

（5）存在结晶风险，轻则影响冷机性能，重则导致机组停机；

（6）组成部件较多，结构复杂庞大，可靠性较差、维护难度较高。

2.2 工程取数

2.2.1 能源成本参数

根据天津发改委提供的相关能源价格，各能源使用量梯级费用经折算后，用电电价：0.778元/（kW·h），天然气价格：2.52元/m3，天然气热值8 700 kcal/m3，蒸汽（非余热、废热）价格：200元/t，蒸汽（非余热、废热）热值662 kcal/kg，自来水价格：6.9元/m3。

2.2.2 技术参数

根据工程所需的制冷负荷及总体方案，配设相应的冷冻水和冷却水系统等设备，3种方案的主机及配套设备技术参数统计如表2所示。

表2 各方案技术参数

2.3 经济性对比

由于蒸气压缩式和吸收式制冷的驱动能源不同，因而不能仅仅按照主机或者系统能效（Coefficient of Performance, COP）的高低，直接对其能效进行比较，而应从3个方案在相同运行时段的经济性差异着手。按照2.2节的工程取数计算，各方案运行费用统计如表3所示。

表3 各方案运行费用

以冷价作为各方案的对比标准，从上表可知，蒸气压缩式制冷方案的冷价明显低于吸收式制冷，即从运行费用的角度看，蒸气压缩式制冷方案的经济性最好，原因是：一方面，蒸汽压缩式制冷的能源利用率约为吸收式制冷的5倍，另一方面，吸收式制冷所需驱动热能的费用较高。就直燃型和蒸汽型吸收式制冷而言，作为二次能源的蒸汽，由于在一次能源的使用过程中存在能量损失，蒸汽型吸收式方案的冷价约为直燃型的1.1倍。

2.4 环境友好性对比

目前，我国有75%的电力生产以燃煤发电为主，所以火电不能称为清洁能源。从宏观上说，电制冷方式因发电排放的有害物质对环境的影响大于吸收式制冷。另外，压缩制冷机以氟里昂作为制冷剂，其对臭氧层具有破坏作用。直燃式制冷燃烧天然气、煤气或柴油等清洁能源，燃烧后的烟气排放符合国家相关的大气污染物排放标准。对于蒸汽型吸收式制冷，如采用冷热电联产的蒸汽作为驱动热，可认为其不再增加一次能源的消耗，对整体环境不产生新的排放污染，较为合理综合地利用了能源，最大程度保护了环境。

3 CCHP应用探究

通过前文的分析可知，虽然使用吸收式制冷可以极大程度地减少数据中心的电力消耗，即达到减小PUE（PUE=数据中心总能耗/ IT设备能耗）的目标，但从经济性的角度讲，吸收式制冷方案的平均冷价约超过蒸气压缩式制冷的28%，显然直接使用吸收式制冷方案并不经济。为了更好地提高吸收式制冷方案的适用性，结合2.1节所述“蒸汽型吸收式制冷可利用工厂余热和废热等低品位热能”的特点，本章将针对燃气冷热电三联供的应用进行探究。

3.1 CCHP概述

燃气冷热电三联供系统，是指以天然气为主要燃料带动燃气轮机或内燃机等燃气发电设备而产生电力，以满足用电需求。系统排出的高温废热烟气可达500 ℃，以此作为蒸汽型吸收式制冷机供冷的驱动。经制冷后的热量还可继续利用提供生活热水。冷热电的温度利用范围如图2所示。

图2 CCHP温度利用范围

经过能源不同形式和不同能量的梯级利用，CCHP系统使一次能源利用率从常规火力发电系统的40%提高到80%左右，同时减少温室气体的排放量。

3.2 CCHP可用性分析

CCHP系统以能量梯级利用为导向，将发电、制冷及供热（采暖或供热水）过程有机结合，如图3所示[1]。CCHP系统的一些特性与数据中心用电和用冷量大，24 h不间断供电、供冷，以及负荷波动较小的用能特点较匹配。所发的电能，可以全部就地为数据中心机房使用，不同于常规商用建筑，存在白天启用，晚间不用的情况。CCHP系统所产生的冷，同样可以全部用于机房的冷量需要，亦不像民、商用建筑，存在夏季需冷，冬季需热，过渡季不需要的情况。

图3 CCHP工作原理

此外，CCHP系统可以就近设置，并且系统组成相对集中，方便统一管理。因此CCHP系统成为解决数据中心能源需求、缓解电力紧张的一个重要选择，在数据中心作为主用电、冷源中具有较高的应用可行性。

3.3 CCHP经济性对比

就该项目而言，用冷负荷与电负荷比约为1.2，为此选配的主用某内燃型成套CCHP系统的额定参数如表4所示[2]。

表4 某内燃型成套CCHP系统技术参数

CCHP系统确定机组数量的原则一般包括“以电定冷”和“以冷定电”2种。由此，分别按照两种计算原则得到的内燃型成套CCHP系统数量为：14台（以冷定电）和18台（以电定冷）。结合数据中心的用能特点，首先要保证IT设备的稳定可靠运行，以及后期IT设备的扩容加电，因此应按照“以电定冷”的计算原则，即选配该型号CCHP系统18台。同样，本节仅针对CCHP系统供冷时段（4 501 h）的经济性进行计算。

按照2.2节的工程取数，使用CCHP系统与蒸气压缩式制冷方案的运行费用对比如表5所示。在计算过程中，由于三联供系统同时满足数据中心的冷电需求，因此在进行运行费用对比时，使用蒸气压缩式制冷方案时的运行费用，应在原有的基础上对用电负荷产生的运行费用予以累加。

表5 运行费用对比

从表5中可以看出，CCHP系统的运行费用明显低于蒸气压缩式制冷系统，且年运行费用可节约19.4%，体现出CCHP系统良好的能源利用效率和经济效益。此外，CCHP系统还可为数据中心提供一定的生产和生活热水。

3.4 CCHP系统在数据中心的注意事项

（1）就数据中心而言，供电可靠性、不间断性位于首位，主用CCHP系统架构不同于常规数据中心的“双路市电+油机+冷冻站”模式。对于部分新客户或定制化要求高的客户，存在接受度低的情形，因而天然气的供应一定要稳定、充足[3]。

（2）天然气价格和电价是影响燃气CCHP系统运行经济性的关键。不同地区的气价、峰谷电价差别很大，必须根据当地条件进行精确的测算。另外，部分污染严重或严重缺电地区会为安装燃气CCHP系统提供政策性补贴，也是保持CCHP系统运行经济性的重要影响因素[4]。

（3）目前在我国采用燃气发电机作为主用电源的相关案例较少，为满足数据中心的供电可靠性需要做周密细致的配电设计。如需市电的配合，需要与电网企业进行充分地协调。

（4）运维人员水平要求更高。由于CCHP系统相比常规市电和供冷系统庞大复杂得多，运行的安全可靠性及机组的保养要求成为重难点。此外，燃气CCHP系统对于负载与机组的匹配调节也有较高要求[5]。

4 结 论

综上所述内容可知，吸收式制冷可以极大程度地减少数据中心的电力消耗，即达到减小PUE的目标，但这却以更高的运行费用为代价，因而直接使用吸收式制冷方案并不经济。

在数据中心中应用CCHP系统，作为多能源解决方案，在冷、电容量特性上是完全契合和可行的。其不仅积极响应了我国能源可持续化发展的理念，还有效提高了系统的利用效率。虽然国内近年已有若干数据中心采用了CCHP系统，但是目前仍然是处于规模应用的前期。对CCHP系统缺乏经济性、可用性不佳的顾虑仍然广泛存在。但基于CCHP系统自身的优点以及与数据中心用能特性的高度匹配，相信随着CCHP系统建设和运行经验的不断积累、应用方案的不断完善，CCHP系统一定会成为数据中心节能降耗的重要解决方案之一。