燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)及冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用淺析

任華華 / 馬克· 利普爾（中國惠普有限公司， 北京 100022）

1 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其能源消費結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大的變化，以煤炭為主的一次能源結(jié)構(gòu)將逐步地被以清潔能源為主的一次能源結(jié)構(gòu)代替。天然氣作為一種潔凈氣體燃料，具有更多的優(yōu)點：熱值大、燃燒效率高、容易燃燒、基本上沒有導(dǎo)致酸雨的SO2、幾乎不產(chǎn)生NOx。與產(chǎn)生同熱量的煤和油相比，所產(chǎn)生的CO2（溫室效應(yīng)的主要原因）最少。因此，天然氣被優(yōu)先選為城市能源使用。熱能發(fā)電，利用低品位的熱能采暖和制冷，提高了一次能源的利用率。如本文介紹的能源站的發(fā)電機(jī)組，其額定工況下的發(fā)電效率40%、熱效率47.8%、總效率87.8%。

2）系統(tǒng)建造靠近用戶終端，便于調(diào)節(jié)，通過燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)冷熱電聯(lián)供，供冷以電制冷和熱力制冷互為備用。供熱以燃?xì)庵比脊岷陀酂峁峄閭溆?，供電以市電和自發(fā)電互為備用，系統(tǒng)同時滿足冷熱電需求，運行可靠，經(jīng)濟(jì)性好。

3）系統(tǒng)排放物具環(huán)境友好性，由于最終排出煙氣溫度低（額定工況下為120℃），造成的熱污染?。ㄒ话沐仩t的排煙溫度為180℃～220℃），在城市中可以減小“熱島效應(yīng)”；另一方面，由于使用天然氣為主要燃料，煙氣中SO2和NOx含量相對較低，對環(huán)境的廢氣污染小。

另外，冷熱電三聯(lián)供（CCHP）系統(tǒng)對市政電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)有“削峰填谷”的作用：夏天系統(tǒng)發(fā)電和余熱制冷可減少對電網(wǎng)電能的需求，削減電網(wǎng)夏季高峰用電量，同時填補天然氣的用量低谷，實現(xiàn)削電峰填氣谷的作用；冬天燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)高溫?zé)煔獾挠酂崂?，可削減冬季天然氣的用量高峰，因此將產(chǎn)生良好的社會效益。

2 冷熱電三聯(lián)供（CCHP）系統(tǒng)的特點

3 數(shù)據(jù)中心的負(fù)荷特點

冷熱電三聯(lián)供（CCHP（Combined Cooling,Heating & Power））系統(tǒng)的主要優(yōu)點如下：

1）系統(tǒng)使用燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，將一次能源——燃料的化學(xué)能生成煙氣的熱能，按品質(zhì)分別轉(zhuǎn)化為二次能源——電能和蒸汽熱能，進(jìn)而實現(xiàn)對一次能源（燃?xì)猓┑淖詈侠淼奶菁壚?。利用高品位?/p>

3.1 數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷

數(shù)據(jù)中心不同于一般的民用建筑，電子信息設(shè)備及其他輔助設(shè)備的發(fā)熱量大，且全年7×24h不間斷運行，設(shè)備的散熱量約占總熱量的80%以上；主機(jī)房屬于建筑內(nèi)區(qū)，新、排風(fēng)量很少，因此受外界氣候等條件影響較小，主機(jī)房的冷負(fù)荷全年變化幅度小。數(shù)據(jù)中心建筑總冷負(fù)荷受圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響小，全年冷負(fù)荷波動范圍統(tǒng)計約為0.80～1。

數(shù)據(jù)中心對制冷的可靠性要求也不同于一般民用建筑。對于A級機(jī)房，國標(biāo)GB50174-2008中有明確定義：機(jī)房內(nèi)的場地設(shè)施應(yīng)按容錯系統(tǒng)配置，在電子信息系統(tǒng)運行期間，場地設(shè)施不應(yīng)因操作失誤、設(shè)備故障、外電源中斷、維護(hù)和檢修導(dǎo)致電子信息系統(tǒng)運行中斷。制冷系統(tǒng)必須滿足該功能，才能達(dá)到A級機(jī)房的要求。1.1（夏季制冷高峰期電價谷段電冷比約1.26，此段用電冷，不存在內(nèi)燃機(jī)發(fā)電量和制冷量的平衡問題），燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)與雙效吸收式冷水機(jī)組聯(lián)合運行的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)電冷比同樣約為1.1。因此對于數(shù)據(jù)中心項目，采用“以冷定電”，正常運行時幾乎不需要市電補足；采用“以電定冷”，正常運行時幾乎完全利用燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)的余熱，不需要補燃。

因此，冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)適合于數(shù)據(jù)中心項目。

3.2 數(shù)據(jù)中心電負(fù)荷

3.4 發(fā)電機(jī)組的選擇

電子信息設(shè)備及其他輔助設(shè)備全年7×24h不間斷運行，電力負(fù)荷受時段的影響小。

數(shù)據(jù)中心建筑全年電負(fù)荷波動范圍統(tǒng)計約為0.80～1。

3.3 冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心項目的適宜性

數(shù)據(jù)中心的電子信息設(shè)備一旦宕機(jī)，會造成較大影響和重大經(jīng)濟(jì)損失。電子計算機(jī)房主機(jī)設(shè)備、服務(wù)器、通訊設(shè)備等屬一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷，因此數(shù)據(jù)中心用電和空調(diào)系統(tǒng)的安全可靠性必須放在第一位，電氣及機(jī)械空調(diào)方案須滿足供電和供冷的安全可靠；同時數(shù)據(jù)中心項目具有全年基本穩(wěn)定的冷負(fù)荷和電負(fù)荷，耗電量高、空調(diào)負(fù)荷大，優(yōu)化機(jī)電方案對節(jié)能減排具有重大意義。

冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)通過燃?xì)獍l(fā)電機(jī)冷熱電聯(lián)供，將一次能源——燃料的化學(xué)能生成煙氣的熱能，按品質(zhì)分別轉(zhuǎn)化為二次能源——電能和蒸汽熱能，進(jìn)而實現(xiàn)對一次能源（燃?xì)猓┑淖詈侠淼奶菁壚?。利用高品位的熱能發(fā)電，利用低品位的熱能采暖和制冷，大大提高了一次能源的利用率。供冷以電制冷和熱力制冷互為備用，供熱以燃?xì)庵比脊岷陀酂峁峄閭溆?，供電以市電和自發(fā)電互為備用，系統(tǒng)同時滿足冷熱電需求。

目前對于冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電量多余部分，電力能源政策為“并網(wǎng)不上網(wǎng)”。電負(fù)荷與冷負(fù)荷之比為電冷比。多數(shù)機(jī)場、學(xué)校等的電負(fù)荷遠(yuǎn)大于熱（冷）負(fù)荷，因此該類民用建筑的三聯(lián)供系統(tǒng)采取“以熱（冷）定電”的原則配置發(fā)電機(jī)并進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。根據(jù)上述數(shù)據(jù)中心的負(fù)荷特點及負(fù)荷計算的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心電冷比常年約為

燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組利用天然氣為燃料提供電能，機(jī)組的優(yōu)勢為：可以使用較低壓力的燃?xì)猓m應(yīng)城市輸氣管網(wǎng)條件，做到盡量靠近負(fù)荷中心；設(shè)備簡單、維護(hù)方便，可以在現(xiàn)場完成大修，減少機(jī)組停機(jī)時間，節(jié)省維護(hù)費用；內(nèi)燃機(jī)是目前熱能—機(jī)械能轉(zhuǎn)換效率最高的動力設(shè)備之一，在額定工況下發(fā)電效率約為35%～45%，部分負(fù)荷工況下也能維持較高的發(fā)電效率，適應(yīng)變負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性比較好；設(shè)備的單位千瓦造價較低；啟動快，0.5～10min 即可完成啟動。內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的不足為：燃燒低熱值燃料時，機(jī)組出力明顯下降；需要頻繁更換機(jī)油和火花塞，消耗材料比較大，對設(shè)備利用率影響比較大，有時不得不采取增加發(fā)電機(jī)組臺數(shù)的辦法，來消除利用率低的影響。

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電電壓等級高、功率大、供電半徑大；余熱利用較簡單，出口煙氣溫度較高、氮氧化物排放率低；體積小、運行成本低、壽命周期較長（大修周期在5 ～7萬h左右）。燃?xì)廨啓C(jī)的不足為：輸出功率受環(huán)境溫度影響較大，除個別機(jī)型外，發(fā)電效率較低；進(jìn)氣壓力要求較高，需要次高壓或高壓燃?xì)猓瑔挝煌顿Y較大；正常情況下利用市電作為機(jī)組的啟動電源，在停電啟動時需配備一臺小容量的啟動用發(fā)電機(jī)組，啟動時間較長。

數(shù)據(jù)中心項目選擇燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組還是燃?xì)廨啓C(jī)，需綜合考慮設(shè)備性能、初投資、運行維護(hù)等因素：

●與負(fù)荷的適應(yīng)性：數(shù)據(jù)中心項目的冷、電負(fù)荷比＜1，燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組的冷、電比＜1.1，燃?xì)廨啓C(jī)的冷、電比＞1.5。

● 數(shù)據(jù)中心項目電負(fù)荷全年波動幅度小，燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組的出力隨外界溫度變化很小，燃?xì)廨啓C(jī)在外界溫度變化時發(fā)電量波動達(dá)20%。

● 燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率及部分負(fù)荷效率高于燃?xì)廨啓C(jī)。

● 燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)使用天然氣的壓力為0.012～0.02MPa，可以從中壓管網(wǎng)接氣。調(diào)壓箱占地較小，與周圍建筑物的安全距離較小；燃?xì)廨啓C(jī)使用天然氣的壓力為1.4～1.8MPa，雙路供氣需從周圍2.5MPa 和4.0MPa 管線上接氣，調(diào)壓箱占地較大，與周圍建筑物的安全距離較大。

● 燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組啟動速度快。

綜上，數(shù)據(jù)中心項目采用燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組更為合適。

4 數(shù)據(jù)中心項目CCHP系統(tǒng)的負(fù)荷確定和設(shè)備配置

4.1 數(shù)據(jù)中心的負(fù)荷情況

本文以具體的數(shù)據(jù)中心項目為例，對燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)及冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的應(yīng)用作分析。該數(shù)據(jù)中心項目建設(shè)地點在北京，IT負(fù)荷統(tǒng)計為15164kW，一期IT負(fù)荷7660kW。

4.2 冷熱電三聯(lián)供（CCHP）系統(tǒng)的主要設(shè)備選定

根據(jù)項目的冷、電負(fù)荷，熱力制冷系統(tǒng)配置850RT 的煙氣熱水型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組（100%補燃）8+2臺，電制冷系統(tǒng)配置1250RT 的離心式冷水機(jī)組6+2臺， 兩套系統(tǒng)均采用一、二次泵系統(tǒng)。電制冷系統(tǒng)配置水側(cè)串聯(lián)節(jié)能器，充分利用冬季及部分過渡季的自然冷量。冷凍水的供水溫度為 12℃，回水溫度為 18℃；冷卻水側(cè)采用冷卻塔與冷水機(jī)組一對一配置；冷卻水補水池設(shè)置在站房地下，一旦市政停水，補水池滿足冷卻塔12h連續(xù)補水需求。燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)配置雙路氣源。

4.3 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)流程如圖1所示。

5 冷熱電三聯(lián)供（CCHP）系統(tǒng)的運行模式

根據(jù)北京地區(qū)典型氣象年的氣象參數(shù)，逐時計算空調(diào)負(fù)荷，統(tǒng)計自然冷卻全年累計小時數(shù)，并根據(jù)北京市能源政策和能源價格作出技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，得到冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化運行模式如下:

6 冷熱電三聯(lián)供（CCHP）系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)預(yù)測

計算依據(jù)為：

● 以一期站房投資和機(jī)電投資進(jìn)行計算

● 11月至次年3月燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)的余熱可完全得以利用

● 天然氣價格（含稅）2.28元/m3

● 市政自來水價（含稅）6.21元/ t

● 計量熱價0.20 元/ kWh（55.56 元/GJ）

● 電價如下：

表1 北京電網(wǎng)峰谷分時銷售電價（夏季） （元/ kWh）

表2 北京電網(wǎng)峰谷分時銷售電價（非夏季） （元/ kWh）

6.1 冷熱電三聯(lián)供（CCHP）系統(tǒng)的成本支出

6.2 冷熱電三聯(lián)供（CCHP）系統(tǒng)的收益分析預(yù)測

對于業(yè)主而言，冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在建成投產(chǎn)以后主要有三方面的經(jīng)濟(jì)收益：即供電收益、供冷收益、供熱收益。

表4 系統(tǒng)的收益分析

6.3 冷熱電三聯(lián)供（CCHP）系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)分析

表5 系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)分析

從以上分析計算可知，在以上運行模式下，冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備及土建投資，可在6.32年左右回收，可見其經(jīng)濟(jì)效益非常理想。

7 小結(jié)

以上計算與分析表明，一個冷熱電三聯(lián)供（CCHP）系統(tǒng)，可以解決數(shù)據(jù)中心所有的能源和動力要求，無論從資源的高效利用還是從業(yè)主經(jīng)濟(jì)效益考慮，都具有明顯的優(yōu)勢：

（1） 實現(xiàn)能源就地轉(zhuǎn)換、就地供應(yīng)，大大減少輸電、變電、熱力管網(wǎng)、換熱站的投資；

（2） 使用燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)和吸收式制冷機(jī)組的各種能量價格為用戶價格，沒有中間環(huán)節(jié)的損耗、浪費、利潤等，可以大量節(jié)約能源支出，有利于降低成本。

（3） 煙氣熱能經(jīng)回收，排放溫度大大降低，環(huán)保節(jié)能效果好。

（4） 使用天然氣為主要燃料，煙氣中SO2和NOx含量相對較低，對環(huán)境的廢氣污染小。

可見，在數(shù)據(jù)中心項目中應(yīng)用冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)，為可再生能源的開發(fā)與利用開辟了新的方向，有利于改變我國的能源消費結(jié)構(gòu)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

[1] 建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)督與行業(yè)發(fā)展司. 全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施節(jié)能專篇——暖通空調(diào). 動力[M]. 北京：中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院，2007.

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