樓宇型分布式能源系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

李正茂，陳曉麗

（1.中國石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院，遼寧撫順113001；2.北京恩耐特分布能源技術(shù)有限公司，北京100035）

樓宇型分布式能源系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

李正茂1，陳曉麗2

（1.中國石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院，遼寧撫順113001；2.北京恩耐特分布能源技術(shù)有限公司，北京100035）

樓宇型分布式能源系統(tǒng)是綜合解決樓宇電、冷、熱需求的有效手段。數(shù)據(jù)中心的冷電比與分布式能源系統(tǒng)所提供的冷電比接近，且全年電、冷負(fù)荷需求平穩(wěn)，適宜采用分布式能源系統(tǒng)。通過對天津某數(shù)據(jù)中心運行的能源需求的分析，制定了分布式能源站技術(shù)方案。在保證系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)運行。

分布式能源系統(tǒng)；數(shù)據(jù)中心；內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組；吸收式冷溫水機(jī)組

0 引言

分布式能源系統(tǒng)是指分布在用戶側(cè)的能源梯級利用和可再生能源及資源綜合利用設(shè)施，通過在現(xiàn)場對能源實現(xiàn)溫度對口梯級利用，盡量減少中間輸送環(huán)節(jié)的損耗，實現(xiàn)對資源利用的最大化和系統(tǒng)與投資的最優(yōu)化的能源系統(tǒng)。[1，2]分布式能源系統(tǒng)與集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離輸電和大電網(wǎng)供電為特點的傳統(tǒng)電力相比，具有節(jié)省投資、降低損耗、提高系統(tǒng)可靠性、能源種類多樣化、減少污染等優(yōu)點，是傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的有益補充。

1 天然氣分布式能源在數(shù)據(jù)中心供能的優(yōu)勢

天然氣分布式能源是分布式能源系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、成本較低的供能方式。國際上分布式能源系統(tǒng)主要是以天然氣資源為主，以天然氣為燃料冷熱電聯(lián)供已經(jīng)成為分布式能源的主要內(nèi)容。

天然氣分布式能源是指利用天然氣為燃料，通過冷熱電三聯(lián)供等方式實現(xiàn)能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上，并在負(fù)荷中心就近實現(xiàn)能源供應(yīng)的現(xiàn)代能源供應(yīng)方式，是天然氣高效利用的重要方式。[3]按其供能規(guī)模來分，可分為樓宇型和區(qū)域型兩種。

樓宇型天然氣分布式能源系統(tǒng)是綜合解決樓宇電、冷、熱需求的有效手段。其主要方式是由發(fā)電機(jī)組燃燒天然氣產(chǎn)生電能，排出的煙氣和缸套水通過余熱型吸收式冷溫水機(jī)組回收進(jìn)行制冷和制熱，如圖1所示。由于實現(xiàn)了能源的梯級利用，天然氣分布式能源系統(tǒng)的能源綜合利用率達(dá)到70%-85%，降低了一次能源消耗，減少了溫室氣體排放。

圖1 樓宇型分布式能源系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心是實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息集中處理、存儲、傳輸、交換、管理等功能的服務(wù)平臺。數(shù)據(jù)中心具有用電密度高、冷量需求大、供能可靠性要求高等特點。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國數(shù)據(jù)中心發(fā)展迅猛，總量已超過40萬個，年耗電量超過全社會用電量的1.5%，其中大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的PUE（平均電能使用效率）仍普遍大于2.2，與國際先進(jìn)水平相比有較大差距，節(jié)能潛力巨大[4]。推動數(shù)據(jù)中心綠色改造，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心能源效率最大化，環(huán)境影響最小化，全面提升社會節(jié)能環(huán)保水平具有十分重要的意義。

數(shù)據(jù)中心是利用天然氣分布式能源較佳應(yīng)用場景。首先，天然氣分布式能源系統(tǒng)所提供的冷電比與數(shù)據(jù)中心所需的冷電比都接近1.1，有較好的吻合匹配度。其次，數(shù)據(jù)中心全年具有平穩(wěn)的電、冷負(fù)荷需求，可保證分布式能源具有較高的年運行小時數(shù)，提高年平均能源綜合利用率。與網(wǎng)電相結(jié)合，可以多提供一路可靠的電源，減少對電網(wǎng)的依賴程度，提高系統(tǒng)的供電安全性。另外，天然氣分布式能源系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)就近供能，可以解決數(shù)據(jù)中心高用電密度對城市供電負(fù)荷產(chǎn)生影響的問題。

本文以天津某數(shù)據(jù)中心為例，通過對該數(shù)據(jù)中心的能源需求的分析，制定了天然氣分布式能源系統(tǒng)為該數(shù)據(jù)中心供能方案，分析了系統(tǒng)運行的安全性和效益。

2 數(shù)據(jù)中心負(fù)荷需求

天津某A級數(shù)據(jù)中心建筑面積1000m2，主機(jī)房由103個機(jī)柜組成。

2.1 電負(fù)荷

數(shù)據(jù)中心電負(fù)荷需求主要包括：IT設(shè)備、冷卻塔水泵、風(fēng)機(jī)、輔助設(shè)備、建筑照明等常規(guī)設(shè)備耗電。根據(jù)數(shù)據(jù)中心提供資料，扣除空調(diào)系統(tǒng)制冷電負(fù)荷，數(shù)據(jù)中心全年電負(fù)荷基本維持在735kW。

2.2 冷負(fù)荷

數(shù)據(jù)中心所需的冷負(fù)荷主要來源于機(jī)房電子信息設(shè)備散熱，約占總發(fā)熱量的80%以上，且全年不間斷運行，全年均需要供冷。數(shù)據(jù)中心機(jī)房多處于建筑內(nèi)區(qū)，冷負(fù)荷隨季節(jié)變化波動不大，波動范圍在0.8～1.0[5]。根據(jù)《電子信息機(jī)房設(shè)計規(guī)范》GB50174，參考國內(nèi)類似數(shù)據(jù)中心相關(guān)統(tǒng)計信息，結(jié)合數(shù)據(jù)中心提供資料，數(shù)據(jù)中心夏季冷負(fù)荷為900kW，冬季冷負(fù)荷為850kW。

數(shù)據(jù)中心負(fù)荷需求，見表1。

表1 數(shù)據(jù)中心各季節(jié)負(fù)荷需求分析kW

3 傳統(tǒng)供能方案

我國2008年頒布執(zhí)行的《電子信息機(jī)房設(shè)計規(guī)范》GB50174對電子信息系統(tǒng)機(jī)房做了嚴(yán)格的技術(shù)要求。根據(jù)不同類型和等級的數(shù)據(jù)中心有不同的供能要求，傳統(tǒng)的A、B類數(shù)據(jù)中心供能方式是采用市電供電，利用集中式電空調(diào)制冷。供電系統(tǒng)采用雙路市電、兩套獨立的UPS系統(tǒng)，每套為N+X冗余；冗余備用柴油發(fā)電機(jī)，具備10s啟動能力，燃料不少于72h。供冷系統(tǒng)采用電制冷機(jī)組，采用N+1配置。

柴油發(fā)電機(jī)隔十天左右要啟動一次，以防止久置失效，并保證處于良好備用狀態(tài)?？紤]到有雙路市電失電的可能性，后備柴油發(fā)電機(jī)的基本容量應(yīng)包括不間斷電源系統(tǒng)的基本容量、空調(diào)和制冷設(shè)備的基本容量、應(yīng)急照明和消防等設(shè)計生命安全的負(fù)荷容量。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)作為后備電源時，不間斷電源電池備用時間按15分鐘選取。

由上可知，采用傳統(tǒng)供能方式，數(shù)據(jù)中心的電、冷負(fù)荷都轉(zhuǎn)化為電負(fù)荷，對電力需求大。目前，數(shù)據(jù)中心的電力供應(yīng)以市電為主，對電網(wǎng)存在較大的依賴，數(shù)據(jù)中心的用能安全性和可靠性受到電網(wǎng)制約。高用電比和高電價導(dǎo)致每年要支付高額的購電費用，據(jù)統(tǒng)計電費成本占數(shù)據(jù)中心總運營成本的30%-50%。

4 樓宇型分布式能源系統(tǒng)解決方案

4.1 裝機(jī)方案

在傳統(tǒng)供能基礎(chǔ)上，建設(shè)天然氣分布式能源系統(tǒng)，采用天然氣內(nèi)燃機(jī)組發(fā)電為數(shù)據(jù)中心和能源站提供所需電力的同時，利用發(fā)電余熱通過煙氣熱水型吸收式冷溫水機(jī)組（以下簡稱吸收式機(jī)組）為數(shù)據(jù)中心提供所需冷量。利用原有或安裝電制冷冷水機(jī)組，當(dāng)吸收式機(jī)組無法正常工作時或谷值電價時采用電制冷方式為數(shù)據(jù)中心提供所需冷量。

根據(jù)現(xiàn)場用能情況擬采用下列裝機(jī)方案，見表2。

表2 分布式能源系統(tǒng)主要設(shè)備配置

考慮到系統(tǒng)安全性，系統(tǒng)擬采用雙路市電、雙路氣源、兩套獨立的UPS系統(tǒng)和一套水蓄冷裝置。供能系統(tǒng)示意圖，如圖2所示。

在能源站附近建設(shè)一套水蓄冷裝置。谷值電價時，利用電制冷機(jī)組過剩制冷量蓄冷，當(dāng)吸收式機(jī)組制冷量少于數(shù)據(jù)中心所需冷量且運行電制冷裝置不經(jīng)濟(jì)時，可先利用蓄冷裝置提供所需冷量。采用水蓄冷裝置后可提高系統(tǒng)供冷安全性和穩(wěn)定性，利用谷值電價進(jìn)行蓄冷可提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

4.2 運行方案

分布式能源采用模塊化結(jié)構(gòu)，每個模塊化單元包括一臺燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組和一臺吸收式機(jī)組。系統(tǒng)運行方式，見表3。

考慮到所在區(qū)域峰平谷電價差較大，從提高運行經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，在谷值電價和非谷值電價時采用兩種運行方式。非谷值電價時，采用天然氣分布式能源運行方式；在谷值電價時，采用傳統(tǒng)供能方式。

（1）通常運行方式。

非谷值電價時：

兩臺內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組發(fā)電供能源站和數(shù)據(jù)中心使用，內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的煙氣和高溫缸套水進(jìn)入對應(yīng)的吸收式機(jī)組制冷提供數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷需求。

兩臺內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)運行，在兩路進(jìn)線開關(guān)后加裝逆功率保護(hù)裝置，當(dāng)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷降低，滿足不了數(shù)據(jù)中心電負(fù)荷需求時，市電及時補充滿足需求。

圖2 樓宇型分布式能源供能示意圖

兩臺機(jī)組可提供800kW電量，滿足發(fā)電供能源站和數(shù)據(jù)中心電力需求；滿負(fù)荷運行時，吸收式機(jī)組可提供數(shù)據(jù)中心所需冷量。當(dāng)因負(fù)荷波動等原因?qū)е挛帐綑C(jī)組制冷量少于數(shù)據(jù)中心所需冷量時，差額部分由蓄冷水罐或電制冷機(jī)提供。當(dāng)煙氣和缸套水提供的熱量過多時，高溫?zé)煔饪赏ㄟ^電動三通閥排空，保證不影響發(fā)電機(jī)組正常運行。

在谷值電價時（表3中括號內(nèi)運行方式）：

采用市電供電，電制冷機(jī)組制冷的方式運行，停運兩臺內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和吸收式機(jī)組。

（2）一臺內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組或?qū)?yīng)的吸收式機(jī)組需要檢修時。

非檢修內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和吸收式機(jī)組單元運行，啟動一臺電制冷機(jī)組，停運、隔離需檢修的內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和對應(yīng)的吸收式機(jī)組，電力不足部分由市電提供。兩路市電互為熱備用，另一臺電制冷機(jī)組備用。

（3）一路市電失（停）電。

兩臺內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和兩臺吸收式機(jī)組提供所需電力和冷量，另一路市電備用，斷開失（停）電側(cè)進(jìn)線開關(guān)，合上兩母線分段開關(guān)。

（4）兩路市電同時失電。

兩臺內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和兩臺吸收式機(jī)組提供所需電力和冷量，UPS作為電力備用，水蓄冷裝置作為制冷備用。

（5）天然氣源中斷。

采用市電供電，電制冷機(jī)組制冷的方式運行。兩路市電互為熱備用，水蓄冷裝置作為制冷備用。

表3 分布式能源系統(tǒng)運行方式

4.3 運行情況分析

主要設(shè)備性能參數(shù)，見表4。

表4 主要設(shè)備性能參數(shù)

5 效益分析

非谷值電價時采用天然氣分布式能源系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心供能。非谷值電價時，分布式能源系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的能耗分析，見表5。

5.1 年平均能源綜合利用效率

分布式能源系統(tǒng)年平均能源綜合利用效率可采用下式進(jìn)行計算[6]：

式中v—年平均能源綜合利用率，%；

We—年凈輸出電量，kWh；

Q1—年余熱供熱總量，MJ；

Q2—年余熱供冷總量，MJ；

B—年燃?xì)饪偤牧?，m3；

QL—燃?xì)獾臀话l(fā)熱量，MJ/m3。

根據(jù)表5中的能耗分析結(jié)果，可計算出能源站的年平均能源綜合利用效率為82.66%。

5.2 設(shè)備投資

與傳統(tǒng)供能方式相比，系統(tǒng)增加了內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組、吸收式機(jī)組和水蓄冷裝置及輔助設(shè)備，新增設(shè)備投資900萬元。利用數(shù)據(jù)中心地下一層建設(shè)能源站，加上工程建設(shè)費，整體投資約為1300萬元。

5.3 運行費用

表5 非谷值電價時樓宇型分布式能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)供能系統(tǒng)的能耗分析

非谷值電價期采用分布式能源供能，利用天然氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和吸收式機(jī)組可以滿足信息中心的用能需求。除谷值電價期間外，基本不需要網(wǎng)購電，年減少購電量573.83萬kWh。

所在區(qū)域1～10千伏用電的分時電價為：高峰電價1.3141元/kWh，平段電價0.8686元/kWh，低谷電價0.4431元/kWh。減少購電量為高峰和平段，平均電價為1.0914元/kWh，全年可減少購電費用626.28萬元。

2015年天津集中供熱天然氣售價為2.37元/m3，購買天然氣年需271.28萬元。

綜上所述，年平均生產(chǎn)運行費用降低355萬元，系統(tǒng)靜態(tài)投資回收期為3.66a。

5.4 安全性

采用分布式能源供能方式可以達(dá)到與傳統(tǒng)供能方式同等安全要求。采用分布式供能+雙回路市電則可超過傳統(tǒng)供能方式的可靠性，將電力短缺時間由3min縮短至7s[7]。

5.5 節(jié)能減排量

根據(jù)國家發(fā)改委氣候司公布的《2011年中國區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子》，單位發(fā)電量CO2排放因子為0.6426t/(MWh)。根據(jù)政府間氣候變化委員會公布的天然氣缺省CO2排放因子為2.0196kg/Nm3。根據(jù)表5數(shù)據(jù)計算，傳統(tǒng)供能和樓宇式分布式能源供能方式年CO2排放分別為3695.40t和2319.68t，CO2排放量減少1375.72t，與此同時還可以減少151.81t SO2、75.24t NOX和19.17t粉塵的排放，環(huán)境效益顯著。

6 結(jié)語

數(shù)據(jù)中心是高耗能單位，其電冷負(fù)荷比較平穩(wěn)，與分布式能源電冷聯(lián)供所提供的電冷負(fù)荷比較為匹配，比較適合采用天然氣分布式能源系統(tǒng)供能。通過合理的設(shè)計，分布式能源系統(tǒng)的供能安全性和經(jīng)濟(jì)性完全能達(dá)到甚至超過傳統(tǒng)分供系統(tǒng)。天然氣分布式能源為數(shù)據(jù)中心提供一路可靠的電源，提高供電安全性，減少電網(wǎng)的影響；吸收式制冷與電制冷、冰蓄冷互為備用，可以更可靠、更靈活地滿足用戶的冷負(fù)荷需求；非谷值電價采用天然氣分布能源供能，谷值電價采用電網(wǎng)供能，實現(xiàn)了對電網(wǎng)和氣網(wǎng)的“削峰填谷”，可減少公用設(shè)施的投資和運行費用。

樓宇式分布式能源系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心可以提高數(shù)據(jù)中心用能可靠性，提高能源綜合利用率，減少溫室氣體和污染物排放，具有一定的推廣價值。

[1] 劉青榮，等.分布式能源系統(tǒng)及其運行特性分析[J].上海電力學(xué)院學(xué)報，2009，（5）：427-432.

[2] 王洪旭，劉澤勤.分布式能源系統(tǒng)：一種緩解能源資源短缺的途徑[J].建筑科學(xué)，2008，（6）：7-11.

[3] 發(fā)改能源〔2011〕2196號，關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見[S]. [4] 工信部聯(lián)節(jié)〔2015〕82號，國家綠色數(shù)據(jù)中心試點工作方案[S].

[5] 王強(qiáng)，夏成軍，唐智文.分布式能源在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的可行性探析[J].電網(wǎng)與清潔能源，2013，（9）：87-90.

[6] 林世平.燃?xì)饫錈犭姺植际侥茉醇夹g(shù)應(yīng)用手冊[M].北京：中國電力出版社，2014.

[7] 賈利訪，王思文，周宇昊.美國分布式能源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用分析[J].發(fā)電與空調(diào)，2014,35（3）：1-3.

修回日期：2016-11-09

Utilization of Building-type Distributed Energy System in Data Centers

LI Zheng-mao1，CHEN Xiao-li2
（1.Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals，SINOPEC，F(xiàn)ushun 113001，China；2.Beijing Energy-Net De.Ltd.，Beijing 100035，China）

Building distributed energy system is an effective method to solve the building cooling, heating and power. The electric cooling ratio of the data center is close to that of the distributed energy system, and the demand for electricity and cooling load is steady, which is suitable for the distributed energy system. Based on the analysis of the energy requirements of a data center in Tianjin, the technology scheme of distributed energy station is developed. On the basis of ensuring system security, low carbon economic operation is realized.

distributed energy resources；data centers；combustion engine generator；absorption chiller-heaters

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.06.002

TM611

B

2095-3429（2016）06-0006-05

李正茂（1974-），男，山東煙臺人，大學(xué)，學(xué)士，高級工程師，從事天然氣分布式能源和節(jié)能技術(shù)研究。

2016-09-08