杭州數(shù)據(jù)中心燃?xì)夥植际侥茉吹湫头桨讣敖?jīng)濟性分析

王世朋，趙大周，柯冬冬，林 達

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030；2.浙江省蓄能與建筑節(jié)能技術(shù)重點實驗室，杭州 310030）

0 引言

數(shù)據(jù)中心是實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息集中處理、存儲、傳輸?shù)裙δ艿姆?wù)平臺，具有用電密度高、用冷需求大、供能可靠性要求高等特點[1]。受云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動，數(shù)據(jù)中心的需求量也持續(xù)快速增長。據(jù)統(tǒng)計，2013—2017 年，全球IDC（互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心）市場規(guī)模平均增長率為17.1%，中國平均增長率為37.8%[2]。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)等終端側(cè)應(yīng)用場景的技術(shù)演進與迭代，終端側(cè)上網(wǎng)需求量將呈現(xiàn)指數(shù)級增長，數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用場景及市場需求還將進一步擴大。預(yù)計2020 年，我國數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模將超過2 000 億元。

目前，數(shù)據(jù)中心用電量約占全社會用電量的1.8%，由于數(shù)據(jù)中心高耗能，北京、上海、深圳等一線城市或浙江、江蘇等發(fā)達省份嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模，其中浙江規(guī)定新建數(shù)據(jù)中心PUE（電能利用效率）低于1.5[3]。

在此背景下，可通過配套建設(shè)燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)對數(shù)據(jù)中心進行冷電聯(lián)供，實現(xiàn)能源梯級利用及電力就地消納，從而降低數(shù)據(jù)中心PUE值，由此促進數(shù)據(jù)中心項目落地。受此因素影響，數(shù)據(jù)中心燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)近年來成為行業(yè)討論熱點[4-7]。

本文以杭州地區(qū)某數(shù)據(jù)中心燃?xì)夥植际侥茉错椖繛槔?，從技術(shù)、經(jīng)濟角度分析論證燃?xì)夥植际侥茉礊閿?shù)據(jù)中心供能的節(jié)能性及經(jīng)濟性，為同類型項目開發(fā)提供指導(dǎo)意見。

1 燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)適用性分析

1.1 數(shù)據(jù)中心能耗分析

數(shù)據(jù)中心包括機房IT（信息技術(shù)）設(shè)備，以及空調(diào)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等輔助基礎(chǔ)設(shè)施。據(jù)《中國數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)年度發(fā)展報告2016》顯示，IT 設(shè)備系統(tǒng)能耗占數(shù)據(jù)中心總能耗的45%，空調(diào)系統(tǒng)能耗占比為40%[8]。

PUE 是評價數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo)，指的是數(shù)據(jù)中心消耗的所有電量與IT 負(fù)載消耗的電量之比。PUE 值越接近于1，表示數(shù)據(jù)中心越節(jié)能[9]。我國早期建設(shè)的數(shù)據(jù)中心PUE 基本在2.0～2.5，近年來，全國數(shù)據(jù)中心能效水平進一步提升，在用超大型數(shù)據(jù)中心平均PUE 為1.63，大型數(shù)據(jù)中心平均PUE 為1.54，仍有進一步降低的空間[10]，詳見圖1。

圖1 2016 年數(shù)據(jù)中心能耗組成

1.2 燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)適用性

燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)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)能源梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上，并在負(fù)荷中心實現(xiàn)就近供能的現(xiàn)代能源供應(yīng)方式[11]，包括樓宇型及區(qū)域型2 種類型。

數(shù)據(jù)中心與燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)有很好的匹配性。一是數(shù)據(jù)中心需求的冷電比接近1:1，與燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)供能特性相匹配；二是數(shù)據(jù)中心負(fù)荷穩(wěn)定，可保證燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)全年高效運行，提高系統(tǒng)利用率。同時，燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)與市電相結(jié)合，可以為數(shù)據(jù)中心提供一路可靠電源，提高數(shù)據(jù)中心的供能安全性[7，12]。

2 數(shù)據(jù)中心負(fù)荷分析

杭州市某A 級數(shù)據(jù)中心規(guī)劃建筑面積10 000 m2，配置2 000 個機架，IT 設(shè)備功率密度有5 kW/柜和7 kW/柜2 種類型。機房樓內(nèi)設(shè)置運維辦公場所。

2.1 電負(fù)荷分析

數(shù)據(jù)中心電負(fù)荷需求主要包括IT 設(shè)備、空調(diào)風(fēng)機、新風(fēng)通風(fēng)、UPS（不間斷電源）損耗、安防照明等。根據(jù)數(shù)據(jù)中心提供的資料，扣除空調(diào)系統(tǒng)制冷負(fù)荷，數(shù)據(jù)中心全年電負(fù)荷為11.89 MW，其中IT 設(shè)備使用功率為9.98 MW，其他設(shè)備電負(fù)荷為1.91 MW，詳見表1。

表1 數(shù)據(jù)中心電負(fù)荷情況 kW

數(shù)據(jù)中心電負(fù)荷需求與數(shù)據(jù)中心具體業(yè)務(wù)相關(guān)，全年運行基本穩(wěn)定無波動。

2.2 冷負(fù)荷分析

2.2.1 氣象參數(shù)

杭州屬夏熱冬冷地區(qū)，其全年干濕球溫度曲線如圖2 所示。根據(jù)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》，杭州地區(qū)空調(diào)設(shè)計所采用的室外氣象參數(shù)見下：

大氣壓力：冬季1 020.9 kPa，夏季1 000.5 kPa

供暖室外計算溫度：-1 ℃

冬季通風(fēng)室外計算溫度：4 ℃

冬季空氣調(diào)節(jié)室外計算溫度：-4 ℃

夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干球溫度：35.7 ℃

夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算濕球溫度：28.5 ℃

夏季通風(fēng)室外計算溫度：33 ℃

日平均溫度≤5 ℃的天數(shù)：61 天

極端最低溫度：-9.6 ℃

極端最高溫度：39.9 ℃

圖2 杭州全年干濕球溫度

2.2.2 冷負(fù)荷分析

數(shù)據(jù)中心機房冷負(fù)荷包括機房主要工藝設(shè)備散熱量形成的冷負(fù)荷、圍護結(jié)構(gòu)傳熱形成的冷負(fù)荷以及照明散熱和人體散熱形成的冷負(fù)荷。

機房主要工藝設(shè)備散熱量形成的冷負(fù)荷是機房空調(diào)負(fù)荷的重要組成部分，屬于穩(wěn)定冷負(fù)荷，IT設(shè)備電功率的97%轉(zhuǎn)換為散熱量[13]，該部分約占總熱量的80%以上。圍護結(jié)構(gòu)傳熱形成的冷負(fù)荷主要是太陽輻射熱通過機房的屋頂、墻壁等圍護結(jié)構(gòu)所傳入的熱量和因室內(nèi)外溫差所引起的傳熱量兩部分之和，主要出現(xiàn)在夏季，需求占比不到總體負(fù)荷的5%。照明散熱和人體散熱等非工藝設(shè)備散熱形成的冷負(fù)荷因房間的功能不同，模擬出各房間的冷負(fù)荷也不盡相同。另外，數(shù)據(jù)中心所設(shè)的新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)有溫度處理（表冷器、加熱器）及亞高效過濾器。新風(fēng)取自室外，經(jīng)過濾加熱等處理達到機房露點溫度后送入機房吊頂內(nèi)，與機房空調(diào)機組回風(fēng)混合后，再送入室內(nèi)所需區(qū)域。數(shù)據(jù)機房的新風(fēng)降溫除濕處理采用風(fēng)冷直膨式新風(fēng)機組，消耗電能，因此不會對數(shù)據(jù)機房帶來額外熱源。

經(jīng)測算，數(shù)據(jù)中心IT 設(shè)備散熱量、空調(diào)風(fēng)機散熱量、照明及人員散熱量（除圍護結(jié)構(gòu)負(fù)荷外）的冷負(fù)荷為11.25 MW，其中IT 設(shè)備冷負(fù)荷為9.74 MW。

負(fù)荷對外界氣候環(huán)境變化不顯著，經(jīng)分析全年波動僅在圍護結(jié)構(gòu)負(fù)荷上存在少量差異。以表1 杭州全年干濕球溫度及相關(guān)氣象參數(shù)為基礎(chǔ)，利用華電源軟件進行數(shù)據(jù)中心圍護結(jié)構(gòu)負(fù)荷模擬，結(jié)果見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)中心全年冷負(fù)荷曲線

3 能源站建設(shè)方案

3.1 裝機方案

能源站項目設(shè)計工況下數(shù)據(jù)中心全年電負(fù)荷需求11.89 MW，全年平均冷負(fù)荷需求11.15 MW，據(jù)此進行裝機選型設(shè)計。

按照10%負(fù)荷需求配置冗余，建設(shè)4 400 kW級別燃?xì)鈨?nèi)燃機3 臺。通過內(nèi)燃機組發(fā)電直供，內(nèi)燃機排放高溫?zé)煔饧案滋姿ㄟ^煙氣熱水型吸收式溴化鋰機組吸收制冷，配套安裝3 臺4.3 MW離心式冷水機組以便吸收式機組故障或谷段電價時刻備用，安裝1 臺800 m3蓄冷水罐，滿足20 min 的緊急供冷。系統(tǒng)圖見圖4，設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 主要設(shè)備參數(shù)

圖4 燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)

3.2 運行方案

根據(jù)數(shù)據(jù)中心電冷負(fù)荷特點（電冷負(fù)荷基本匹配），本方案選擇以燃?xì)鈨?nèi)燃機發(fā)電機組作為主體設(shè)備，高溫?zé)煔夂蜔崴鳛闊嵩打?qū)動溴化鋰機組制冷可以滿足數(shù)據(jù)中心負(fù)荷需求，不足部分由兩路市電補充。

考慮杭州地區(qū)執(zhí)行峰平谷分段電價，從提高運行經(jīng)濟性角度出發(fā)，峰平電價時段與谷段電價時段執(zhí)行不同運行策略安排。

峰平電價時段，采用“燃?xì)夥植际絻?nèi)燃機+煙氣熱水型溴化鋰機組”運行，為數(shù)據(jù)中心供電、供冷。當(dāng)發(fā)電機組負(fù)荷降低，難以滿足數(shù)據(jù)中心電負(fù)荷需求時，市電補充。冷負(fù)荷波動，溴化鋰機組提供冷量小于數(shù)據(jù)中心需要冷量時，離心式電制冷機運行補充。內(nèi)燃機的高溫?zé)煔饧案滋姿峁崃窟^多時，高溫?zé)煔馔ㄟ^電動三通閥排空，保證機組正常運行。

谷段電價時段，采用“市電+離心式電制冷機組”運行方式。能源站全年運行指標(biāo)見表3。

表3 能源站運行指標(biāo)

4 經(jīng)濟性分析

4.1 數(shù)據(jù)中心燃?xì)夥植际侥茉凑窘?jīng)濟性

4.1.1 投資估算

按照《電力建設(shè)工程估算指標(biāo)（2016 版）》進行投資估算編制，結(jié)果見表4。能源站靜態(tài)總投資1.87 億元，其中建筑工程費2 240 萬元，占比12.0%；設(shè)備購置費11 082 萬元，占比59.36%；安裝工程2 654 萬元，占比14.21%；其他費用1 805 萬元，占比9.67%；基本預(yù)備費889 萬元，占比4.76%。

表4 能源站系統(tǒng)投資概算 萬元

4.1.2 財務(wù)評價

主要成本參數(shù)：資本金占比30%。直供電價，參照杭州市35 kV 大工業(yè)電價，峰平時段電價按九五折優(yōu)惠；含稅氣價2.37 元/m3；水價按市政自來水價2.5 元/t；維修費率前三年取2.5%，之后取5%；保險費率0.25%；材料費按發(fā)電量計，取8 元/MWh；其他費用10 元/MWh。能源站定員10 人，人均年工資10 萬元，福利費系數(shù)取60%。直供電稅率取13%；供冷稅率取9%；天然氣稅率取9%。

在以上邊界條件內(nèi)按IRR（內(nèi)部收益率）為8%反算得到項目供冷價格為0.366 元/kWh，與同類型項目0.46 元/kWh 相比[14]，具有一定優(yōu)勢。

若能源站所發(fā)電力全額上網(wǎng)，電價執(zhí)行浙江燃?xì)夥植际脚R時上網(wǎng)電價0.65 元/kWh，冷價按照0.46 元/kWh，此時項目IRR＜0，能源站不具備盈利能力。

4.2 與傳統(tǒng)市電方案對比

4.2.1 模式一：能源站由第三方建設(shè)

能源站由發(fā)電集團、燃?xì)饧瘓F、地方能源集團等投資方建設(shè)，對數(shù)據(jù)中心進行冷、電聯(lián)供，直供電價取市電電價的九五折，冷價為0.366元/kWh。此時“燃?xì)夥植际?市電”供能方案與傳統(tǒng)兩路市電方案相比，數(shù)據(jù)中心年用能成本見表5。

表5 2 種方案用能成本對比

傳統(tǒng)兩路市電方案PUE 值為1.51，“燃?xì)夥植际?市電”方案PUE 降低至1.32。不考慮用能經(jīng)濟性，若谷段電價時段仍通過燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)對數(shù)據(jù)中心供能，PUE 有望進一步降至1.19。

從用能成本考慮，傳統(tǒng)市電方案年用能成本為9 022.16 萬元，“燃?xì)夥植际?市電”方案用能成本為10 874.66 萬元，較兩路市電方案增加了1 852.50 萬元。對數(shù)據(jù)中心業(yè)主而言，燃?xì)夥植际焦┠芊桨鸽m然降低了數(shù)據(jù)中心PUE 值，但年用能成本有明顯提高，這是限制數(shù)據(jù)中心燃?xì)夥植际侥茉凑鹃_發(fā)的主要因素[15-16]。

依據(jù)4.1.2 節(jié)財務(wù)評價條件，經(jīng)測算知能源站氣價與供冷價格呈線性關(guān)系（見圖5）。當(dāng)氣價為1.712 元/m3時，“燃?xì)夥植际?市電”供能方案與兩路市電方案供能成本相當(dāng)；當(dāng)氣價低于1.712元/m3時，“燃?xì)夥植际?市電”供能成本更具經(jīng)濟性。

圖5 模式一條件能源站氣價與數(shù)據(jù)中心年用能成本變化示意

4.2.2 模式二：能源站由數(shù)據(jù)中心業(yè)主建設(shè)

若燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)由數(shù)據(jù)中心業(yè)主自建，從數(shù)據(jù)中心供能成本考慮，主要包括燃?xì)夥植际侥茉凑竟┠艹杀炯皵?shù)據(jù)中心谷段電價成本。其中，燃?xì)夥植际侥茉凑竟┠艹杀局饕ㄈ剂铣杀?、水費、材料費、檢修費、人工及福利費、折舊費、修理費以及相關(guān)財務(wù)費用，詳見圖6，壽命期內(nèi)平均成本為5 792 萬元。綜合考慮數(shù)據(jù)中心谷段用電成本，此時數(shù)據(jù)中心年用能成本為7 950.01 萬元，相較兩路市電供能方案，年節(jié)省用能成本1 072.15 萬元，節(jié)能效益可觀。

圖6 模式二條件燃?xì)夥植际侥茉凑灸赀\行成本

圖7 模式二條件氣價與數(shù)據(jù)中心年用電成本變化

測算得到該模式下氣價與數(shù)據(jù)中心年用能成本關(guān)系如圖7 所示，當(dāng)氣價低于3.080 元/m3時，“燃?xì)夥植际侥茉凑?市電”聯(lián)合供能模式更具經(jīng)濟性。

5 結(jié)論與建議

隨著5G 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的演進與迭代，數(shù)據(jù)中心的市場需求將持續(xù)擴大。受能耗高的影響，在發(fā)達省市項目落地較為困難。燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)有助于數(shù)據(jù)中心節(jié)能，降低數(shù)據(jù)中心PUE 值，為數(shù)據(jù)中心在發(fā)達地區(qū)的建設(shè)提供有力支持。通過對數(shù)據(jù)中心燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)的方案對比及經(jīng)濟性分析，可以得到以下主要結(jié)論：

（1）燃?xì)夥植际侥茉凑咀鳛閿?shù)據(jù)中心的配套能源供應(yīng)系統(tǒng)，有助于降低數(shù)據(jù)中心PUE 值，節(jié)能效果顯著，但是否有助于降低數(shù)據(jù)中心年用能成本值得商榷。供能經(jīng)濟性是制約燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)為數(shù)據(jù)中心供能的主要因素。

（2）從目前市場條件考慮，由數(shù)據(jù)中心業(yè)主投資建設(shè)燃?xì)夥植际侥茉凑靖鼮楹线m，數(shù)據(jù)中心用能成本顯著降低。地方能源公司、燃?xì)夤镜绕渌顿Y機構(gòu)受直供電政策壁壘、供能價格及投資收益指標(biāo)等因素限制，為數(shù)據(jù)中心建設(shè)配套分布式能源站需結(jié)合邊界條件做詳細(xì)財務(wù)論證。