數(shù)據(jù)中心三聯(lián)供技術(shù)簡析

李慶生

（重慶能控動力技術(shù)有限公司，重慶 400000）

0 引言

隨著以互聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)為代表的信息經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心已成為信息社會重要的基礎(chǔ)設(shè)施，迎來快速發(fā)展期，國內(nèi)紛紛布局發(fā)展數(shù)據(jù)中心，我國在數(shù)據(jù)中心的布局建設(shè)上也不遺余力。目前的數(shù)據(jù)中心不僅在規(guī)模和數(shù)量上持續(xù)攀升，而且數(shù)據(jù)中心還在向綠色節(jié)能化方向發(fā)展。

供能系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)中心能源供應(yīng)，是數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的重要保障。隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模及數(shù)量持續(xù)增長，將促使數(shù)據(jù)中心的供能需求持續(xù)攀升。

1 數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)概述

數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心運(yùn)行所需電力和IT設(shè)備冷卻所需冷負(fù)荷，其通常由供配電系統(tǒng)和空調(diào)冷卻系統(tǒng)兩部分組成。

2 數(shù)據(jù)中心供能特點

根據(jù)數(shù)據(jù)中心運(yùn)行情況及相關(guān)資料，數(shù)據(jù)中心供能特點如下。

2.1 能源消耗較大

我國數(shù)據(jù)中心年用電量逐漸增加至國家年用電量的1.5%水平。在全球范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)中心也幾乎占到全球發(fā)電量的1%～1.5%。一座高端數(shù)據(jù)中心用電量相當(dāng)于30~40棟高密度住宅用電量。

2.2 供能負(fù)荷變化小

冷負(fù)荷和電負(fù)荷的供應(yīng)全年變化較小。

2.3 供能可靠性要求高

隨著社會發(fā)展和科技進(jìn)步，數(shù)據(jù)中心承載業(yè)務(wù)的重要性越來越高，一旦數(shù)據(jù)中心因為斷電或其他造成關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)丟失或信息系統(tǒng)故障，將嚴(yán)重影響企業(yè)業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行，造成重大損失，甚至對國家安全造成影響。

3 數(shù)據(jù)中心能耗現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)中心運(yùn)營成本超過50%來源于能源消耗，投資占運(yùn)營期的費(fèi)用比例很小，負(fù)荷消耗接近75%是來自能源的消耗，其中包括設(shè)備本身的負(fù)荷，占47%，制冷空調(diào)占25%，所以每年的高額電費(fèi)支出是數(shù)據(jù)中心主要開銷。

數(shù)據(jù)中心二氧化碳排放量約占世界二氧化碳排放量0.6%，而鋼鐵行業(yè)約占1%。

4 三聯(lián)供系統(tǒng)典型工藝路線

根據(jù)三聯(lián)供系統(tǒng)燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備類型，將三聯(lián)供系統(tǒng)分為燃?xì)廨啓C(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)和燃?xì)鈨?nèi)燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)。下面分別論述典型工藝路線。

4.1 燃?xì)廨啓C(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)典型工藝路線

（1）工藝路線一：燃?xì)廨啓C(jī)+煙氣型（補(bǔ)燃）吸收式空調(diào)機(jī)組（見圖1）。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電并產(chǎn)生高溫?zé)煔?，余熱直燃機(jī)利用高溫?zé)煔膺M(jìn)行吸收式制冷或制熱。該系統(tǒng)主要適用冷熱電負(fù)荷非常穩(wěn)定的場所。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)工藝路線一

（2）工藝路線二：燃?xì)廨啓C(jī)＋煙氣余熱鍋爐（補(bǔ)燃）+蒸汽型吸收式制冷機(jī)組。高溫?zé)煔饨?jīng)余熱鍋爐產(chǎn)出蒸汽。制冷工況時，蒸汽作為熱源驅(qū)動吸收式制冷機(jī)組制冷，供用戶冷凍水；供熱工況時，可供用戶蒸汽或通過汽水換熱器二次轉(zhuǎn)換后供熱水。該系統(tǒng)適用于既有蒸汽又有供冷需求用戶。

（3）工藝路線三：燃?xì)廨啓C(jī)＋煙氣—水換熱器+熱水型吸收式空調(diào)機(jī)組。高溫?zé)煔饨?jīng)煙氣—水換熱器制備高溫?zé)崴?。制冷工況時，高溫?zé)崴鳛闊嵩打?qū)動吸收式制冷機(jī)組制冷，供用戶冷凍水；供熱工況時，熱水可提供采暖熱源或生活熱水。該系統(tǒng)造價低，適用熱水負(fù)荷大且非常不穩(wěn)定的場合。

（4）工藝路線四：燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電+蒸汽型吸收式空調(diào)機(jī)組。高溫?zé)煔饨?jīng)余熱鍋爐產(chǎn)出蒸汽，蒸汽帶動汽輪機(jī)發(fā)電。該系統(tǒng)可利用余熱鍋爐蒸汽的抽汽或汽輪機(jī)（背壓）排汽作為熱源，供應(yīng)用戶蒸汽或經(jīng)汽水換熱后供應(yīng)熱水，也可利用蒸汽作為熱源驅(qū)動吸收式制冷機(jī)組制冷，供用戶冷凍水。該系統(tǒng)適用于用電和蒸汽要求較高的場合。

4.2 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)典型工藝路線

（1）工藝路線一：燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)+煙氣（熱水）型吸收式空調(diào)機(jī)組（補(bǔ)燃）+缸套水換熱器（見圖2）。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電并產(chǎn)生高溫?zé)煔夂蛨D2燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)工藝路線一缸套冷卻水、潤滑油冷卻水。供冷工況時，高溫?zé)煔夂透滋桌鋮s水通過吸收式制冷機(jī)組制冷，供用戶冷凍水；供熱工況時，高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱吸收式機(jī)組，制備系統(tǒng)所需供熱熱水，缸套冷卻水和潤滑油冷卻水可通過換熱制備生活熱水。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)系統(tǒng)發(fā)電效率高于燃?xì)廨啓C(jī)，但余熱中缸套冷卻水和潤滑油冷卻水占比較大，適用于有較大規(guī)模熱水需求，特別是生活熱水需求場景。

圖2 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)工藝路線一

（2）工藝路線二：燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)+煙氣余熱鍋爐+蒸汽吸收式空調(diào)機(jī)組+缸套水換熱器。高溫?zé)煔饨?jīng)余熱鍋爐產(chǎn)出蒸汽。供冷工況時，蒸汽作為熱源驅(qū)動吸收式制冷機(jī)組制冷，供用戶冷凍水；供熱工況時，可直接向用戶供應(yīng)蒸汽，也可通過換熱器供應(yīng)采暖熱水或生活熱水。該系統(tǒng)余熱利用通過余熱鍋爐間接進(jìn)行制冷，適用于同時有蒸氣需求和制冷需求的場合。

（3）工藝路線三：燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)+煙氣—水換熱器+缸套水換熱器+熱水型吸收式空調(diào)機(jī)組。高溫?zé)煔饨?jīng)煙氣—熱水換熱器產(chǎn)出高溫?zé)崴９├涔r時，高溫?zé)崴c缸套冷卻水作為熱源驅(qū)動熱水型吸收式制冷機(jī)組制冷，供用戶冷凍水；供熱工況時，高溫?zé)崴c缸套冷卻水、潤滑油冷卻水經(jīng)換熱制備熱水供給用戶。該系統(tǒng)適合電價相對較高，且熱水負(fù)荷較低的用戶。

5 數(shù)據(jù)中心三聯(lián)供系統(tǒng)供能的可行性

5.1 數(shù)據(jù)中心三聯(lián)供簡介

所謂數(shù)據(jù)中心三聯(lián)供系統(tǒng)，是將三聯(lián)供系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心結(jié)合，按照數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)技術(shù)要求配置必要設(shè)備，為數(shù)據(jù)中心提供電力和冷能。三聯(lián)供系統(tǒng)的引入，對原供能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響。

5.2 數(shù)據(jù)中心三聯(lián)供技術(shù)可行性分析

數(shù)據(jù)中心負(fù)荷需求為電負(fù)荷和冷負(fù)荷，其能耗主體為其IT設(shè)備，其電負(fù)荷和冷負(fù)荷比例接近1。將冷負(fù)荷與電負(fù)荷之比定義為冷電比。根據(jù)數(shù)據(jù)中心負(fù)荷特點及負(fù)荷統(tǒng)計數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心冷電比約1.0~1.1。

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)”。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。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(yùn)行的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)電冷比同樣約為1.1。

數(shù)據(jù)中心電能耗量巨大，對供能可靠性要求高，同時冷負(fù)荷需求大，數(shù)據(jù)中心這些特點適合配套建設(shè)天然氣分布式能源。

全年365d穩(wěn)定的電與冷負(fù)荷，保證燃機(jī)較為穩(wěn)定的開機(jī)小時數(shù)。接近1:1的電與冷負(fù)荷，與燃機(jī)的輸出吻合，具有較高的綜合利用效率。三聯(lián)供作為主力供能為數(shù)據(jù)中心提供電與冷的負(fù)荷需求，多余熱量可供應(yīng)周邊的熱負(fù)荷。采用三聯(lián)供系統(tǒng)，可以提高電力供應(yīng)可靠性，三路供電。

用于數(shù)據(jù)中心的天然氣分布式能源站通常也能實現(xiàn)約44%左右的發(fā)電效率和約46%左右的余熱利用效率，當(dāng)采用COP在1左右的溴化鋰吸收式制冷機(jī)組時，其供電供冷比例也接近于1，兩者供電供冷比例相當(dāng)。可保證能源利用的充分性和穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)中心三聯(lián)供技術(shù)供冷系統(tǒng)為水系統(tǒng)，與常規(guī)水冷中央空調(diào)系統(tǒng)在本質(zhì)上是同一種形式。

三聯(lián)供系統(tǒng)將在本項目供電系統(tǒng)中增加燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備，在故障或運(yùn)行一定時間例行維護(hù)時會出現(xiàn)燃?xì)庠O(shè)備間或者燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備和市電之間的切換。隨著電力電子技術(shù)發(fā)展，STS靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的切換時間已經(jīng)可以達(dá)到8ms以內(nèi)，滿足數(shù)據(jù)機(jī)房不間斷供電要求。況且數(shù)據(jù)中心重要負(fù)荷1:1配合配置的UPS電源在外電完全失電的情況下可以維持系統(tǒng)運(yùn)行20min以上，數(shù)據(jù)中心的設(shè)備配置使三聯(lián)供發(fā)電設(shè)備在數(shù)據(jù)中心的運(yùn)用不會對系統(tǒng)造成影響。

根據(jù)技術(shù)分析以及目前數(shù)據(jù)中心三聯(lián)供項目情況，數(shù)據(jù)中心三聯(lián)供從技術(shù)層面來說是可行的。