數(shù)據(jù)中心分布式供能系統(tǒng)可用性與經(jīng)濟性匹配關(guān)系研究

王世朋，謝玉榮，趙大周，朱良君

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030；2.國家能源分布式能源技術(shù)研發(fā)（實驗）中心，杭州 310030；3.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

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，全球數(shù)據(jù)中心建設(shè)步伐明顯加快。在移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、5G 等技術(shù)的推動下，數(shù)據(jù)中心市場規(guī)?？焖贁U張，近十年間，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心市場平均增速達到了31.3%[1-2]。目前數(shù)據(jù)中心耗電量已超過國內(nèi)總耗電量的2%，數(shù)據(jù)中心高耗能性已成為限制其發(fā)展的關(guān)鍵因素[3-4]。燃氣分布式供能系統(tǒng)供能特性與數(shù)據(jù)中心負荷需求高度匹配，通過能源梯級利用及電力就地消納，可有效降低數(shù)據(jù)中心PUE（電能利用效率），由此數(shù)據(jù)中心分布式供能系統(tǒng)也成為行業(yè)研究熱點[5-12]。

目前行業(yè)對于分布式微網(wǎng)可靠性已開展深入探討[13-14]，對于數(shù)據(jù)中心分布式供能系統(tǒng)的經(jīng)濟性、可用性分別做了大量研究。文獻[2]以杭州為例進行數(shù)據(jù)中心分布式供能系統(tǒng)經(jīng)濟性分析，對分布式供能系統(tǒng)與傳統(tǒng)供能模式經(jīng)濟性作了對比分析。文獻[3]針對數(shù)據(jù)中心UPS（不間斷電源）系統(tǒng)從經(jīng)濟運行角度進行了運行優(yōu)化策略研究。文獻[5]對燃氣冷熱電三聯(lián)供在數(shù)據(jù)中心供能的現(xiàn)狀、特點、可用性進行了較為全面的分析，主要強調(diào)燃氣分布式供能系統(tǒng)可有效降低數(shù)據(jù)中心綜合用能成本。文獻[6]從系統(tǒng)多目標優(yōu)化設(shè)計方面出發(fā)，探討了光伏、燃氣等分布式供能系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心供能經(jīng)濟，開展了與二氧化碳減排方面相關(guān)的裝機策略研究。文獻[7]對數(shù)據(jù)中心供能可用性與可靠性的國內(nèi)外定義與計算方法進行綜述總結(jié)，明確燃氣分布式供能系統(tǒng)有利于提高數(shù)據(jù)中心可用性。文獻[8]對數(shù)據(jù)中心分布式能源系統(tǒng)的可靠度測算進行了整體建模。文獻[9]從需求角度提出并構(gòu)建了分布式能源系統(tǒng)供電可靠性評估模型。但相關(guān)研究中目前尚未建立針對數(shù)據(jù)中心分布式供能系統(tǒng)可用性與經(jīng)濟性的最佳匹配關(guān)系，難以指導(dǎo)工程實踐應(yīng)用。

本文以上海地區(qū)某數(shù)據(jù)中心為例，建立分布式供能系統(tǒng)可用性模型及經(jīng)濟性模型，以關(guān)鍵設(shè)備配備數(shù)量作為系統(tǒng)供能可用性及供能經(jīng)濟性最佳匹配著眼點，為后續(xù)同類項目開發(fā)提供借鑒。

1 數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)的構(gòu)成及要求

根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》將數(shù)據(jù)中心分為A，B，C 三個等級，不同等級數(shù)據(jù)中心的供能要求不同[15]。其中，A 類數(shù)據(jù)中心是指其運行中斷將造成重大經(jīng)濟損失或公共場所秩序嚴重混亂，對于供能的可靠性要求十分高，要求由雙重電源供電，變壓器采用2N 設(shè)置，同時配備1 路柴油發(fā)電機備用，柴油機按照N+X 設(shè)置，不間斷電源系統(tǒng)按照2N 配置。當前行業(yè)一般要求A 類數(shù)據(jù)中心供電可用性達到99.999 9%，通常情況下2 路獨立市電足以滿足相關(guān)要求。但多數(shù)情況下，數(shù)據(jù)中心受多種現(xiàn)實因素制約難以滿足2 路獨立市電的條件，燃氣分布式能源作為數(shù)據(jù)中心的補充供能系統(tǒng)也由此被行業(yè)接收。

采用數(shù)據(jù)中心分布式供能方案主要優(yōu)點可作為數(shù)據(jù)中心的1 路補充電源，且冷電聯(lián)供降低數(shù)據(jù)中心的PUE。具體方案主要包含2 種類型：A方案是由燃氣分布式能源替代1 路市電，由其作為數(shù)據(jù)中心的主供能系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心進行冷電聯(lián)供，參見圖1（a）；B 方案是由燃氣分布式能源作為數(shù)據(jù)中心的補充能源，為數(shù)據(jù)中心進行冷電聯(lián)供，但其不替代任何1 路市電，參見圖1（b）。其中A 方案由于要替代1 路市電，因此為保障數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)的可用性，往往需要對燃氣分布式供能系統(tǒng)的主設(shè)備進行冗余配備以提高系統(tǒng)供能可用性。在此基礎(chǔ)上，燃氣分布式供能成本與其供能系統(tǒng)可用性之間的關(guān)系就直接影響系統(tǒng)配備，這是數(shù)據(jù)中心建設(shè)方及其能源解決方案提供方之間的一個爭執(zhí)焦點，嚴重限制了數(shù)據(jù)中心分布式供能系統(tǒng)的推廣。

圖1 數(shù)據(jù)中心分布式供能系統(tǒng)

2 主要指標

2.1 可用性

可用度表征一個設(shè)備或系統(tǒng)在需要使用的時間內(nèi)可運行與可維護的程度，一般可用百分數(shù)表示，指系統(tǒng)在使用過程中，可正常使用的時間與總運行時間之比，越接近1 表示可用性越強，其表達式如下：

式中：TMTBF表示相連兩次故障之間的平均工作時間；TMTTR表示設(shè)備或系統(tǒng)平均修復(fù)時間。

在串聯(lián)系統(tǒng)中，任一設(shè)備損壞將導(dǎo)致系統(tǒng)故障，系統(tǒng)可用性模型見圖2（a）。

圖2 串聯(lián)及并聯(lián)系統(tǒng)可用性邏輯框圖

串聯(lián)系統(tǒng)可用性計算式為[16]：

式中：As表示系統(tǒng)可用度；Ai表示系統(tǒng)中第i 個設(shè)備或子系統(tǒng)的可用度。

并聯(lián)系統(tǒng)中，并聯(lián)設(shè)備中只要有1 個可以正常運行則系統(tǒng)就可以正常工作，系統(tǒng)可用度模型見圖2（b）。

并聯(lián)系統(tǒng)中存在兩種類型，第一種是n 臺設(shè)備或子系統(tǒng)同時運行；第二種是n 臺規(guī)格相同的設(shè)備或子系統(tǒng)以N+X 型式進行配置，其中N 為設(shè)備或子系統(tǒng)的運行數(shù)量，X 為備用數(shù)量。

第一種類型并聯(lián)系統(tǒng)可用度Ap，1計算公式為[9]：

第二種類型并聯(lián)系統(tǒng)可用度Ap，2計算公式為[9]：

2.2 經(jīng)濟性

經(jīng)濟性指標以數(shù)據(jù)中心單位用能成本來衡量。單位用能成本表達式如下：

式中：Pc為單位用能成本；Qpower，c為數(shù)據(jù)中心市電耗電量；Ppower，c為市電電價；Cdis為燃氣分布式供能系統(tǒng)成本；Qpower為數(shù)據(jù)中心耗電量；Qcold為數(shù)據(jù)中心用冷量。

Cdis可用式（5）表示：

式中：Cdep為燃氣分布式系統(tǒng)年折舊成本；Cfule為系統(tǒng)年耗燃氣費用；Cwat為系統(tǒng)年耗水成本；Crep為系統(tǒng)年修理費；Cmat為系統(tǒng)年材料費；Clab為系統(tǒng)年人工成本；Coth為系統(tǒng)年其他費用成本。

2.3 PUE

PUE 是數(shù)據(jù)中心研究、設(shè)計、設(shè)備選型及評價的主要指標之一，指數(shù)據(jù)中心全年消耗電量與數(shù)據(jù)中心IT 設(shè)備耗電量之比，其表達式如下：

式中：PT為數(shù)據(jù)中心總耗電量；PIT為數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備耗電量。

工業(yè)和信息化部明確規(guī)定：綠色數(shù)據(jù)中心的PUE 應(yīng)在1.5 以下，北京、天津、浙江等地區(qū)要求新建數(shù)據(jù)中心PUE 必須在1.5 以下，上海要求新建數(shù)據(jù)中心PUE 不得超過1.3。對數(shù)據(jù)中心PUE 的嚴格控制一定程度上促進了燃氣分布式供能系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用。

2.4 綜合能源利用效率

燃氣分布式供能系統(tǒng)綜合能源利用效率指一段時期系統(tǒng)輸出供電量及供熱（冷）量的當量熱量之和與耗氣量對應(yīng)熱量的百分比，一般不低于70%，具體表達式如下[17]：

式中：η 為年均綜合能源利用率；W 為年聯(lián)供系統(tǒng)凈輸出電量；Q1為年有效余熱供熱總量；Q2為年有效余熱供冷總量；B 為年聯(lián)供系統(tǒng)燃氣總耗量；QL為燃料低位發(fā)熱量。

3 實際案例分析

上海市某A 類數(shù)據(jù)中心規(guī)劃建筑面積12 000 m2，配置1 800 個機架?？鄢照{(diào)系統(tǒng)制冷負荷后，數(shù)據(jù)中心全年電負荷為15.88 MW，其中IT設(shè)備使用功率為12.6 MW；全年平均冷負荷需求13.55 MW，最大冷負荷14.01 MW，最小為12.95 MW，全年冷負荷波動情況見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)中心冷負荷變化情況

針對數(shù)據(jù)中心用能需求，配備“市電+燃氣分布式供能系統(tǒng)”，其中燃氣分布式供能系統(tǒng)主機選用4.4 MW 內(nèi)燃機，數(shù)量從1 至7。當配備內(nèi)燃機臺數(shù)不少于4 臺時，燃氣分布式供能系統(tǒng)替代1 路市電，內(nèi)燃機臺數(shù)超出4 臺的部分即為燃氣分布式供能系統(tǒng)的備用臺數(shù)，此時為A 方案，數(shù)據(jù)中心配備“1 路市電+1 路分布式供能系統(tǒng)”；當配備內(nèi)燃機臺數(shù)少于4 臺時，屬于B 方案，燃氣分布式供能系統(tǒng)裝機只能承擔數(shù)據(jù)中心用電負荷的一部分，不具備完全替代1 路市電的基本條件，此時數(shù)據(jù)中心配備“2 路市電+1 路分布式供能系統(tǒng)”。

燃氣分布式供能系統(tǒng)選用的內(nèi)燃機及溴化鋰制冷機主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主機設(shè)備主要參數(shù)

在此背景下建模探討數(shù)據(jù)中心分布式供能系統(tǒng)供能可用性及供能經(jīng)濟性之間的耦合關(guān)系。

3.1 供能系統(tǒng)可用性

數(shù)據(jù)中心供電可用性邏輯框圖見圖4（a），供冷可用性邏輯框圖見圖4（b）。

圖4 數(shù)據(jù)中心供電及供冷可用性邏輯框架

相關(guān)系統(tǒng)或設(shè)備可用性見表2。

表2 子系統(tǒng)可用性參數(shù)表[7-8，16]

圖5 給出了系統(tǒng)供電可用性及供冷可用性隨內(nèi)燃機數(shù)量的變化情況。當內(nèi)燃機少于4 臺時，數(shù)據(jù)中心采用2 路市電；當內(nèi)燃機不少于4 臺時，數(shù)據(jù)中心采用1 路市電，超出4 臺的部分為主設(shè)備備用數(shù)量。一般通過增加主設(shè)備（內(nèi)燃機及溴化鋰制冷機組）備用臺數(shù)來增加分布式供能系統(tǒng)的供能可用性。

圖5 數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)可用性

測算結(jié)果顯示：在主設(shè)備未設(shè)置備機時，“1路市電+1 路分布式供能系統(tǒng)”能夠滿足數(shù)據(jù)中心99.999 9%的供能可用性要求；分布式供能系統(tǒng)主機備用1 臺是數(shù)據(jù)中心分布式供電系統(tǒng)可用性達到上限的閾值，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增加主設(shè)備備用臺數(shù)無助于數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)可用性的進一步提高。供氣管網(wǎng)的可用性是限制燃氣分布式供能系統(tǒng)真正替代數(shù)據(jù)中心1 路市電的主要因素。

數(shù)據(jù)中心供冷系統(tǒng)中電制冷機組配備“4 用1備”，此時電制冷機組的供冷可用性已達到100%，限制供冷子系統(tǒng)可用性的因素在于電源側(cè)；當分布式供能系統(tǒng)主機備用1 臺時，數(shù)據(jù)中心分布式供冷系統(tǒng)可用性達到上限閾值，進一步增加主設(shè)備備用臺數(shù)無助于系統(tǒng)可用性的進一步提高，將導(dǎo)致設(shè)備真正冗余。

3.2 供能系統(tǒng)經(jīng)濟性

數(shù)據(jù)中心分布式供能系統(tǒng)造價參照同類型工程實際概算取值，詳見表3。當內(nèi)燃機數(shù)量超過4臺時，所列投資費用已考慮所減少的1 路市電相關(guān)配套設(shè)施費用。

表3 數(shù)據(jù)中心分布式供能系統(tǒng)造價

數(shù)據(jù)中心市電電價取上海市35 kV 大工業(yè)用電兩部制電價，全年夏季、非夏季峰、平時段的平均電價為802.6 元/MWh。分布式供能系統(tǒng)折舊按照15 年直線折舊處理。水價按照市政自來水價2.5 元/t，天然氣價格取2.5 元/Nm3。材料費率、維修費率、其他費用等參照上海區(qū)域中國國際博覽會分布式能源站、虹橋商務(wù)中心分布式能源站等已投運項目運行成本確定，其中材料費按照系統(tǒng)發(fā)電量確定，費率取8 元/MWh；維修費率按照固定投資取4%；用人數(shù)量根據(jù)系統(tǒng)工作量取5～18 人，單人用工成本取15 萬元/年；其他費用按照系統(tǒng)發(fā)電量確定，費率取10 元/MWh。綜上，對系統(tǒng)年供能成本、單位用能成本、PUE 以及系統(tǒng)綜合能源利用效率進行測算，結(jié)果見圖6。

圖6 供能系統(tǒng)運行參數(shù)與主機數(shù)量變化

燃氣分布式供能系統(tǒng)內(nèi)燃機數(shù)量為4 臺及以上時，系統(tǒng)按照“以電定冷”及“以冷定電”2 種模式運行?！耙岳涠姟蹦Ｊ较拢細夥植际焦┠芟到y(tǒng)供電不足部分由市網(wǎng)補充；“以電定冷”模式下，多余高溫煙氣排空處理。

圖6（a）為數(shù)據(jù)中心年用能成本隨主機臺數(shù)變化情況。當內(nèi)燃機臺數(shù)為4 臺時，數(shù)據(jù)中心年用能成本最低，此時系統(tǒng)為“1 路市電+1 路燃氣分布式供能系統(tǒng)”，燃氣分布式供能系統(tǒng)主機備用臺數(shù)為0；隨著備機臺數(shù)增長，分布式供能系統(tǒng)初始投資提高，年單位折舊成本提高，年總供能成本逐步提高。

圖6（b）為數(shù)據(jù)中心單位用能成本隨主機臺數(shù)變化情況，其變化趨勢與圖5（a）基本相同。在內(nèi)燃機臺數(shù)為4 臺、備用臺數(shù)為0 時單位供能成本最低；“以電定冷”模式供能成本較“以冷定電”模式低2.81%。

圖6（c）為數(shù)據(jù)中心PUE 隨主機臺數(shù)變化情況，隨著內(nèi)燃機臺數(shù)的增加，PUE 值在內(nèi)燃機臺數(shù)為4 臺、主機備機數(shù)量為0 時最低值，此時“以電定冷”模式下PUE 為1.355，“以冷定電”模式下為1.359。之后隨著主機臺數(shù)增加，PUE 保持不變。

圖6（d）為燃氣分布式供能系統(tǒng)綜合能源利用效率隨主機臺數(shù)變化情況，當主機臺數(shù)少于4 臺時，系統(tǒng)裝機不足，所供電、冷可被數(shù)據(jù)中心全部消納，綜合能源利用效率穩(wěn)定在83.02%；隨著主機臺數(shù)不少于4 臺，“以電定冷”模式下受負荷波動影響，系統(tǒng)低負荷運行時段，部分時段出現(xiàn)高溫煙氣直排現(xiàn)象，系統(tǒng)綜合能源利用效率出現(xiàn)較大幅度下降，系統(tǒng)效率降低到73.83%；“以冷定電”模式下，系統(tǒng)通過蓄冷罐調(diào)峰填谷，系統(tǒng)效率穩(wěn)定在82.17%。

綜上可知，燃氣分布式供能系統(tǒng)可有效降低數(shù)據(jù)中心單位用能成本。內(nèi)燃機數(shù)量為4 臺時，數(shù)據(jù)中心分布式供能系統(tǒng)單位供能成本最低，此時數(shù)據(jù)中心PUE 達到最低值。在內(nèi)燃機數(shù)量不少于4 臺的情況下，燃氣分布式供能系統(tǒng)存在“以冷定電”及“以電定冷”2 種運行模式，“以冷定電”模式綜合能源利用效率高于“以電定冷”模式，但其單位供能成本較“以電定冷”模式略高。當內(nèi)燃機數(shù)量增長、備機數(shù)量增加時，系統(tǒng)固定投資增加，而系統(tǒng)供能量并無增長，單位用能成本開始增長。

3.3 供能系統(tǒng)可用性及經(jīng)濟性的耦合關(guān)系

綜合3.1 和3.2 可知，數(shù)據(jù)中心燃氣分布式供能系統(tǒng)可以有效降低數(shù)據(jù)中心PUE，減少其年能源成本。其中，在燃氣分布式系統(tǒng)按照欠匹配原則設(shè)置時，系統(tǒng)綜合能源利用效率最高，但其不具備完全替代1 路市電的基本條件，數(shù)據(jù)中心供電可用性、供冷可用性與2 路市電無差異；在燃氣分布式系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)中心冷、電負荷進行系統(tǒng)設(shè)計時，數(shù)據(jù)中心單位用能成本最低，同時也可滿足數(shù)據(jù)中心99.999 9%的供能可用性要求，但燃氣分布式供能系統(tǒng)可用性受燃氣管網(wǎng)可用性限制低于市電可用性，“1 路市電+1 路燃氣分布式能源供能系統(tǒng)”的可用性略低于2 路市電方案；為提高數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)可用性，對燃氣分布式供能系統(tǒng)主要動力設(shè)備進行冗余配備，配備1 臺備機即達到燃氣分布式供能系統(tǒng)的可用性上限，燃氣分布式系統(tǒng)運行模式調(diào)整對于數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)可用性與經(jīng)濟性的耦合關(guān)系不會造成根本性改變，此時限制數(shù)據(jù)中心分布式供能系統(tǒng)可用性的因素是供氣管網(wǎng)的可用性，2 臺乃至更多數(shù)量的備機對分布式供能系統(tǒng)的可用性并無顯著提高，反而會提高系統(tǒng)單位供能成本。

4 結(jié)語

本文通過建立數(shù)據(jù)中心分布式供能系統(tǒng)可用性模型，以上海地區(qū)為例建立系統(tǒng)供能成本與可用性耦合模型，對數(shù)據(jù)中心單位供能成本、年總用能成本、PUE 以及系統(tǒng)綜合能源利用效率進行對比分析，結(jié)果顯示：在上海當前燃氣氣價（2.5元/Nm3）及市網(wǎng)銷售電價（全年峰、平時段平均電價802.6 元/MWh）條件下，燃氣分布式供能系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)中心冷、電負荷進行裝機匹配及系統(tǒng)設(shè)計時，系統(tǒng)經(jīng)濟性最好，此時供能系統(tǒng)也可滿足數(shù)據(jù)中心供能可用性要求。為提高數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)可用性，對燃氣分布式供能系統(tǒng)原動機進行冗余配備，配備1 臺備機即滿足數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)可用性要求。燃氣分布式供能系統(tǒng)運行模式調(diào)整對于系統(tǒng)經(jīng)濟性與可用性匹配關(guān)系不會造成根本性影響，限制數(shù)據(jù)中心分布式供能系統(tǒng)可用性的因素并非原動機備用臺數(shù)，而是供氣管網(wǎng)的可用性。2 臺乃至更多數(shù)量的備機對數(shù)據(jù)中心分布式供能系統(tǒng)可用性并無顯著提高，反而會提高系統(tǒng)單位供能成本，影響系統(tǒng)整體效益。

系統(tǒng)模型相關(guān)參數(shù)依據(jù)上海實際情況取值，不同地區(qū)單位成本可能有所偏差，但系統(tǒng)變化趨勢大體相似，可為后續(xù)同類項目開發(fā)提供借鑒。