燃氣冷熱電三聯供系統在IDC機房的適用性研究

許偉明， 代 勇， 梁永建

（1.北京燃氣能源發展有限公司，北京 100101；2.華電電力科學研究院，浙江杭州 310030）

0 引言

燃氣冷熱電三聯供，即CCHP（Combined Cooling，Heatingand Power），屬于分布式能源，是將電力、熱力、制冷等技術按照“梯級利用”原理，將每種技術的冗余限制在最低狀態，利用效率發揮到最大狀態，以達到節約資金的目的。

我國燃氣冷熱電三聯供的發展遠遠落后國外，其主要原因有二：一是缺乏充足的天然氣資源；二是受電力系統管理體制的制約。隨著我國能源結構的調整及天然氣在能源利用中比重的不斷增加，我國以天然氣為燃料的分布式能源系統建設已進入實質性開發實施階段，在北京、上海、廣州等大城市有一批熱、電、冷聯產示范工程投運。如北京燃氣集團指揮監控中心、北京清華科技園（文津國際公寓）、北京會議中心、北京火車南站、北京蟹島生態園區、上海浦東機場、上海舒雅健康休閑中心、廣東鋁業集團、成都深蘭綠色能源站等國內燃氣冷熱電三聯供的工程[1]。

本文結合北京地區某IDC機房工程案例對燃氣冷熱電三聯供在IDC機房應用情況進行安全可靠性分析，探索燃氣冷熱電三聯供在IDC機房的適用性，以期將該三聯供供能方式合理的利用到IDC機房領域。

1 項目建設情況

項目建設的北京地區某IDC機房總建筑面積約為3萬m，包括IDC主機房、輔助區和設備支持區。IDC主機房主要用于存放數據機柜、交換和傳輸設備等，其布置了普通機柜、高密機柜共2500面。

該IDC機房按照《電子信息系統機房設計規范》A級機房標準要求建設，燃氣冷熱電三聯供系統作為IDC機房的能源供應設施，為IDC機房提供必要的冷電需求，在保證IDC機房的正常安全穩定運行下，向周圍建筑物提供冷、熱供應。建設的燃氣冷熱電三聯供系統要配合IDC機房整體設計要求和理念，建設成為可靠、安全、高效、節能、低污染的現代化供能中心[2]。

表1 對于A級電子信息系統機房設計要求

2 負荷分析及要求

燃氣冷熱電三聯供系統常年為IDC機房提供用電及用冷需求，燃氣冷熱電三聯供系統的供電系統及空調系統設計均應滿足《電子信息系統機房設計規范》（GB50174-2008）要求。

2.1 用電負荷特點與供電要求

IDC機房主要用電包括主機設備、服務器、通訊設備、專用空調、應急照明、消防用電等，利用eQUEST軟件分析測算IDC機房全年總用電量波動范圍較?。?.9～1）。

按照A級IDC機房的設計規范要求，供給IDC機房的用電電源有兩路和有冗余的備用電源系統。且雙路電源?？照{系統配電，確?？照{系統供冷的連續性和穩定性。

2.2 冷負荷特點與空調要求

IDC機房的冷負荷由主要工藝設備的散熱形成冷負荷、圍護結構傳熱形成冷負荷、新風引起冷負荷、照明散熱和人體散熱形成冷負荷組成。

IDC機房中主要工藝設備散熱量大且集中，主要為設備的顯熱，即使在冬季也需要供冷，因而供冷負荷隨季節變化波動不大，全年均需供冷。利用eQUEST軟件分析計算，IDC機房冷負荷受外界氣候等條件影響很小，冷負荷變化幅度為0.9～1。

按照A級IDC機房的設計規范要求，要求空調系統常年為IDC機房提供冷量，維持IDC機房的溫度恒定。要求配置冗余的空調系統的冷水機組、冷凍和冷卻水泵。

2.3 熱負荷特點與空調要求

由于IDC機房內設備常年散熱，常年無需采暖。冬季采暖僅滿足周邊的辦公及相關配套建筑。

2.4 系統總容量

為滿足IDC機房總用電和用冷需求和設計規范，燃氣冷熱電三聯供系統配置見表2[3]：

在滿足IDC機房全部用電量和用冷量的同時，由于系統配置總制冷能力遠大于IDC機房需冷量，可考慮為IDC機房周邊建筑提供冷量約為16.8MW，提高項目經濟性。其系統中燃氣熱水鍋爐與余熱直燃機可為IDC機房周邊建筑提供采暖需求，預計采暖面積約為48萬m2。

表2 設備類型、容量及冗余率

3 設備配置分析

3.1 燃氣冷熱電三聯供系統配置原則

燃氣冷熱電三聯供系統的設備配置原則如下：（1）燃氣內燃發電機組作為主電源，發電設備的設置臺數按N+1考慮。

（2）雙路市電備用：要求供給IDC機房的備用電源為雙路，且兩路電源不應同時受到損壞。

（3）雙路冗余UPS供電：若燃氣內燃發電機組全部受到損壞，切換到市電的過程中，可由UPS提供短暫的電源。

（4）余熱直燃機按100%補燃考慮，在發電機停運時，可以通過補燃保證冷供應。

（5）設置備用電制冷機，在余熱直燃機停運時，可以用電制冷機帶全部冷負荷。

（6）水泵、冷卻塔等臺數設置均按N+1考慮。

3.2 常規供能系統的設備配置原則

常規供能系統是指市政電力作為IDC機房電源，電制冷機組提供IDC機房冷源。常規供能系統的設備配置原則如下：

（1）雙路市電作為主電源，其各自帶50%負荷，且兩路電源不應同時受到損壞。

（2）柴油發電機組作為備用電源，設置臺數按N+1考慮。

（3）雙路冗余UPS供電：若雙路市電全部受到損壞，切換到柴油發電機組的過程中，可由UPS供電。

（4）配置N+1的電制冷機組，且兩路電源，其中至少一路為應急電源，即備用柴油發電機組作為電制冷機組的應急電源。

（5）水泵、冷卻塔等臺數設置均按N+1考慮。

3.3 兩種供能系統的安全性對比

為備用電源。

現在，又一個浪頭打了來，木桶最終還是經不住大浪，被打了個底朝天，等孔老一把木桶再翻轉過來時，潘云早沒了身影。

燃氣內燃發電機組產生的10kV電送入其10kV母線，并分別饋出1路電源至IDC機房變配電室的10kV母線，帶IDC機房的用電負荷。根據電力公司接入系統的相關規定和要求，要求在并網線路10kV線路側不允許潮流返送，在開關站所帶負荷需就地平衡。為防止向系統返送潮流造成對系統以及其他用戶的影響，在開關站并網線路上需加裝逆功率保護。

燃氣冷熱電三聯供系統中直燃機、冷凍水泵、冷卻水泵、循環水泵、補水泵、冷卻塔及其它用電設備等分別由低壓0.4kV系統接入。

當市電停電時，燃氣冷熱電三聯供系統為燃氣內燃發電機黑啟動配有EPS電源，以滿足一臺燃氣內燃發電機自身啟動時所需電力需要。當一臺燃氣內燃發

表3 兩種供能系統的安全性對比

由表3對比可知，燃氣冷熱電三聯供系統的供能保障度不低于常規系統。

（1）燃氣冷熱電三聯供系統對外部市政條件依賴程度小。唯有市政電力和燃氣同時出現故障，才致使三聯供系統無法正常供能。

（2）系統之間的設備互備率高。燃氣冷熱電三聯供系統的同類型設備之間的互備率高，且發電機組與市電組成互備，余熱直燃機與電制冷組成互備，大大提高了系統的運行可靠性。

4 供能模式

4.1 供電模式

燃氣冷熱電三聯供系統中發電機組采用4用1備配置方式，并網運行方式。燃氣內燃發電機組全年運行，全年為IDC機房提供電、冷。發電機組作為常用電源，年運行約8000h，為IDC機房提供電負荷，雙路市電作電機啟動以后再依次啟動其余燃氣內燃發電機。

4.2 供冷模式

由于燃氣冷熱電三聯供系統全年運行，優先利用燃氣內燃發電機組所產生的煙氣與缸套水余熱制冷。其中余熱直燃機也采用4用1備配置方式。

過渡季和夏季，余熱直燃機利用燃氣內燃發電機燃燒天然氣產生的煙氣余熱和高溫缸套水余熱進行制冷，以滿足IDC機房冷量需求。

冬季，由于室外溫度較低，采用自然冷卻方式（免費制冷方式）為IDC機房提供冷量，燃氣內燃發電機產生的余熱可對周邊建筑供暖。

正常情況下，燃氣內燃發電機產生的煙氣和缸套水進入余熱直燃機制冷為IDC機房提供冷量。同時，系統備用的電制冷機處于備用狀態，為提高備用電制冷機的利用率，考慮利用備用電制冷機向周邊建筑供冷，也提高了項目的經濟性。

當余熱直燃機出現故障時，備用的電制冷機可及時切換保證IDC機房的供冷連續性。

4.3 供熱模式

由于IDC機房冬季的全年散熱量穩定，冬季也需要制冷，利用自然冷卻方式（免費制冷方式）為IDC機房提供冷量，不僅大大降低系統的電耗，而且提高了項目的經濟型。

同時，余熱直燃機利用燃氣內燃發電機的余熱進行制熱，可滿足周邊建筑冬季采暖負荷需求。配置燃氣鍋爐用于周邊建筑采暖負荷調峰。

燃氣冷熱電三聯供系統冬季供暖模式延長了燃氣內燃發電機年運行小時數，余熱利用最大化，提高系統整體能源利用率，節省了周邊建筑的市政設施投入。

5 結語

本文通過分析研究燃氣冷熱電三聯供系統在IDC機房運行中的安全可靠性和節能減排的效果。按照電子信息機房設計規范要求配置系統設備，滿足電源和冷源的冗余要求，通過分析對比三聯供系統與常規供能系統的安全性，得出在IDC機房領域的燃氣冷熱電三聯供系統的安全性不低常規供能系統，滿足IDC機房用能要求，其節能效果明顯，同時也充分證明燃氣冷熱電聯產在IDC機房具有普遍適用性。

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[1]朱成章.美國冷熱電聯產綱領及啟示[J].中國電力，2000，33（9）：91～94.

[2]楊建新，徐成，王如松.產品生命周期評價方法及應用[M].氣象出版社，2002，6.

[3]金紅光，鄭丹星，徐建中.分布式冷熱電聯產系統裝置及應用[M].中國電力出版社，2010，2.