樓宇型分布式能源系統在數據中心的應用

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有限公司，北京100035）

樓宇型分布式能源系統在數據中心的應用

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有限公司，北京100035）

樓宇型分布式能源系統是綜合解決樓宇電、冷、熱需求的有效手段。數據中心的冷電比與分布式能源系統所提供的冷電比接近，且全年電、冷負荷需求平穩，適宜采用分布式能源系統。通過對天津某數據中心運行的能源需求的分析，制定了分布式能源站技術方案。在保證系統安全性的基礎上，實現低碳經濟運行。

分布式能源系統；數據中心；內燃發電機組；吸收式冷溫水機組

0 引言

分布式能源系統是指分布在用戶側的能源梯級利用和可再生能源及資源綜合利用設施，通過在現場對能源實現溫度對口梯級利用，盡量減少中間輸送環節的損耗，實現對資源利用的最大化和系統與投資的最優化的能源系統。[1，2]分布式能源系統與集中發電、遠距離輸電和大電網供電為特點的傳統電力相比，具有節省投資、降低損耗、提高系統可靠性、能源種類多樣化、減少污染等優點，是傳統電力系統的有益補充。

1 天然氣分布式能源在數據中心供能的優勢

天然氣分布式能源是分布式能源系統中技術最成熟、成本較低的供能方式。國際上分布式能源系統主要是以天然氣資源為主，以天然氣為燃料冷熱電聯供已經成為分布式能源的主要內容。

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

樓宇型天然氣分布式能源系統是綜合解決樓宇電、冷、熱需求的有效手段。其主要方式是由發電機組燃燒天然氣產生電能，排出的煙氣和缸套水通過余熱型吸收式冷溫水機組回收進行制冷和制熱，如圖1所示。由于實現了能源的梯級利用，天然氣分布式能源系統的能源綜合利用率達到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

數據中心是實現數據信息集中處理、存儲、傳輸、交換、管理等功能的服務平臺。數據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。相關數據顯示，我國數據中心發展迅猛，總量已超過40萬個，年耗電量超過全社會用電量的1.5%，其中大多數數據中心的PUE（平均電能使用效率）仍普遍大于2.2，與國際先進水平相比有較大差距，節能潛力巨大[4]。推動數據中心綠色改造，實現數據中心能源效率最大化，環境影響最小化，全面提升社會節能環保水平具有十分重要的意義。

數據中心是利用天然氣分布式能源較佳應用場景。首先，天然氣分布式能源系統所提供的冷電比與數據中心所需的冷電比都接近1.1，有較好的吻合匹配度。其次，數據中心全年具有平穩的電、冷負荷需求，可保證分布式能源具有較高的年運行小時數，提高年平均能源綜合利用率。與網電相結合，可以多提供一路可靠的電源，減少對電網的依賴程度，提高系統的供電安全性。另外，天然氣分布式能源系統能夠實現就近供能，可以解決數據中心高用電密度對城市供電負荷產生影響的問題。

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

2 數據中心負荷需求

天津某A級數據中心建筑面積1000m2，主機房由103個機柜組成。

2.1 電負荷

數據中心電負荷需求主要包括：IT設備、冷卻塔水泵、風機、輔助設備、建筑照明等常規設備耗電。根據數據中心提供資料，扣除空調系統制冷電負荷，數據中心全年電負荷基本維持在735kW。

2.2 冷負荷

數據中心所需的冷負荷主要來源于機房電子信息設備散熱，約占總發熱量的80%以上，且全年不間斷運行，全年均需要供冷。數據中心機房多處于建筑內區，冷負荷隨季節變化波動不大，波動范圍在0.8～1.0[5]。根據《電子信息機房設計規范》GB50174，參考國內類似數據中心相關統計信息，結合數據中心提供資料，數據中心夏季冷負荷為900kW，冬季冷負荷為850kW。

數據中心負荷需求，見表1。

表1 數據中心各季節負荷需求分析kW

3 傳統供能方案

我國2008年頒布執行的《電子信息機房設計規范》GB50174對電子信息系統機房做了嚴格的技術要求。根據不同類型和等級的數據中心有不同的供能要求，傳統的A、B類數據中心供能方式是采用市電供電，利用集中式電空調制冷。供電系統采用雙路市電、兩套獨立的UPS系統，每套為N+X冗余；冗余備用柴油發電機，具備10s啟動能力，燃料不少于72h。供冷系統采用電制冷機組，采用N+1配置。

柴油發電機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。考慮到有雙路市電失電的可能性，后備柴油發電機的基本容量應包括不間斷電源系統的基本容量、空調和制冷設備的基本容量、應急照明和消防等設計生命安全的負荷容量。當柴油發電機作為后備電源時，不間斷電源電池備用時間按15分鐘選取。

由上可知，采用傳統供能方式，數據中心的電、冷負荷都轉化為電負荷，對電力需求大。目前，數據中心的電力供應以市電為主，對電網存在較大的依賴，數據中心的用能安全性和可靠性受到電網制約。高用電比和高電價導致每年要支付高額的購電費用，據統計電費成本占數據中心總運營成本的30%-50%。

4 樓宇型分布式能源系統解決方案

4.1 裝機方案

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

根據現場用能情況擬采用下列裝機方案，見表2。

表2 分布式能源系統主要設備配置

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

在能源站附近建設一套水蓄冷裝置。谷值電價時，利用電制冷機組過剩制冷量蓄冷，當吸收式機組制冷量少于數據中心所需冷量且運行電制冷裝置不經濟時，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供冷安全性和穩定性，利用谷值電價進行蓄冷可提高系統經濟性。

4.2 運行方案

分布式能源采用模塊化結構，每個模塊化單元包括一臺燃氣內燃發電機組和一臺吸收式機組。系統運行方式，見表3。

考慮到所在區域峰平谷電價差較大，從提高運行經濟性角度出發，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，采用傳統供能方式。

（1）通常運行方式。

非谷值電價時：

兩臺內燃發電機組發電供能源站和數據中心使用，內燃發電機組的煙氣和高溫缸套水進入對應的吸收式機組制冷提供數據中心冷負荷需求。

兩臺內燃發電機組與電網并網運行，在兩路進線開關后加裝逆功率保護裝置，當發電機組負荷降低，滿足不了數據中心電負荷需求時，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

兩臺機組可提供800kW電量，滿足發電供能源站和數據中心電力需求；滿負荷運行時，吸收式機組可提供數據中心所需冷量。當因負荷波動等原因導致吸收式機組制冷量少于數據中心所需冷量時，差額部分由蓄冷水罐或電制冷機提供。當煙氣和缸套水提供的熱量過多時，高溫煙氣可通過電動三通閥排空，保證不影響發電機組正常運行。

在谷值電價時（表3中括號內運行方式）：

采用市電供電，電制冷機組制冷的方式運行，停運兩臺內燃發電機組和吸收式機組。

（2）一臺內燃發電機組或對應的吸收式機組需要檢修時。

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

（3）一路市電失（停）電。

兩臺內燃發電機組和兩臺吸收式機組提供所需電力和冷量，另一路市電備用，斷開失（停）電側進線開關，合上兩母線分段開關。

（4）兩路市電同時失電。

兩臺內燃發電機組和兩臺吸收式機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 分布式能源系統運行方式

4.3 運行情況分析

主要設備性能參數，見表4。

表4 主要設備性能參數

5 效益分析

非谷值電價時采用天然氣分布式能源系統為數據中心供能。非谷值電價時，分布式能源系統與常規系統的能耗分析，見表5。

5.1 年平均能源綜合利用效率

分布式能源系統年平均能源綜合利用效率可采用下式進行計算[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—年燃氣總耗量，m3；

QL—燃氣低位發熱量，MJ/m3。

根據表5中的能耗分析結果，可計算出能源站的年平均能源綜合利用效率為82.66%。

5.2 設備投資

與傳統供能方式相比，系統增加了內燃發電機組、吸收式機組和水蓄冷裝置及輔助設備，新增設備投資900萬元。利用數據中心地下一層建設能源站，加上工程建設費，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與傳統供能系統的能耗分析

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

所在區域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，年平均生產運行費用降低355萬元，系統靜態投資回收期為3.66a。

5.4 安全性

采用分布式能源供能方式可以達到與傳統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 節能減排量

根據國家發改委氣候司公布的《2011年中國區域電網基準線排放因子》，單位發電量CO2排放因子為0.6426t/(MWh)。根據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。根據表5數據計算，傳統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，環境效益顯著。

6 結語

數據中心是高耗能單位，其電冷負荷比較平穩，與分布式能源電冷聯供所提供的電冷負荷比較為匹配，比較適合采用天然氣分布式能源系統供能。通過合理的設計，分布式能源系統的供能安全性和經濟性完全能達到甚至超過傳統分供系統。天然氣分布式能源為數據中心提供一路可靠的電源，提高供電安全性，減少電網的影響；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，谷值電價采用電網供能，實現了對電網和氣網的“削峰填谷”，可減少公用設施的投資和運行費用。

樓宇式分布式能源系統應用于數據中心可以提高數據中心用能可靠性，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.分布式能源系統及其運行特性分析[J].上海電力學院學報，2009，（5）：427-432.

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

[3] 發改能源〔2011〕2196號，關于發展天然氣分布式能源的指導意見[S]. [4] 工信部聯節〔2015〕82號，國家綠色數據中心試點工作方案[S].

[5] 王強，夏成軍，唐智文.分布式能源在數據中心應用的可行性探析[J].電網與清潔能源，2013，（9）：87-90.

[6] 林世平.燃氣冷熱電分布式能源技術應用手冊[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產系統在數據中心的應用分析[J].發電與空調，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，Fushun 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，學士，高級工程師，從事天然氣分布式能源和節能技術研究。

2016-09-08