某數據中心燃氣分布式冷熱電聯供能源站設計總結

周業培 湯 陽 陶 庸

（中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南 長沙 410000）

1 項目概況

數據中心全年不間斷運行，由于其特殊的運行方式，機房需要持續消耗大量的電能，并且不斷釋放大量熱量。因此，數據中心冷電負荷全年較恒定，且冷電用能比例接近1：1。采用燃氣內燃發電機的分布式能源系統，可以實現數據中心用能的供需匹配，同時實現燃氣分布式能源系統“以熱定電”、能源利用效率最大、設備利用率最大化、經濟效益最大化等目標[1]。

數據中心大樓總建筑面積16 700 m2，共7層。電負荷：數據機房1 960 kW，辦公區800 kW。空調采暖負荷：數據中心夏季冷負荷2 000 kW，全年無熱負荷；辦公區夏季冷負荷1 700 kW，冬季熱負荷800 kW[2]。能源站位于電子產業園A6廠房屋頂，是國內首批于屋頂上建設的燃氣分布式能源站。能源站由1臺1 984 kW的燃氣發電機組、1臺2 000 kW的煙氣熱水型溴化鋰機組、2臺1 000 kW的電制冷機組及附屬配套設施組成。

2 系統的先進性

2.1 實現燃氣能源的梯級利用

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、聯合循環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]。本項目基于數據中心機房用能需求穩定的特點，根據負荷需求合理選型，參照當地峰谷電價設計不同時段的運行模式，極大地提高了設備使用率。發電機全年滿載運行小時數3 799 h，遠超過燃氣分布式能源站設計規程中推薦的2 000 h。根據《天然氣分布式能源示范項目實施細則》，計算能源站三聯供系統年平均能源綜合利用率為77.12%，高于《細則》中要求的70%。

2.2 自然冷卻系統節能

本項目位于北京市，全年有4～5個月日平均溫度低于20 ℃，屬于寒冷地區且氣候干燥。以現有設備基礎上實現自然冷卻，空調系統末端流經的冷凍水與冷卻塔出水在板式換熱器內熱交換，冷卻水將機房內的熱量帶走。冷卻塔作為自然冷源，系統運行不開啟制冷主機，大幅度節省電能。經測算，年利用自然冷卻約3 000 h，與采用制冷主機相比，年可節約電量120 萬kWh[2]。

設計時為了保證空調系統的安全、節能運行，在冷卻水管道上設置旁通閥，將冷卻水水溫提高。在由制冷主機工況切換至自然冷卻工況時，避免了制冷主機發送低溫保護，以便順利開啟制冷主機。

2.3 多能互補以及蓄能技術的應用

數據機房需要全年24 h運行，全年需要供電、供冷，用能安全性要求高。

供電方面，數據中心機房的電源由兩路10 kV市政電力、1臺1 948 kW燃氣內燃發電機、1套30 min應急直流UPS蓄電池系統。完全能夠滿足數據中心機房的用電要求。

供冷、供熱方面：

（1）能源站三聯供余熱制冷系統與磁懸浮電離心制冷系統互為備用，不僅提高了用能的可靠性，更可以利用峰谷電價靈活調節系統運行方式，降低能源系統運行成本。

（2）利用已有的設備，在環境溫度適宜的時段，采用自然冷卻供冷，降低系統能耗。

（3）供冷主管道上設計直流式水蓄冷系統。在夜間電價谷值時段，利用電制冷機組運行蓄冷。

（4）辦公區域冬季采暖利用市政集中供熱，設置板式換熱器與辦公區采暖循環系統。

分布式能源站從供電與供冷兩個方面提高了數據機房的用能可靠性，并通過提高能源利用率以及靈活的運行模式，降低了能源系統的運行成本。

2.4 節能環保效益顯著

三聯供系統的主要設備為燃氣內燃機，燃料使用天然氣。天然氣屬于潔凈燃料，燃燒產生的煙氣中基本無煙塵及二氧化硫，對環境的污染較小，其排放中主要有害氣體為氮氧化物。內燃機能源站廢氣主要污染因子為NOx。燃氣分布式能源站的大氣污染物排放參照《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB 13271—2014），于重點地區新建燃氣鍋爐，其氮氧化物排放限值為150 mg/Nm3。本項目選用燃氣內燃機NOx的排放濃度為500 mg/Nm3。經過SCR系統后排放濃度小于30 mg/Nm3，遠高于環保標準。

項目建成后，整個項目分布式能源供能方式與傳統供能方式相比，由于天然氣的硫含量極低，無粉塵含量，因此，可忽略分布式能源系統中的SO2及粉塵排放。本項目所建的分布式能源系統各類污染物減排量：CO24 281 t，減排率40%；SO2333 t，減排率100%；NOx146 t，減排率87%；粉塵3 023 t，減排率100%。

3 設計難點總結

3.1 負荷模擬計算指導主機選型

燃氣分布式能源設計的關鍵點，在于準確預測分析服務對象的負荷需求以及全年變化規律，設計最合理的主機方案以及最節能、最經濟的運行方式。本項目采用energy-plus能耗模擬分析軟件，對數據中心進行全年的綜合的能耗預測分析，在能耗預測分析的基礎上最終確定主機方案。能耗模擬計算全年逐時熱電比如圖1所示。

圖1 能耗模擬計算全年逐時熱電比

3.2 結構加固

本項目所在的建筑無地下室機房可用，整個能源站位于建筑屋面，需要進行加固處理。加固從柱、梁、板三個方面著手。

混凝土柱采用外包鋼加固法。本工程采用濕式加固，是在角鋼與原柱之間采用乳膠水泥、聚合物砂漿或環氧樹脂化學灌漿等方法，使之達到型鋼與柱能夠整體工作、共同受力。相比于干式外包加固，濕式外包加固在承載力提高方面效果明顯[4]。

混凝土梁采用增大截面法加固。該加固方法在混凝土梁側外包混凝土，增大梁截面面積和配筋的一種梁加固方法，從而達到提高梁的承載能力、增加梁的強度和剛度的目的，以滿足承載力和正常使用的要求[4]。該法其優點為施工工藝簡單、適應性強，且有長期的使用經驗。

板加固采用板下部粘貼碳纖維加固，板上部新增40 mm厚度的現澆混凝土，在新增厚度內增設受力筋。

3.3 屋頂能源站的減振降噪

本項目探索性地將整個能源站布置于屋面，為了將振動及噪聲控制在符合國際標準范圍內，不影響該建筑其他區域的正常使用，主要從以下幾個方面實施：

源頭上選擇振動小、低噪聲的設備：本項目發電機為原裝進口機組，發動機、發電機與機組底座之間已設置減振裝置；電制冷主機采用磁懸浮離心式機組，機組運行噪聲低于70 dB，振動更是接近為0；水泵采用立式屏蔽泵，運行噪聲低于70 dB。

減振措施：發電機組自重大、振動大，對應的減振措施包括屋面設置整板混凝土基礎，基礎上布置橡膠減震墊，機組底座與減震墊之間設置彈簧減振器，加之機組底座本身的減振裝置，發電機運行的振動對辦公建筑辦公區域的影響接近于0。水泵底座采用空氣減震器+雙球軟連接隔離運行振動，減輕對建筑屋面的影響。運行實況測試，水泵運行時將硬幣立方于水泵電機之上，硬幣長時間不倒。

靜音集裝箱：本項目除水泵、換熱器等設備布置于屋頂水泵房內，其他主要設備均為屋頂露天布置。對每個機組設計靜音集裝箱，降低了機組的運行噪聲，同時解決了機組露天布置帶來的防雨、防曬等問題。

發電機冷卻系統的冷卻方式：一般內燃型發電機的冷卻系統均采用干式空氣冷卻的方式，將缸套水以及中冷水直接冷卻。這樣的冷卻方式優點是系統簡單，缺點是耗電高、噪聲大。本項目對環境噪聲要求較高，不宜采用干式空冷的方式。以發電機冷卻系統為一次側，設計板式換熱器與冷卻塔水系統相連的二次冷卻側。利用已有的冷卻塔容量，對發電機冷卻系統進行冷卻。此項設計于國內同類項目中屬于首例，消除了干式空冷器這一噪聲源，降低了系統運行噪聲。

冷卻塔風機變頻運行降噪：冷卻塔風機的運行噪聲也是能源站的主要噪聲源。冷卻塔風機采用變頻電機，不僅能在部分負荷下降頻運行降低能耗，更可以在低頻運行中減少噪聲。

3.4 制冷主機與冷卻塔的高差問題

一般布置于地下室或者建筑首層的能源站，制冷主機與布置于屋面的冷卻塔存在足夠的高差，冷卻塔滴水盤至制冷主機冷凝器及冷卻水循環泵前之間的自然重力流管路能保持時刻的滿管。本項目制冷主機與冷卻塔均布置于屋面，如若不采取必要的措施，不能保證冷凝器內滿管，制冷主機將運行異常；水泵吸入口管道不能滿管，水泵將產生汽蝕現象。

設計中，在屋面原有冷卻塔混凝土基礎上，加設2 m的鋼柱。冷卻塔安裝于鋼柱之上，以保證滴水盤的標高高于制冷主機的冷凝器以及水泵吸入口管道，避免了制冷主機運行異常與水泵的汽蝕現象。

4 總結

本項目前已運行一整個自然年，發電機運行穩定，供冷、供熱系統運行效果良好。設計的系統方案貼近實際負荷需求，配合以靈活的運行模式，發電機全年滿載運行小時數3 799 h，系統年平均能源綜合利用率高達77.12%，節能減排效益顯著。作為國內首批建設于建筑屋頂的燃氣分布式能源站，在結構加固、減振、降噪等方面做出了許多積極的探索，提供了諸多寶貴經驗，為此類工程的應用發展擴寬了道路。