數據中心三聯供技術簡析

李慶生

（重慶能控動力技術有限公司，重慶 400000）

0 引言

隨著以互聯網、云計算和大數據為代表的信息經濟的迅速發展，數據中心已成為信息社會重要的基礎設施，迎來快速發展期，國內紛紛布局發展數據中心，我國在數據中心的布局建設上也不遺余力。目前的數據中心不僅在規模和數量上持續攀升，而且數據中心還在向綠色節能化方向發展。

供能系統擔負著數據中心能源供應，是數據中心運行的重要保障。隨著數據中心規模及數量持續增長，將促使數據中心的供能需求持續攀升。

1 數據中心供能系統概述

數據中心供能系統為數據中心運行所需電力和IT設備冷卻所需冷負荷，其通常由供配電系統和空調冷卻系統兩部分組成。

2 數據中心供能特點

根據數據中心運行情況及相關資料，數據中心供能特點如下。

2.1 能源消耗較大

我國數據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，數據中心也幾乎占到全球發電量的1%～1.5%。一座高端數據中心用電量相當于30~40棟高密度住宅用電量。

2.2 供能負荷變化小

冷負荷和電負荷的供應全年變化較小。

2.3 供能可靠性要求高

隨著社會發展和科技進步，數據中心承載業務的重要性越來越高，一旦數據中心因為斷電或其他造成關鍵業務數據丟失或信息系統故障，將嚴重影響企業業務的正常運行，造成重大損失，甚至對國家安全造成影響。

3 數據中心能耗現狀

數據中心運營成本超過50%來源于能源消耗，投資占運營期的費用比例很小，負荷消耗接近75%是來自能源的消耗，其中包括設備本身的負荷，占47%，制冷空調占25%，所以每年的高額電費支出是數據中心主要開銷。

數據中心二氧化碳排放量約占世界二氧化碳排放量0.6%，而鋼鐵行業約占1%。

4 三聯供系統典型工藝路線

根據三聯供系統燃氣發電設備類型，將三聯供系統分為燃氣輪機三聯供系統和燃氣內燃氣三聯供系統。下面分別論述典型工藝路線。

4.1 燃氣輪機三聯供系統典型工藝路線

（1）工藝路線一：燃氣輪機+煙氣型（補燃）吸收式空調機組（見圖1）。燃氣輪機發電并產生高溫煙氣，余熱直燃機利用高溫煙氣進行吸收式制冷或制熱。該系統主要適用冷熱電負荷非常穩定的場所。

圖1 燃氣輪機三聯供系統工藝路線一

（2）工藝路線二：燃氣輪機＋煙氣余熱鍋爐（補燃）+蒸汽型吸收式制冷機組。高溫煙氣經余熱鍋爐產出蒸汽。制冷工況時，蒸汽作為熱源驅動吸收式制冷機組制冷，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換后供熱水。該系統適用于既有蒸汽又有供冷需求用戶。

（3）工藝路線三：燃氣輪機＋煙氣—水換熱器+熱水型吸收式空調機組。高溫煙氣經煙氣—水換熱器制備高溫熱水。制冷工況時，高溫熱水作為熱源驅動吸收式制冷機組制冷，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。該系統造價低，適用熱水負荷大且非常不穩定的場合。

（4）工藝路線四：燃氣蒸汽—聯合循環發電+蒸汽型吸收式空調機組。高溫煙氣經余熱鍋爐產出蒸汽，蒸汽帶動汽輪機發電。該系統可利用余熱鍋爐蒸汽的抽汽或汽輪機（背壓）排汽作為熱源，供應用戶蒸汽或經汽水換熱后供應熱水，也可利用蒸汽作為熱源驅動吸收式制冷機組制冷，供用戶冷凍水。該系統適用于用電和蒸汽要求較高的場合。

4.2 燃氣內燃機三聯供系統典型工藝路線

（1）工藝路線一：燃氣內燃機+煙氣（熱水）型吸收式空調機組（補燃）+缸套水換熱器（見圖2）。燃氣內燃機發電并產生高溫煙氣和圖2燃氣內燃機三聯供系統工藝路線一缸套冷卻水、潤滑油冷卻水。供冷工況時，高溫煙氣和缸套冷卻水通過吸收式制冷機組制冷，供用戶冷凍水；供熱工況時，高溫煙氣進入余熱吸收式機組，制備系統所需供熱熱水，缸套冷卻水和潤滑油冷卻水可通過換熱制備生活熱水。燃氣內燃機系統發電效率高于燃氣輪機，但余熱中缸套冷卻水和潤滑油冷卻水占比較大，適用于有較大規模熱水需求，特別是生活熱水需求場景。

圖2 燃氣內燃機三聯供系統工藝路線一

（2）工藝路線二：燃氣內燃機+煙氣余熱鍋爐+蒸汽吸收式空調機組+缸套水換熱器。高溫煙氣經余熱鍋爐產出蒸汽。供冷工況時，蒸汽作為熱源驅動吸收式制冷機組制冷，供用戶冷凍水；供熱工況時，可直接向用戶供應蒸汽，也可通過換熱器供應采暖熱水或生活熱水。該系統余熱利用通過余熱鍋爐間接進行制冷，適用于同時有蒸氣需求和制冷需求的場合。

（3）工藝路線三：燃氣內燃機+煙氣—水換熱器+缸套水換熱器+熱水型吸收式空調機組。高溫煙氣經煙氣—熱水換熱器產出高溫熱水。供冷工況時，高溫熱水與缸套冷卻水作為熱源驅動熱水型吸收式制冷機組制冷，供用戶冷凍水；供熱工況時，高溫熱水與缸套冷卻水、潤滑油冷卻水經換熱制備熱水供給用戶。該系統適合電價相對較高，且熱水負荷較低的用戶。

5 數據中心三聯供系統供能的可行性

5.1 數據中心三聯供簡介

所謂數據中心三聯供系統，是將三聯供系統與數據中心結合，按照數據中心供能系統技術要求配置必要設備，為數據中心提供電力和冷能。三聯供系統的引入，對原供能系統結構產生重要影響。

5.2 數據中心三聯供技術可行性分析

數據中心負荷需求為電負荷和冷負荷，其能耗主體為其IT設備，其電負荷和冷負荷比例接近1。將冷負荷與電負荷之比定義為冷電比。根據數據中心負荷特點及負荷統計數據，數據中心冷電比約1.0~1.1。

目前對于冷熱電三聯供系統的發電量多余部分，電力能源政策為“并網不上網”。多數機場、學校等的電負荷遠大于熱（冷）負荷，因此該類民用建筑的三聯供系統采取“以熱（冷）定電”的原則配置發電機并進行系統設計。采用冷熱電三聯供系統的數據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，不存在內燃機發電量和制冷量的平衡問題），燃氣內燃發電機與雙效吸收式冷水機組聯合運行的冷熱電三聯供系統電冷比同樣約為1.1。

數據中心電能耗量巨大，對供能可靠性要求高，同時冷負荷需求大，數據中心這些特點適合配套建設天然氣分布式能源。

全年365d穩定的電與冷負荷，保證燃機較為穩定的開機小時數。接近1:1的電與冷負荷，與燃機的輸出吻合，具有較高的綜合利用效率。三聯供作為主力供能為數據中心提供電與冷的負荷需求，多余熱量可供應周邊的熱負荷。采用三聯供系統，可以提高電力供應可靠性，三路供電。

用于數據中心的天然氣分布式能源站通常也能實現約44%左右的發電效率和約46%左右的余熱利用效率，當采用COP在1左右的溴化鋰吸收式制冷機組時，其供電供冷比例也接近于1，兩者供電供冷比例相當。可保證能源利用的充分性和穩定性。數據中心三聯供技術供冷系統為水系統，與常規水冷中央空調系統在本質上是同一種形式。

三聯供系統將在本項目供電系統中增加燃氣發電設備，在故障或運行一定時間例行維護時會出現燃氣設備間或者燃氣發電設備和市電之間的切換。隨著電力電子技術發展，STS靜態轉換開關的切換時間已經可以達到8ms以內，滿足數據機房不間斷供電要求。況且數據中心重要負荷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運行20min以上，數據中心的設備配置使三聯供發電設備在數據中心的運用不會對系統造成影響。

根據技術分析以及目前數據中心三聯供項目情況，數據中心三聯供從技術層面來說是可行的。