燃氣三聯供系統在數據中心的應用探究

徐 嘉，林武雋，張 淵，劉永彬

（中國電信股份有限公司北京分公司，北京 100032）

0 引 言

隨著數據中心大型化和高密度化的空前發展，其能耗在社會總能耗中所占的比重逐年提高，由此引起了政府相關主管部門對數據中心節能的高度重視，先后出臺多項政策文件，部署和推進數據中心先進適用技術、綠色數據中心建設和相關節能標準。工信部等部門于2019年發布的《三部門關于加強綠色數據中心建設的指導意見》中明確提出：到2022年，新建大型、超大型數據中心的能耗效率（Power Usage Effectiveness, PUE）達到1.4以下。

數據中心能耗中約35%以上源于全年不間斷供冷，因此開展數據中心冷卻系統節能關鍵技術的研究具有重要意義。除制冷系統控制策略、自然冷卻技術和氣流組織與液冷技術等熱點節能措施外[1]，從供冷的源頭著手尋求節能突破亦是降本增效的有效途徑之一。

本文以天津某大型數據中心實際工程為研究對象，從理論上分別對使用蒸汽壓縮式、直燃型和蒸汽型溴化鋰吸收式3種制冷方案進行技術經濟對比。結合蒸汽型吸收式制冷可使用低品位熱能的技術特點，針對主用燃氣三聯供（Combined Cooling, Heating and Power, CCHP）系統在數據中心的應用進行探究，以期為實際制冷方案的選擇提供技術參考。

1 工程概況

天津某處于設計規劃階段的大型數據中心，共4棟，每棟6層，建筑面積共7.8萬 m2。單棟IT機柜數量約3 920個，單機柜功率主要為5 kW、部分為7 kW，4棟機樓共約15 680個機柜（后期可擴容）。經統計，4棟數據中心總設計用電負荷約為59 732.1 kW。

1.1 空調冷負荷概況

數據中心冷負荷主要包含IT設備發熱量、高低壓配電發熱量、電池發熱量以及建筑和照明負荷。以《中國電信綠色數據中心建設技術要求》為依據，選配數據中心空調主系統的同時系數和需用系數，如表1所示。由于本項目主要所屬為對外數據中心，因此單棟數據中心空調主系統的綜合系數為：0.92×0.85=0.78。經計算，單棟數據中心設計冷負荷約為17 857.4 kW，4棟數據中心空調設計冷負荷為71 429.6 kW（20310RT）。

表1 數據中心空調負荷計算同時系數和需用系數

1.2 總體制冷方案

為充分利用華北地區自然冷源可持續時長的優勢，總體采用“制冷主機+自然冷源”的供冷方案。當室外濕球溫度連續3日低于10 ℃時，熱備制冷主機，采用“冷卻塔+板換”的自然冷源模式為數據中心散熱；當室外濕球溫度連續3日高于10 ℃時，使用制冷主機為數據中心供冷。當室外濕球溫度低于10 ℃時，冷卻塔的逼近度按照4 ℃進行測算，則冷卻塔自然冷卻時，室外濕球溫度的閾值為10 ℃。根據天津當地典型氣象年中的室外氣象參數，全年室外濕球溫度＜10 ℃的時長為4 259 h，即制冷主機供冷的時長為：8 760 h-4 259 h=4 501 h。

由于上述3種冷卻方案中，各主機和自然冷源的運行時間分別相同，為了更加直觀地對比蒸汽壓縮式、直燃型和蒸汽型溴化鋰吸收式3種制冷主機的技術經濟性，本文僅針對制冷主機供冷時段（4 501 h）的經濟性進行對比。

2 技術經濟性對比

2.1 技術原理比較

蒸汽壓縮式和吸收式制冷同屬于相變制冷，即均利用低沸點的液體或者讓液體在低溫、低壓條件下氣化，吸收循環載冷劑（多為水或有機溶液）的熱量，產生冷卻效應。如圖1所示，除主要循環過程和組成部件的不同外，兩者最主要的區別在于，從能源驅動的角度來看，蒸氣壓縮制冷依靠電能驅動壓縮機做功來完成制冷循環，而溴化鋰吸收式制冷則是依靠熱能來驅動；從制冷劑的角度來看，蒸氣壓縮制冷依靠常規氟利昂的相變吸熱，而溴化鋰吸收式的制冷劑則為水。

圖1 蒸氣壓縮式和吸收式制冷工作原理

吸收式制冷按輸入側能源種類的不同又可分為直燃型和蒸汽型。

從蒸汽壓縮式和吸收式制冷的技術原理及組成可以看出，與蒸氣壓縮式制冷相比，溴化鋰吸收式制冷具有以下特點：

（1）耗電量非常小，其耗電設備主要為循環泵，可大幅降低用電能耗，但直燃型以大量消耗一次能源為代價，是該機組運行成本的主要部分，適用于燃氣等能源價格相對較低的地區；

（2）熱能的可利用性要求寬廣，除一次能源的直接利用外，蒸汽型也可利用低品位的工廠余熱和廢熱等低品位熱能；

（3）不使用氟利昂類制冷劑，制冷劑為水，ODP（消耗臭氧潛能值）和GWP（全球變暖潛能值）均為零；

（4）制冷能力有限，溴化鋰吸收式冷水機組的最低出水溫度約為4 ℃，而蒸汽壓縮式制冷可以制造出0 ℃以下的冷水（多為有機溶液）；

（5）存在結晶風險，輕則影響冷機性能，重則導致機組停機；

（6）組成部件較多，結構復雜龐大，可靠性較差、維護難度較高。

2.2 工程取數

2.2.1 能源成本參數

根據天津發改委提供的相關能源價格，各能源使用量梯級費用經折算后，用電電價：0.778元/（kW·h），天然氣價格：2.52元/m3，天然氣熱值8 700 kcal/m3，蒸汽（非余熱、廢熱）價格：200元/t，蒸汽（非余熱、廢熱）熱值662 kcal/kg，自來水價格：6.9元/m3。

2.2.2 技術參數

根據工程所需的制冷負荷及總體方案，配設相應的冷凍水和冷卻水系統等設備，3種方案的主機及配套設備技術參數統計如表2所示。

表2 各方案技術參數

2.3 經濟性對比

由于蒸氣壓縮式和吸收式制冷的驅動能源不同，因而不能僅僅按照主機或者系統能效（Coefficient of Performance, COP）的高低，直接對其能效進行比較，而應從3個方案在相同運行時段的經濟性差異著手。按照2.2節的工程取數計算，各方案運行費用統計如表3所示。

表3 各方案運行費用

以冷價作為各方案的對比標準，從上表可知，蒸氣壓縮式制冷方案的冷價明顯低于吸收式制冷，即從運行費用的角度看，蒸氣壓縮式制冷方案的經濟性最好，原因是：一方面，蒸汽壓縮式制冷的能源利用率約為吸收式制冷的5倍，另一方面，吸收式制冷所需驅動熱能的費用較高。就直燃型和蒸汽型吸收式制冷而言，作為二次能源的蒸汽，由于在一次能源的使用過程中存在能量損失，蒸汽型吸收式方案的冷價約為直燃型的1.1倍。

2.4 環境友好性對比

目前，我國有75%的電力生產以燃煤發電為主，所以火電不能稱為清潔能源。從宏觀上說，電制冷方式因發電排放的有害物質對環境的影響大于吸收式制冷。另外，壓縮制冷機以氟里昂作為制冷劑，其對臭氧層具有破壞作用。直燃式制冷燃燒天然氣、煤氣或柴油等清潔能源，燃燒后的煙氣排放符合國家相關的大氣污染物排放標準。對于蒸汽型吸收式制冷，如采用冷熱電聯產的蒸汽作為驅動熱，可認為其不再增加一次能源的消耗，對整體環境不產生新的排放污染，較為合理綜合地利用了能源，最大程度保護了環境。

3 CCHP應用探究

通過前文的分析可知，雖然使用吸收式制冷可以極大程度地減少數據中心的電力消耗，即達到減小PUE（PUE=數據中心總能耗/ IT設備能耗）的目標，但從經濟性的角度講，吸收式制冷方案的平均冷價約超過蒸氣壓縮式制冷的28%，顯然直接使用吸收式制冷方案并不經濟。為了更好地提高吸收式制冷方案的適用性，結合2.1節所述“蒸汽型吸收式制冷可利用工廠余熱和廢熱等低品位熱能”的特點，本章將針對燃氣冷熱電三聯供的應用進行探究。

3.1 CCHP概述

燃氣冷熱電三聯供系統，是指以天然氣為主要燃料帶動燃氣輪機或內燃機等燃氣發電設備而產生電力，以滿足用電需求。系統排出的高溫廢熱煙氣可達500 ℃，以此作為蒸汽型吸收式制冷機供冷的驅動。經制冷后的熱量還可繼續利用提供生活熱水。冷熱電的溫度利用范圍如圖2所示。

圖2 CCHP溫度利用范圍

經過能源不同形式和不同能量的梯級利用，CCHP系統使一次能源利用率從常規火力發電系統的40%提高到80%左右，同時減少溫室氣體的排放量。

3.2 CCHP可用性分析

CCHP系統以能量梯級利用為導向，將發電、制冷及供熱（采暖或供熱水）過程有機結合，如圖3所示[1]。CCHP系統的一些特性與數據中心用電和用冷量大，24 h不間斷供電、供冷，以及負荷波動較小的用能特點較匹配。所發的電能，可以全部就地為數據中心機房使用，不同于常規商用建筑，存在白天啟用，晚間不用的情況。CCHP系統所產生的冷，同樣可以全部用于機房的冷量需要，亦不像民、商用建筑，存在夏季需冷，冬季需熱，過渡季不需要的情況。

圖3 CCHP工作原理

此外，CCHP系統可以就近設置，并且系統組成相對集中，方便統一管理。因此CCHP系統成為解決數據中心能源需求、緩解電力緊張的一個重要選擇，在數據中心作為主用電、冷源中具有較高的應用可行性。

3.3 CCHP經濟性對比

就該項目而言，用冷負荷與電負荷比約為1.2，為此選配的主用某內燃型成套CCHP系統的額定參數如表4所示[2]。

表4 某內燃型成套CCHP系統技術參數

CCHP系統確定機組數量的原則一般包括“以電定冷”和“以冷定電”2種。由此，分別按照兩種計算原則得到的內燃型成套CCHP系統數量為：14臺（以冷定電）和18臺（以電定冷）。結合數據中心的用能特點，首先要保證IT設備的穩定可靠運行，以及后期IT設備的擴容加電，因此應按照“以電定冷”的計算原則，即選配該型號CCHP系統18臺。同樣，本節僅針對CCHP系統供冷時段（4 501 h）的經濟性進行計算。

按照2.2節的工程取數，使用CCHP系統與蒸氣壓縮式制冷方案的運行費用對比如表5所示。在計算過程中，由于三聯供系統同時滿足數據中心的冷電需求，因此在進行運行費用對比時，使用蒸氣壓縮式制冷方案時的運行費用，應在原有的基礎上對用電負荷產生的運行費用予以累加。

表5 運行費用對比

從表5中可以看出，CCHP系統的運行費用明顯低于蒸氣壓縮式制冷系統，且年運行費用可節約19.4%，體現出CCHP系統良好的能源利用效率和經濟效益。此外，CCHP系統還可為數據中心提供一定的生產和生活熱水。

3.4 CCHP系統在數據中心的注意事項

（1）就數據中心而言，供電可靠性、不間斷性位于首位，主用CCHP系統架構不同于常規數據中心的“雙路市電+油機+冷凍站”模式。對于部分新客戶或定制化要求高的客戶，存在接受度低的情形，因而天然氣的供應一定要穩定、充足[3]。

（2）天然氣價格和電價是影響燃氣CCHP系統運行經濟性的關鍵。不同地區的氣價、峰谷電價差別很大，必須根據當地條件進行精確的測算。另外，部分污染嚴重或嚴重缺電地區會為安裝燃氣CCHP系統提供政策性補貼，也是保持CCHP系統運行經濟性的重要影響因素[4]。

（3）目前在我國采用燃氣發電機作為主用電源的相關案例較少，為滿足數據中心的供電可靠性需要做周密細致的配電設計。如需市電的配合，需要與電網企業進行充分地協調。

（4）運維人員水平要求更高。由于CCHP系統相比常規市電和供冷系統龐大復雜得多，運行的安全可靠性及機組的保養要求成為重難點。此外，燃氣CCHP系統對于負載與機組的匹配調節也有較高要求[5]。

4 結 論

綜上所述內容可知，吸收式制冷可以極大程度地減少數據中心的電力消耗，即達到減小PUE的目標，但這卻以更高的運行費用為代價，因而直接使用吸收式制冷方案并不經濟。

在數據中心中應用CCHP系統，作為多能源解決方案，在冷、電容量特性上是完全契合和可行的。其不僅積極響應了我國能源可持續化發展的理念，還有效提高了系統的利用效率。雖然國內近年已有若干數據中心采用了CCHP系統，但是目前仍然是處于規模應用的前期。對CCHP系統缺乏經濟性、可用性不佳的顧慮仍然廣泛存在。但基于CCHP系統自身的優點以及與數據中心用能特性的高度匹配，相信隨著CCHP系統建設和運行經驗的不斷積累、應用方案的不斷完善，CCHP系統一定會成為數據中心節能降耗的重要解決方案之一。