分布式能源在数据中心应用的可行性

张晓红，熊建文，胡 斐

（中机国能电力工程有限公司，上海 200061）

0 引言

数据中心提供以数据中心为核心的IT外包业务，可以作为生产数据中心、测试数据中心、灾难备份中心，为大型商业服务，或者国家级数据保护存储中心和国家级信息灾备基地。在当前的信息化时代，数据中心运行的安全和可靠性非常重要，一旦出现故障，可能对于社会生活和经济运转带来巨大损失，因此能源供应的可靠性非常重要。特别是数据中心有大量的计算机和电子设备不间断运行产生大量热量，必须及时排热才能保证数据中心的正常运转，因此对空调制冷的可靠性、稳定性也有极高的要求。

现在数据中心大多采用标准化配置，电力供应以市电为主，严重依赖电网，但是大电网有脆弱的一面，国内外大面积的故障断电时有发生，数据中心的用能安全性可靠性受到电网的制约。因此为了确保数据中心冷、电负荷的安全、稳定，数据中心必须配备不间断电源UPS及备用柴油发电机组。分布式能源冷热电联供系统以天然气为主要燃料，在用户侧安装发电机组发电，并通过余热回收设备回收发电所产生的烟气，获得热水或者作为制冷设备的热源向用户供热、供冷，不仅清洁高效，而且作为一种独立式电源可以摆脱对电网的依赖，提高用能的可靠性。目前，发达国家已经把分布式能源作为提高用电安全性的重要手段之一大力推行。分布式能源燃气三联供非常适合作为数据中心的能源。本文将以上海某数据中心为例，探讨数据中心采用分布式能源的可行性。

1 分布式能源配置方案

数据中心电负荷、冷负荷需求大，并具有分布均匀、稳定，波动范围值小的特点。上海某数据中心额定负荷为16 MVA，最大负荷为20 MVA；数据中心已有设备的总制冷功率为13 363 k W；考虑到功率因数（0.85）电负荷与冷负荷的比例近似为1。目前，数据中心由电网供电，两路市电接入数据中心后，各设置变压器，互为备用。数据中心底层布置有10台离心式制冷机，其中8台运行，2台备用，并设置有10台应急柴油发电机。

为了采用分布式能源电站替代数据中心原来的供能体系，方案采用10台3 400 k W燃气内燃发电机组和10台溴化锂机组（烟气、热水两用）来为数据中心提供电能和冷负荷。为了保证用能的可靠性，原来的电网供电设施和原有的10台离心式冷水机组作为备用，一旦系统的发电机组出现故障，则采用市政用电为原来的离心式冷水机组供电，用离心机为数据中心提供冷源。分布式能源站的主要设施分成10台机组，每套机组包括1台发电机1台溴化锂机组和1台备用的离心式冷水机组，平时8套机组运行，两套备用。

数据中心的分布式能源系统能流示意图如图1所示。

图1 数据中心的分布式能源系统能流图

由图1可以看出数据中心的总用电量主要发生在IT设备及空调系统上，空调设备用电可以通过分布式能源系统的燃机排气的余热发电来实现，因此降低了总的用电量。

2 分布式能源系统的组成

应用于数据中心燃气冷热电三联供包括燃料系统、烟气系统、高温水系统、低温水系统、冷却水系统和冷冻水系统，见图2。

图2 三联供系统的组成

1）燃料系统 三联供项目的燃料天然气由城镇天然气管网供应，来自管网的天然气通过燃气减压装置，将燃气压力调至机组需要的压力范围，再经过天然气计量装置进入天然气缓冲罐。天然气在缓冲罐中稳压后，经快关阀、过滤器、阻火器使燃气达到能满足内燃机要求的天然气品质和压力温度，然后再经过关断阀、快关阀后进入内燃机。天然气缓冲罐、调压装置均设置有安全装置，安全装置应保证在任何情况下都不允许天然气的压力超过限定值。

2）烟气系统 天然气在内燃机中燃烧后产生烟气，烟气温度约为406℃，正常运行时，高温烟气排出后直接进入烟气热水型溴化锂制冷机组，加热溴化锂溶液，与溴化锂溶液充分换热后直接至烟囱排出。系统还设有高温烟气从内燃机出来直接排到烟囱的旁路烟道，在必要时可以将高温烟气直接排出。

3）高温水系统 燃气内燃机冷却系统包括高温冷却水系统和低温冷却水系统。其中高温冷却水用于冷却燃气内燃机缸套等设备，冷却水温度较高，从燃气内燃机出来后进入烟气热水型溴化锂制冷机组，作为制冷机热源。高温冷却水采用循环利用形式，冷却水与溴化锂溶液充分换热降温后返回燃气内燃机。系统还设置了紧急空气冷却器，当溴化锂机组发生故障或者因故紧急停用时，可以采用紧急空气冷却器对高温冷却水进行冷却，保证燃气内燃机运行的安全。

4）低温水系统 燃气内燃机中低温冷却水用来冷却润滑油等，低温冷却水温度较低，只能用于生产及生活热水等。低温冷却水也采用循环利用形式，经过热交换降温后回到燃气发电机组，如果不需要生产生活热水，也可直接进入空气冷却器散热后返回燃气发电机组。

5）制冷机组冷却系统 烟气热水型溴化锂机组的冷却水系统与原有的离心制冷机组冷却水一致，溴化锂机组的冷却水接入离心制冷机组冷却水系统，共用冷却水泵。

6）冷冻水系统 分布式能源系统工程中，烟气热水型溴化锂机组冷冻水与离心制冷机组冷冻水系统一致，烟气热水型溴化锂机组冷冻水接入离心制冷机组冷冻水系统，共用冷冻水泵。

3 经济分析

经计算，项目的静态（按2010年价格水平）总投资23 269万元，其中建筑工程费1 010万元（含价差），设备购置费17 918万元，安装工程费2 209万元（含价差），其他费用2 132万元（含基本预备费1 108万元）。工程动态总投资23 852万元，其中建设期贷款利息583万元。工程资金来源由两部分构成：第一部分资金拟采用项目法人注册30%项目资本金；第二部分资金拟采用银行贷款。项目的财务分析见表1至表3。

表1 资本类原始数据

表2 收入及损益类数据

表3 成本类数据

项目为自备电源，在财务分析中将节约下来的购电费作为项目收益，因此在计算过程中不考虑增值税。经济效益分析的财务评价指标见表4。

表4 财务评价指标

我国很多城市实施分时电价，上海的谷时电价仅为0.299元／k Wh，远低于分布式能源发电成本，所以推荐在用电峰时和平时采用分布式能源系统供电供冷，每天运行16 h；谷时切换为市电，制冷也由电驱动离心机提供。数据中心目前的购电价是分时电价，峰时和平时段的电价分别为0.999元／k Wh和0.668元／k Wh，其加权平均电价为0.792元／k Wh。项目建成后，发电单位成本是0.689元／k Wh，低于加权平均的购电价，数据中心的能源支出可以大大减少。

通过上述分析，该项目运行后可降低数据中心的运行成本，项目投资9年即可收回，经济指标数据符合国家政策要求，财务评价结果是可行的。

4 结语

分布式能源系统是一种清洁高效的供能系统，特别是作为大电网供电的补充，可以提高用户用能的可靠性，中央及各级地方政府都把分布式能源纳入发展规划，并制定了相关的优惠政策，包括对分布式能源站和燃气空调项目单位给予一定的设备投资补贴和优惠的气价，推广分布式能源技术的应用。

数据中心现有用能方式是以市电为主，辅以UPS及备用发电机组供电，备用柴油发电机长时间搁置，不仅需要大量维护费用，而且急需时往往很难启动。采用分布式能源系统则以内燃发电机供电为主、市电为备用，可以避免数据中心用能对大电网的依赖，提高用能的安全性和可靠性。

数据中心现有供冷方式主要是以离心式制冷机为主，结合投资造价及系统安全方面考虑，一般采用三／四用设一备用。分布式能源系统供冷则以溴化锂吸收式制冷机组为主，离心式制冷机为备用，系统将采用一对一备用，且为双能源相互备用，因而系统将更加安全可靠。

数据中心的分布式能源站可以采用合同式能源管理方式，从投资收益来说，也是可行的。在数据中心使用冷热电三联供的分布式能源系统，可以显著降低数据中心的能耗，从而实现二氧化碳减排。以目前规划的30 MW燃气冷热电三联供项目，每年运行5 840 h，可以减排二氧化碳12万t以上，减排率超过40%。