数据中心三联供技术简析

李庆生

（重庆能控动力技术有限公司，重庆 400000）

0 引言

随着以互联网、云计算和大数据为代表的信息经济的迅速发展，数据中心已成为信息社会重要的基础设施，迎来快速发展期，国内纷纷布局发展数据中心，我国在数据中心的布局建设上也不遗余力。目前的数据中心不仅在规模和数量上持续攀升，而且数据中心还在向绿色节能化方向发展。

供能系统担负着数据中心能源供应，是数据中心运行的重要保障。随着数据中心规模及数量持续增长，将促使数据中心的供能需求持续攀升。

1 数据中心供能系统概述

数据中心供能系统为数据中心运行所需电力和IT设备冷却所需冷负荷，其通常由供配电系统和空调冷却系统两部分组成。

2 数据中心供能特点

根据数据中心运行情况及相关资料，数据中心供能特点如下。

2.1 能源消耗较大

我国数据中心年用电量逐渐增加至国家年用电量的1.5%水平。在全球范围内，数据中心也几乎占到全球发电量的1%～1.5%。一座高端数据中心用电量相当于30~40栋高密度住宅用电量。

2.2 供能负荷变化小

冷负荷和电负荷的供应全年变化较小。

2.3 供能可靠性要求高

随着社会发展和科技进步，数据中心承载业务的重要性越来越高，一旦数据中心因为断电或其他造成关键业务数据丢失或信息系统故障，将严重影响企业业务的正常运行，造成重大损失，甚至对国家安全造成影响。

3 数据中心能耗现状

数据中心运营成本超过50%来源于能源消耗，投资占运营期的费用比例很小，负荷消耗接近75%是来自能源的消耗，其中包括设备本身的负荷，占47%，制冷空调占25%，所以每年的高额电费支出是数据中心主要开销。

数据中心二氧化碳排放量约占世界二氧化碳排放量0.6%，而钢铁行业约占1%。

4 三联供系统典型工艺路线

根据三联供系统燃气发电设备类型，将三联供系统分为燃气轮机三联供系统和燃气内燃气三联供系统。下面分别论述典型工艺路线。

4.1 燃气轮机三联供系统典型工艺路线

（1）工艺路线一：燃气轮机+烟气型（补燃）吸收式空调机组（见图1）。燃气轮机发电并产生高温烟气，余热直燃机利用高温烟气进行吸收式制冷或制热。该系统主要适用冷热电负荷非常稳定的场所。

图1 燃气轮机三联供系统工艺路线一

（2）工艺路线二：燃气轮机＋烟气余热锅炉（补燃）+蒸汽型吸收式制冷机组。高温烟气经余热锅炉产出蒸汽。制冷工况时，蒸汽作为热源驱动吸收式制冷机组制冷，供用户冷冻水；供热工况时，可供用户蒸汽或通过汽水换热器二次转换后供热水。该系统适用于既有蒸汽又有供冷需求用户。

（3）工艺路线三：燃气轮机＋烟气—水换热器+热水型吸收式空调机组。高温烟气经烟气—水换热器制备高温热水。制冷工况时，高温热水作为热源驱动吸收式制冷机组制冷，供用户冷冻水；供热工况时，热水可提供采暖热源或生活热水。该系统造价低，适用热水负荷大且非常不稳定的场合。

（4）工艺路线四：燃气蒸汽—联合循环发电+蒸汽型吸收式空调机组。高温烟气经余热锅炉产出蒸汽，蒸汽带动汽轮机发电。该系统可利用余热锅炉蒸汽的抽汽或汽轮机（背压）排汽作为热源，供应用户蒸汽或经汽水换热后供应热水，也可利用蒸汽作为热源驱动吸收式制冷机组制冷，供用户冷冻水。该系统适用于用电和蒸汽要求较高的场合。

4.2 燃气内燃机三联供系统典型工艺路线

（1）工艺路线一：燃气内燃机+烟气（热水）型吸收式空调机组（补燃）+缸套水换热器（见图2）。燃气内燃机发电并产生高温烟气和图2燃气内燃机三联供系统工艺路线一缸套冷却水、润滑油冷却水。供冷工况时，高温烟气和缸套冷却水通过吸收式制冷机组制冷，供用户冷冻水；供热工况时，高温烟气进入余热吸收式机组，制备系统所需供热热水，缸套冷却水和润滑油冷却水可通过换热制备生活热水。燃气内燃机系统发电效率高于燃气轮机，但余热中缸套冷却水和润滑油冷却水占比较大，适用于有较大规模热水需求，特别是生活热水需求场景。

图2 燃气内燃机三联供系统工艺路线一

（2）工艺路线二：燃气内燃机+烟气余热锅炉+蒸汽吸收式空调机组+缸套水换热器。高温烟气经余热锅炉产出蒸汽。供冷工况时，蒸汽作为热源驱动吸收式制冷机组制冷，供用户冷冻水；供热工况时，可直接向用户供应蒸汽，也可通过换热器供应采暖热水或生活热水。该系统余热利用通过余热锅炉间接进行制冷，适用于同时有蒸气需求和制冷需求的场合。

（3）工艺路线三：燃气内燃机+烟气—水换热器+缸套水换热器+热水型吸收式空调机组。高温烟气经烟气—热水换热器产出高温热水。供冷工况时，高温热水与缸套冷却水作为热源驱动热水型吸收式制冷机组制冷，供用户冷冻水；供热工况时，高温热水与缸套冷却水、润滑油冷却水经换热制备热水供给用户。该系统适合电价相对较高，且热水负荷较低的用户。

5 数据中心三联供系统供能的可行性

5.1 数据中心三联供简介

所谓数据中心三联供系统，是将三联供系统与数据中心结合，按照数据中心供能系统技术要求配置必要设备，为数据中心提供电力和冷能。三联供系统的引入，对原供能系统结构产生重要影响。

5.2 数据中心三联供技术可行性分析

数据中心负荷需求为电负荷和冷负荷，其能耗主体为其IT设备，其电负荷和冷负荷比例接近1。将冷负荷与电负荷之比定义为冷电比。根据数据中心负荷特点及负荷统计数据，数据中心冷电比约1.0~1.1。

目前对于冷热电三联供系统的发电量多余部分，电力能源政策为“并网不上网”。多数机场、学校等的电负荷远大于热（冷）负荷，因此该类民用建筑的三联供系统采取“以热（冷）定电”的原则配置发电机并进行系统设计。采用冷热电三联供系统的数据中心电冷比常年约为1.1（夏季制冷高峰期电价谷段电冷比约1.26，此段用电冷，不存在内燃机发电量和制冷量的平衡问题），燃气内燃发电机与双效吸收式冷水机组联合运行的冷热电三联供系统电冷比同样约为1.1。

数据中心电能耗量巨大，对供能可靠性要求高，同时冷负荷需求大，数据中心这些特点适合配套建设天然气分布式能源。

全年365d稳定的电与冷负荷，保证燃机较为稳定的开机小时数。接近1:1的电与冷负荷，与燃机的输出吻合，具有较高的综合利用效率。三联供作为主力供能为数据中心提供电与冷的负荷需求，多余热量可供应周边的热负荷。采用三联供系统，可以提高电力供应可靠性，三路供电。

用于数据中心的天然气分布式能源站通常也能实现约44%左右的发电效率和约46%左右的余热利用效率，当采用COP在1左右的溴化锂吸收式制冷机组时，其供电供冷比例也接近于1，两者供电供冷比例相当。可保证能源利用的充分性和稳定性。数据中心三联供技术供冷系统为水系统，与常规水冷中央空调系统在本质上是同一种形式。

三联供系统将在本项目供电系统中增加燃气发电设备，在故障或运行一定时间例行维护时会出现燃气设备间或者燃气发电设备和市电之间的切换。随着电力电子技术发展，STS静态转换开关的切换时间已经可以达到8ms以内，满足数据机房不间断供电要求。况且数据中心重要负荷1:1配合配置的UPS电源在外电完全失电的情况下可以维持系统运行20min以上，数据中心的设备配置使三联供发电设备在数据中心的运用不会对系统造成影响。

根据技术分析以及目前数据中心三联供项目情况，数据中心三联供从技术层面来说是可行的。