数据中心分布式供能系统可用性与经济性匹配关系研究

王世朋，谢玉荣，赵大周，朱良君

（1.华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030；2.国家能源分布式能源技术研发（实验）中心，杭州 310030；3.浙江省蓄能与建筑节能技术重点实验室，杭州 310030）

0 引言

随着信息技术的快速发展，全球数据中心建设步伐明显加快。在移动互联网、物联网、5G 等技术的推动下，数据中心市场规模快速扩张，近十年间，国内数据中心市场平均增速达到了31.3%[1-2]。目前数据中心耗电量已超过国内总耗电量的2%，数据中心高耗能性已成为限制其发展的关键因素[3-4]。燃气分布式供能系统供能特性与数据中心负荷需求高度匹配，通过能源梯级利用及电力就地消纳，可有效降低数据中心PUE（电能利用效率），由此数据中心分布式供能系统也成为行业研究热点[5-12]。

目前行业对于分布式微网可靠性已开展深入探讨[13-14]，对于数据中心分布式供能系统的经济性、可用性分别做了大量研究。文献[2]以杭州为例进行数据中心分布式供能系统经济性分析，对分布式供能系统与传统供能模式经济性作了对比分析。文献[3]针对数据中心UPS（不间断电源）系统从经济运行角度进行了运行优化策略研究。文献[5]对燃气冷热电三联供在数据中心供能的现状、特点、可用性进行了较为全面的分析，主要强调燃气分布式供能系统可有效降低数据中心综合用能成本。文献[6]从系统多目标优化设计方面出发，探讨了光伏、燃气等分布式供能系统在数据中心供能经济，开展了与二氧化碳减排方面相关的装机策略研究。文献[7]对数据中心供能可用性与可靠性的国内外定义与计算方法进行综述总结，明确燃气分布式供能系统有利于提高数据中心可用性。文献[8]对数据中心分布式能源系统的可靠度测算进行了整体建模。文献[9]从需求角度提出并构建了分布式能源系统供电可靠性评估模型。但相关研究中目前尚未建立针对数据中心分布式供能系统可用性与经济性的最佳匹配关系，难以指导工程实践应用。

本文以上海地区某数据中心为例，建立分布式供能系统可用性模型及经济性模型，以关键设备配备数量作为系统供能可用性及供能经济性最佳匹配着眼点，为后续同类项目开发提供借鉴。

1 数据中心供能系统的构成及要求

根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》将数据中心分为A，B，C 三个等级，不同等级数据中心的供能要求不同[15]。其中，A 类数据中心是指其运行中断将造成重大经济损失或公共场所秩序严重混乱，对于供能的可靠性要求十分高，要求由双重电源供电，变压器采用2N 设置，同时配备1 路柴油发电机备用，柴油机按照N+X 设置，不间断电源系统按照2N 配置。当前行业一般要求A 类数据中心供电可用性达到99.999 9%，通常情况下2 路独立市电足以满足相关要求。但多数情况下，数据中心受多种现实因素制约难以满足2 路独立市电的条件，燃气分布式能源作为数据中心的补充供能系统也由此被行业接收。

采用数据中心分布式供能方案主要优点可作为数据中心的1 路补充电源，且冷电联供降低数据中心的PUE。具体方案主要包含2 种类型：A方案是由燃气分布式能源替代1 路市电，由其作为数据中心的主供能系统为数据中心进行冷电联供，参见图1（a）；B 方案是由燃气分布式能源作为数据中心的补充能源，为数据中心进行冷电联供，但其不替代任何1 路市电，参见图1（b）。其中A 方案由于要替代1 路市电，因此为保障数据中心供能系统的可用性，往往需要对燃气分布式供能系统的主设备进行冗余配备以提高系统供能可用性。在此基础上，燃气分布式供能成本与其供能系统可用性之间的关系就直接影响系统配备，这是数据中心建设方及其能源解决方案提供方之间的一个争执焦点，严重限制了数据中心分布式供能系统的推广。

图1 数据中心分布式供能系统

2 主要指标

2.1 可用性

可用度表征一个设备或系统在需要使用的时间内可运行与可维护的程度，一般可用百分数表示，指系统在使用过程中，可正常使用的时间与总运行时间之比，越接近1 表示可用性越强，其表达式如下：

式中：TMTBF表示相连两次故障之间的平均工作时间；TMTTR表示设备或系统平均修复时间。

在串联系统中，任一设备损坏将导致系统故障，系统可用性模型见图2（a）。

图2 串联及并联系统可用性逻辑框图

串联系统可用性计算式为[16]：

式中：As表示系统可用度；Ai表示系统中第i 个设备或子系统的可用度。

并联系统中，并联设备中只要有1 个可以正常运行则系统就可以正常工作，系统可用度模型见图2（b）。

并联系统中存在两种类型，第一种是n 台设备或子系统同时运行；第二种是n 台规格相同的设备或子系统以N+X 型式进行配置，其中N 为设备或子系统的运行数量，X 为备用数量。

第一种类型并联系统可用度Ap，1计算公式为[9]：

第二种类型并联系统可用度Ap，2计算公式为[9]：

2.2 经济性

经济性指标以数据中心单位用能成本来衡量。单位用能成本表达式如下：

式中：Pc为单位用能成本；Qpower，c为数据中心市电耗电量；Ppower，c为市电电价；Cdis为燃气分布式供能系统成本；Qpower为数据中心耗电量；Qcold为数据中心用冷量。

Cdis可用式（5）表示：

式中：Cdep为燃气分布式系统年折旧成本；Cfule为系统年耗燃气费用；Cwat为系统年耗水成本；Crep为系统年修理费；Cmat为系统年材料费；Clab为系统年人工成本；Coth为系统年其他费用成本。

2.3 PUE

PUE 是数据中心研究、设计、设备选型及评价的主要指标之一，指数据中心全年消耗电量与数据中心IT 设备耗电量之比，其表达式如下：

式中：PT为数据中心总耗电量；PIT为数据中心IT设备耗电量。

工业和信息化部明确规定：绿色数据中心的PUE 应在1.5 以下，北京、天津、浙江等地区要求新建数据中心PUE 必须在1.5 以下，上海要求新建数据中心PUE 不得超过1.3。对数据中心PUE 的严格控制一定程度上促进了燃气分布式供能系统在数据中心的应用。

2.4 综合能源利用效率

燃气分布式供能系统综合能源利用效率指一段时期系统输出供电量及供热（冷）量的当量热量之和与耗气量对应热量的百分比，一般不低于70%，具体表达式如下[17]：

式中：η 为年均综合能源利用率；W 为年联供系统净输出电量；Q1为年有效余热供热总量；Q2为年有效余热供冷总量；B 为年联供系统燃气总耗量；QL为燃料低位发热量。

3 实际案例分析

上海市某A 类数据中心规划建筑面积12 000 m2，配置1 800 个机架。扣除空调系统制冷负荷后，数据中心全年电负荷为15.88 MW，其中IT设备使用功率为12.6 MW；全年平均冷负荷需求13.55 MW，最大冷负荷14.01 MW，最小为12.95 MW，全年冷负荷波动情况见图3。

图3 数据中心冷负荷变化情况

针对数据中心用能需求，配备“市电+燃气分布式供能系统”，其中燃气分布式供能系统主机选用4.4 MW 内燃机，数量从1 至7。当配备内燃机台数不少于4 台时，燃气分布式供能系统替代1 路市电，内燃机台数超出4 台的部分即为燃气分布式供能系统的备用台数，此时为A 方案，数据中心配备“1 路市电+1 路分布式供能系统”；当配备内燃机台数少于4 台时，属于B 方案，燃气分布式供能系统装机只能承担数据中心用电负荷的一部分，不具备完全替代1 路市电的基本条件，此时数据中心配备“2 路市电+1 路分布式供能系统”。

燃气分布式供能系统选用的内燃机及溴化锂制冷机主要技术参数见表1。

表1 主机设备主要参数

在此背景下建模探讨数据中心分布式供能系统供能可用性及供能经济性之间的耦合关系。

3.1 供能系统可用性

数据中心供电可用性逻辑框图见图4（a），供冷可用性逻辑框图见图4（b）。

图4 数据中心供电及供冷可用性逻辑框架

相关系统或设备可用性见表2。

表2 子系统可用性参数表[7-8，16]

图5 给出了系统供电可用性及供冷可用性随内燃机数量的变化情况。当内燃机少于4 台时，数据中心采用2 路市电；当内燃机不少于4 台时，数据中心采用1 路市电，超出4 台的部分为主设备备用数量。一般通过增加主设备（内燃机及溴化锂制冷机组）备用台数来增加分布式供能系统的供能可用性。

图5 数据中心供能系统可用性

测算结果显示：在主设备未设置备机时，“1路市电+1 路分布式供能系统”能够满足数据中心99.999 9%的供能可用性要求；分布式供能系统主机备用1 台是数据中心分布式供电系统可用性达到上限的阈值，在此基础上继续增加主设备备用台数无助于数据中心供能系统可用性的进一步提高。供气管网的可用性是限制燃气分布式供能系统真正替代数据中心1 路市电的主要因素。

数据中心供冷系统中电制冷机组配备“4 用1备”，此时电制冷机组的供冷可用性已达到100%，限制供冷子系统可用性的因素在于电源侧；当分布式供能系统主机备用1 台时，数据中心分布式供冷系统可用性达到上限阈值，进一步增加主设备备用台数无助于系统可用性的进一步提高，将导致设备真正冗余。

3.2 供能系统经济性

数据中心分布式供能系统造价参照同类型工程实际概算取值，详见表3。当内燃机数量超过4台时，所列投资费用已考虑所减少的1 路市电相关配套设施费用。

表3 数据中心分布式供能系统造价

数据中心市电电价取上海市35 kV 大工业用电两部制电价，全年夏季、非夏季峰、平时段的平均电价为802.6 元/MWh。分布式供能系统折旧按照15 年直线折旧处理。水价按照市政自来水价2.5 元/t，天然气价格取2.5 元/Nm3。材料费率、维修费率、其他费用等参照上海区域中国国际博览会分布式能源站、虹桥商务中心分布式能源站等已投运项目运行成本确定，其中材料费按照系统发电量确定，费率取8 元/MWh；维修费率按照固定投资取4%；用人数量根据系统工作量取5～18 人，单人用工成本取15 万元/年；其他费用按照系统发电量确定，费率取10 元/MWh。综上，对系统年供能成本、单位用能成本、PUE 以及系统综合能源利用效率进行测算，结果见图6。

图6 供能系统运行参数与主机数量变化

燃气分布式供能系统内燃机数量为4 台及以上时，系统按照“以电定冷”及“以冷定电”2 种模式运行。“以冷定电”模式下，燃气分布式供能系统供电不足部分由市网补充；“以电定冷”模式下，多余高温烟气排空处理。

图6（a）为数据中心年用能成本随主机台数变化情况。当内燃机台数为4 台时，数据中心年用能成本最低，此时系统为“1 路市电+1 路燃气分布式供能系统”，燃气分布式供能系统主机备用台数为0；随着备机台数增长，分布式供能系统初始投资提高，年单位折旧成本提高，年总供能成本逐步提高。

图6（b）为数据中心单位用能成本随主机台数变化情况，其变化趋势与图5（a）基本相同。在内燃机台数为4 台、备用台数为0 时单位供能成本最低；“以电定冷”模式供能成本较“以冷定电”模式低2.81%。

图6（c）为数据中心PUE 随主机台数变化情况，随着内燃机台数的增加，PUE 值在内燃机台数为4 台、主机备机数量为0 时最低值，此时“以电定冷”模式下PUE 为1.355，“以冷定电”模式下为1.359。之后随着主机台数增加，PUE 保持不变。

图6（d）为燃气分布式供能系统综合能源利用效率随主机台数变化情况，当主机台数少于4 台时，系统装机不足，所供电、冷可被数据中心全部消纳，综合能源利用效率稳定在83.02%；随着主机台数不少于4 台，“以电定冷”模式下受负荷波动影响，系统低负荷运行时段，部分时段出现高温烟气直排现象，系统综合能源利用效率出现较大幅度下降，系统效率降低到73.83%；“以冷定电”模式下，系统通过蓄冷罐调峰填谷，系统效率稳定在82.17%。

综上可知，燃气分布式供能系统可有效降低数据中心单位用能成本。内燃机数量为4 台时，数据中心分布式供能系统单位供能成本最低，此时数据中心PUE 达到最低值。在内燃机数量不少于4 台的情况下，燃气分布式供能系统存在“以冷定电”及“以电定冷”2 种运行模式，“以冷定电”模式综合能源利用效率高于“以电定冷”模式，但其单位供能成本较“以电定冷”模式略高。当内燃机数量增长、备机数量增加时，系统固定投资增加，而系统供能量并无增长，单位用能成本开始增长。

3.3 供能系统可用性及经济性的耦合关系

综合3.1 和3.2 可知，数据中心燃气分布式供能系统可以有效降低数据中心PUE，减少其年能源成本。其中，在燃气分布式系统按照欠匹配原则设置时，系统综合能源利用效率最高，但其不具备完全替代1 路市电的基本条件，数据中心供电可用性、供冷可用性与2 路市电无差异；在燃气分布式系统按照数据中心冷、电负荷进行系统设计时，数据中心单位用能成本最低，同时也可满足数据中心99.999 9%的供能可用性要求，但燃气分布式供能系统可用性受燃气管网可用性限制低于市电可用性，“1 路市电+1 路燃气分布式能源供能系统”的可用性略低于2 路市电方案；为提高数据中心供能系统可用性，对燃气分布式供能系统主要动力设备进行冗余配备，配备1 台备机即达到燃气分布式供能系统的可用性上限，燃气分布式系统运行模式调整对于数据中心供能系统可用性与经济性的耦合关系不会造成根本性改变，此时限制数据中心分布式供能系统可用性的因素是供气管网的可用性，2 台乃至更多数量的备机对分布式供能系统的可用性并无显著提高，反而会提高系统单位供能成本。

4 结语

本文通过建立数据中心分布式供能系统可用性模型，以上海地区为例建立系统供能成本与可用性耦合模型，对数据中心单位供能成本、年总用能成本、PUE 以及系统综合能源利用效率进行对比分析，结果显示：在上海当前燃气气价（2.5元/Nm3）及市网销售电价（全年峰、平时段平均电价802.6 元/MWh）条件下，燃气分布式供能系统按照数据中心冷、电负荷进行装机匹配及系统设计时，系统经济性最好，此时供能系统也可满足数据中心供能可用性要求。为提高数据中心供能系统可用性，对燃气分布式供能系统原动机进行冗余配备，配备1 台备机即满足数据中心供能系统可用性要求。燃气分布式供能系统运行模式调整对于系统经济性与可用性匹配关系不会造成根本性影响，限制数据中心分布式供能系统可用性的因素并非原动机备用台数，而是供气管网的可用性。2 台乃至更多数量的备机对数据中心分布式供能系统可用性并无显著提高，反而会提高系统单位供能成本，影响系统整体效益。

系统模型相关参数依据上海实际情况取值，不同地区单位成本可能有所偏差，但系统变化趋势大体相似，可为后续同类项目开发提供借鉴。