周業(yè)培 湯 陽 陶 庸

（中機(jī)國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410000）

1 項目概況

數(shù)據(jù)中心全年不間斷運行，由于其特殊的運行方式，機(jī)房需要持續(xù)消耗大量的電能，并且不斷釋放大量熱量。因此，數(shù)據(jù)中心冷電負(fù)荷全年較恒定，且冷電用能比例接近1：1。采用燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)的分布式能源系統(tǒng)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心用能的供需匹配，同時實現(xiàn)燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)“以熱定電”、能源利用效率最大、設(shè)備利用率最大化、經(jīng)濟(jì)效益最大化等目標(biāo)[1]。

數(shù)據(jù)中心大樓總建筑面積16 700 m2，共7層。電負(fù)荷：數(shù)據(jù)機(jī)房1 960 kW，辦公區(qū)800 kW?？照{(diào)采暖負(fù)荷：數(shù)據(jù)中心夏季冷負(fù)荷2 000 kW，全年無熱負(fù)荷；辦公區(qū)夏季冷負(fù)荷1 700 kW，冬季熱負(fù)荷800 kW[2]。能源站位于電子產(chǎn)業(yè)園A6廠房屋頂，是國內(nèi)首批于屋頂上建設(shè)的燃?xì)夥植际侥茉凑?。能源站?臺1 984 kW的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組、1臺2 000 kW的煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組、2臺1 000 kW的電制冷機(jī)組及附屬配套設(shè)施組成。

2 系統(tǒng)的先進(jìn)性

2.1 實現(xiàn)燃?xì)饽茉吹奶菁壚?/h3>

天然氣分布式能源是指利用天然氣為燃料，通過冷熱電三聯(lián)供、聯(lián)合循環(huán)等方式實現(xiàn)能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上，并在負(fù)荷中心就近實現(xiàn)能源供應(yīng)的現(xiàn)代能源供應(yīng)方式，是天然氣高效利用的重要方式[3]。本項目基于數(shù)據(jù)中心機(jī)房用能需求穩(wěn)定的特點，根據(jù)負(fù)荷需求合理選型，參照當(dāng)?shù)胤骞入妰r設(shè)計不同時段的運行模式，極大地提高了設(shè)備使用率。發(fā)電機(jī)全年滿載運行小時數(shù)3 799 h，遠(yuǎn)超過燃?xì)夥植际侥茉凑驹O(shè)計規(guī)程中推薦的2 000 h。根據(jù)《天然氣分布式能源示范項目實施細(xì)則》，計算能源站三聯(lián)供系統(tǒng)年平均能源綜合利用率為77.12%，高于《細(xì)則》中要求的70%。

2.2 自然冷卻系統(tǒng)節(jié)能

本項目位于北京市，全年有4～5個月日平均溫度低于20 ℃，屬于寒冷地區(qū)且氣候干燥。以現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上實現(xiàn)自然冷卻，空調(diào)系統(tǒng)末端流經(jīng)的冷凍水與冷卻塔出水在板式換熱器內(nèi)熱交換，冷卻水將機(jī)房內(nèi)的熱量帶走。冷卻塔作為自然冷源，系統(tǒng)運行不開啟制冷主機(jī)，大幅度節(jié)省電能。經(jīng)測算，年利用自然冷卻約3 000 h，與采用制冷主機(jī)相比，年可節(jié)約電量120 萬kWh[2]。

設(shè)計時為了保證空調(diào)系統(tǒng)的安全、節(jié)能運行，在冷卻水管道上設(shè)置旁通閥，將冷卻水水溫提高。在由制冷主機(jī)工況切換至自然冷卻工況時，避免了制冷主機(jī)發(fā)送低溫保護(hù)，以便順利開啟制冷主機(jī)。

2.3 多能互補以及蓄能技術(shù)的應(yīng)用

數(shù)據(jù)機(jī)房需要全年24 h運行，全年需要供電、供冷，用能安全性要求高。

供電方面，數(shù)據(jù)中心機(jī)房的電源由兩路10 kV市政電力、1臺1 948 kW燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)、1套30 min應(yīng)急直流UPS蓄電池系統(tǒng)。完全能夠滿足數(shù)據(jù)中心機(jī)房的用電要求。

供冷、供熱方面：

（1）能源站三聯(lián)供余熱制冷系統(tǒng)與磁懸浮電離心制冷系統(tǒng)互為備用，不僅提高了用能的可靠性，更可以利用峰谷電價靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行方式，降低能源系統(tǒng)運行成本。

（2）利用已有的設(shè)備，在環(huán)境溫度適宜的時段，采用自然冷卻供冷，降低系統(tǒng)能耗。

（3）供冷主管道上設(shè)計直流式水蓄冷系統(tǒng)。在夜間電價谷值時段，利用電制冷機(jī)組運行蓄冷。

（4）辦公區(qū)域冬季采暖利用市政集中供熱，設(shè)置板式換熱器與辦公區(qū)采暖循環(huán)系統(tǒng)。

分布式能源站從供電與供冷兩個方面提高了數(shù)據(jù)機(jī)房的用能可靠性，并通過提高能源利用率以及靈活的運行模式，降低了能源系統(tǒng)的運行成本。

2.4 節(jié)能環(huán)保效益顯著

三聯(lián)供系統(tǒng)的主要設(shè)備為燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，燃料使用天然氣。天然氣屬于潔凈燃料，燃燒產(chǎn)生的煙氣中基本無煙塵及二氧化硫，對環(huán)境的污染較小，其排放中主要有害氣體為氮氧化物。內(nèi)燃機(jī)能源站廢氣主要污染因子為NOx。燃?xì)夥植际侥茉凑镜拇髿馕廴疚锱欧艆⒄铡跺仩t大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13271—2014），于重點地區(qū)新建燃?xì)忮仩t，其氮氧化物排放限值為150 mg/Nm3。本項目選用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)NOx的排放濃度為500 mg/Nm3。經(jīng)過SCR系統(tǒng)后排放濃度小于30 mg/Nm3，遠(yuǎn)高于環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

項目建成后，整個項目分布式能源供能方式與傳統(tǒng)供能方式相比，由于天然氣的硫含量極低，無粉塵含量，因此，可忽略分布式能源系統(tǒng)中的SO2及粉塵排放。本項目所建的分布式能源系統(tǒng)各類污染物減排量：CO24 281 t，減排率40%；SO2333 t，減排率100%；NOx146 t，減排率87%；粉塵3 023 t，減排率100%。

3 設(shè)計難點總結(jié)

3.1 負(fù)荷模擬計算指導(dǎo)主機(jī)選型

燃?xì)夥植际侥茉丛O(shè)計的關(guān)鍵點，在于準(zhǔn)確預(yù)測分析服務(wù)對象的負(fù)荷需求以及全年變化規(guī)律，設(shè)計最合理的主機(jī)方案以及最節(jié)能、最經(jīng)濟(jì)的運行方式。本項目采用energy-plus能耗模擬分析軟件，對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行全年的綜合的能耗預(yù)測分析，在能耗預(yù)測分析的基礎(chǔ)上最終確定主機(jī)方案。能耗模擬計算全年逐時熱電比如圖1所示。

圖1 能耗模擬計算全年逐時熱電比

3.2 結(jié)構(gòu)加固

本項目所在的建筑無地下室機(jī)房可用，整個能源站位于建筑屋面，需要進(jìn)行加固處理。加固從柱、梁、板三個方面著手。

混凝土柱采用外包鋼加固法。本工程采用濕式加固，是在角鋼與原柱之間采用乳膠水泥、聚合物砂漿或環(huán)氧樹脂化學(xué)灌漿等方法，使之達(dá)到型鋼與柱能夠整體工作、共同受力。相比于干式外包加固，濕式外包加固在承載力提高方面效果明顯[4]。

混凝土梁采用增大截面法加固。該加固方法在混凝土梁側(cè)外包混凝土，增大梁截面面積和配筋的一種梁加固方法，從而達(dá)到提高梁的承載能力、增加梁的強度和剛度的目的，以滿足承載力和正常使用的要求[4]。該法其優(yōu)點為施工工藝簡單、適應(yīng)性強，且有長期的使用經(jīng)驗。

板加固采用板下部粘貼碳纖維加固，板上部新增40 mm厚度的現(xiàn)澆混凝土，在新增厚度內(nèi)增設(shè)受力筋。

3.3 屋頂能源站的減振降噪

本項目探索性地將整個能源站布置于屋面，為了將振動及噪聲控制在符合國際標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，不影響該建筑其他區(qū)域的正常使用，主要從以下幾個方面實施：

源頭上選擇振動小、低噪聲的設(shè)備：本項目發(fā)電機(jī)為原裝進(jìn)口機(jī)組，發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)與機(jī)組底座之間已設(shè)置減振裝置；電制冷主機(jī)采用磁懸浮離心式機(jī)組，機(jī)組運行噪聲低于70 dB，振動更是接近為0；水泵采用立式屏蔽泵，運行噪聲低于70 dB。

減振措施：發(fā)電機(jī)組自重大、振動大，對應(yīng)的減振措施包括屋面設(shè)置整板混凝土基礎(chǔ)，基礎(chǔ)上布置橡膠減震墊，機(jī)組底座與減震墊之間設(shè)置彈簧減振器，加之機(jī)組底座本身的減振裝置，發(fā)電機(jī)運行的振動對辦公建筑辦公區(qū)域的影響接近于0。水泵底座采用空氣減震器+雙球軟連接隔離運行振動，減輕對建筑屋面的影響。運行實況測試，水泵運行時將硬幣立方于水泵電機(jī)之上，硬幣長時間不倒。

靜音集裝箱：本項目除水泵、換熱器等設(shè)備布置于屋頂水泵房內(nèi)，其他主要設(shè)備均為屋頂露天布置。對每個機(jī)組設(shè)計靜音集裝箱，降低了機(jī)組的運行噪聲，同時解決了機(jī)組露天布置帶來的防雨、防曬等問題。

發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻方式：一般內(nèi)燃型發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)均采用干式空氣冷卻的方式，將缸套水以及中冷水直接冷卻。這樣的冷卻方式優(yōu)點是系統(tǒng)簡單，缺點是耗電高、噪聲大。本項目對環(huán)境噪聲要求較高，不宜采用干式空冷的方式。以發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)為一次側(cè)，設(shè)計板式換熱器與冷卻塔水系統(tǒng)相連的二次冷卻側(cè)。利用已有的冷卻塔容量，對發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。此項設(shè)計于國內(nèi)同類項目中屬于首例，消除了干式空冷器這一噪聲源，降低了系統(tǒng)運行噪聲。

冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻運行降噪：冷卻塔風(fēng)機(jī)的運行噪聲也是能源站的主要噪聲源。冷卻塔風(fēng)機(jī)采用變頻電機(jī)，不僅能在部分負(fù)荷下降頻運行降低能耗，更可以在低頻運行中減少噪聲。

3.4 制冷主機(jī)與冷卻塔的高差問題

一般布置于地下室或者建筑首層的能源站，制冷主機(jī)與布置于屋面的冷卻塔存在足夠的高差，冷卻塔滴水盤至制冷主機(jī)冷凝器及冷卻水循環(huán)泵前之間的自然重力流管路能保持時刻的滿管。本項目制冷主機(jī)與冷卻塔均布置于屋面，如若不采取必要的措施，不能保證冷凝器內(nèi)滿管，制冷主機(jī)將運行異常；水泵吸入口管道不能滿管，水泵將產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。

設(shè)計中，在屋面原有冷卻塔混凝土基礎(chǔ)上，加設(shè)2 m的鋼柱。冷卻塔安裝于鋼柱之上，以保證滴水盤的標(biāo)高高于制冷主機(jī)的冷凝器以及水泵吸入口管道，避免了制冷主機(jī)運行異常與水泵的汽蝕現(xiàn)象。

4 總結(jié)

本項目前已運行一整個自然年，發(fā)電機(jī)運行穩(wěn)定，供冷、供熱系統(tǒng)運行效果良好。設(shè)計的系統(tǒng)方案貼近實際負(fù)荷需求，配合以靈活的運行模式，發(fā)電機(jī)全年滿載運行小時數(shù)3 799 h，系統(tǒng)年平均能源綜合利用率高達(dá)77.12%，節(jié)能減排效益顯著。作為國內(nèi)首批建設(shè)于建筑屋頂?shù)娜細(xì)夥植际侥茉凑?，在結(jié)構(gòu)加固、減振、降噪等方面做出了許多積極的探索，提供了諸多寶貴經(jīng)驗，為此類工程的應(yīng)用發(fā)展擴(kuò)寬了道路。