王世朋，趙大周，柯冬冬，林 達(dá)

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030；2.浙江省蓄能與建筑節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310030）

0 引言

數(shù)據(jù)中心是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息集中處理、存儲(chǔ)、傳輸?shù)裙δ艿姆?wù)平臺(tái)，具有用電密度高、用冷需求大、供能可靠性要求高等特點(diǎn)[1]。受云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)中心的需求量也持續(xù)快速增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013—2017 年，全球IDC（互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心）市場(chǎng)規(guī)模平均增長(zhǎng)率為17.1%，中國(guó)平均增長(zhǎng)率為37.8%[2]。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)等終端側(cè)應(yīng)用場(chǎng)景的技術(shù)演進(jìn)與迭代，終端側(cè)上網(wǎng)需求量將呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用場(chǎng)景及市場(chǎng)需求還將進(jìn)一步擴(kuò)大。預(yù)計(jì)2020 年，我國(guó)數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)規(guī)模將超過2 000 億元。

目前，數(shù)據(jù)中心用電量約占全社會(huì)用電量的1.8%，由于數(shù)據(jù)中心高耗能，北京、上海、深圳等一線城市或浙江、江蘇等發(fā)達(dá)省份嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模，其中浙江規(guī)定新建數(shù)據(jù)中心PUE（電能利用效率）低于1.5[3]。

在此背景下，可通過配套建設(shè)燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行冷電聯(lián)供，實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用及電力就地消納，從而降低數(shù)據(jù)中心PUE值，由此促進(jìn)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目落地。受此因素影響，數(shù)據(jù)中心燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)近年來成為行業(yè)討論熱點(diǎn)[4-7]。

本文以杭州地區(qū)某數(shù)據(jù)中心燃?xì)夥植际侥茉错?xiàng)目為例，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)角度分析論證燃?xì)夥植际侥茉礊閿?shù)據(jù)中心供能的節(jié)能性及經(jīng)濟(jì)性，為同類型項(xiàng)目開發(fā)提供指導(dǎo)意見。

1 燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)適用性分析

1.1 數(shù)據(jù)中心能耗分析

數(shù)據(jù)中心包括機(jī)房IT（信息技術(shù)）設(shè)備，以及空調(diào)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等輔助基礎(chǔ)設(shè)施。據(jù)《中國(guó)數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)年度發(fā)展報(bào)告2016》顯示，IT 設(shè)備系統(tǒng)能耗占數(shù)據(jù)中心總能耗的45%，空調(diào)系統(tǒng)能耗占比為40%[8]。

PUE 是評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo)，指的是數(shù)據(jù)中心消耗的所有電量與IT 負(fù)載消耗的電量之比。PUE 值越接近于1，表示數(shù)據(jù)中心越節(jié)能[9]。我國(guó)早期建設(shè)的數(shù)據(jù)中心PUE 基本在2.0～2.5，近年來，全國(guó)數(shù)據(jù)中心能效水平進(jìn)一步提升，在用超大型數(shù)據(jù)中心平均PUE 為1.63，大型數(shù)據(jù)中心平均PUE 為1.54，仍有進(jìn)一步降低的空間[10]，詳見圖1。

圖1 2016 年數(shù)據(jù)中心能耗組成

1.2 燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)適用性

燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)是指利用天然氣為燃料，通過冷熱電三聯(lián)供等方式實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用，綜合能源利用效率在70%以上，并在負(fù)荷中心實(shí)現(xiàn)就近供能的現(xiàn)代能源供應(yīng)方式[11]，包括樓宇型及區(qū)域型2 種類型。

數(shù)據(jù)中心與燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)有很好的匹配性。一是數(shù)據(jù)中心需求的冷電比接近1:1，與燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)供能特性相匹配；二是數(shù)據(jù)中心負(fù)荷穩(wěn)定，可保證燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)全年高效運(yùn)行，提高系統(tǒng)利用率。同時(shí)，燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)與市電相結(jié)合，可以為數(shù)據(jù)中心提供一路可靠電源，提高數(shù)據(jù)中心的供能安全性[7，12]。

2 數(shù)據(jù)中心負(fù)荷分析

杭州市某A 級(jí)數(shù)據(jù)中心規(guī)劃建筑面積10 000 m2，配置2 000 個(gè)機(jī)架，IT 設(shè)備功率密度有5 kW/柜和7 kW/柜2 種類型。機(jī)房樓內(nèi)設(shè)置運(yùn)維辦公場(chǎng)所。

2.1 電負(fù)荷分析

數(shù)據(jù)中心電負(fù)荷需求主要包括IT 設(shè)備、空調(diào)風(fēng)機(jī)、新風(fēng)通風(fēng)、UPS（不間斷電源）損耗、安防照明等。根據(jù)數(shù)據(jù)中心提供的資料，扣除空調(diào)系統(tǒng)制冷負(fù)荷，數(shù)據(jù)中心全年電負(fù)荷為11.89 MW，其中IT 設(shè)備使用功率為9.98 MW，其他設(shè)備電負(fù)荷為1.91 MW，詳見表1。

表1 數(shù)據(jù)中心電負(fù)荷情況 kW

數(shù)據(jù)中心電負(fù)荷需求與數(shù)據(jù)中心具體業(yè)務(wù)相關(guān)，全年運(yùn)行基本穩(wěn)定無波動(dòng)。

2.2 冷負(fù)荷分析

2.2.1 氣象參數(shù)

杭州屬夏熱冬冷地區(qū)，其全年干濕球溫度曲線如圖2 所示。根據(jù)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》，杭州地區(qū)空調(diào)設(shè)計(jì)所采用的室外氣象參數(shù)見下：

大氣壓力：冬季1 020.9 kPa，夏季1 000.5 kPa

供暖室外計(jì)算溫度：-1 ℃

冬季通風(fēng)室外計(jì)算溫度：4 ℃

冬季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算溫度：-4 ℃

夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度：35.7 ℃

夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算濕球溫度：28.5 ℃

夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度：33 ℃

日平均溫度≤5 ℃的天數(shù)：61 天

極端最低溫度：-9.6 ℃

極端最高溫度：39.9 ℃

圖2 杭州全年干濕球溫度

2.2.2 冷負(fù)荷分析

數(shù)據(jù)中心機(jī)房冷負(fù)荷包括機(jī)房主要工藝設(shè)備散熱量形成的冷負(fù)荷、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱形成的冷負(fù)荷以及照明散熱和人體散熱形成的冷負(fù)荷。

機(jī)房主要工藝設(shè)備散熱量形成的冷負(fù)荷是機(jī)房空調(diào)負(fù)荷的重要組成部分，屬于穩(wěn)定冷負(fù)荷，IT設(shè)備電功率的97%轉(zhuǎn)換為散熱量[13]，該部分約占總熱量的80%以上。圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱形成的冷負(fù)荷主要是太陽輻射熱通過機(jī)房的屋頂、墻壁等圍護(hù)結(jié)構(gòu)所傳入的熱量和因室內(nèi)外溫差所引起的傳熱量?jī)刹糠种?，主要出現(xiàn)在夏季，需求占比不到總體負(fù)荷的5%。照明散熱和人體散熱等非工藝設(shè)備散熱形成的冷負(fù)荷因房間的功能不同，模擬出各房間的冷負(fù)荷也不盡相同。另外，數(shù)據(jù)中心所設(shè)的新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)有溫度處理（表冷器、加熱器）及亞高效過濾器。新風(fēng)取自室外，經(jīng)過濾加熱等處理達(dá)到機(jī)房露點(diǎn)溫度后送入機(jī)房吊頂內(nèi)，與機(jī)房空調(diào)機(jī)組回風(fēng)混合后，再送入室內(nèi)所需區(qū)域。數(shù)據(jù)機(jī)房的新風(fēng)降溫除濕處理采用風(fēng)冷直膨式新風(fēng)機(jī)組，消耗電能，因此不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房帶來額外熱源。

經(jīng)測(cè)算，數(shù)據(jù)中心IT 設(shè)備散熱量、空調(diào)風(fēng)機(jī)散熱量、照明及人員散熱量（除圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷外）的冷負(fù)荷為11.25 MW，其中IT 設(shè)備冷負(fù)荷為9.74 MW。

負(fù)荷對(duì)外界氣候環(huán)境變化不顯著，經(jīng)分析全年波動(dòng)僅在圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷上存在少量差異。以表1 杭州全年干濕球溫度及相關(guān)氣象參數(shù)為基礎(chǔ)，利用華電源軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)中心圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷模擬，結(jié)果見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)中心全年冷負(fù)荷曲線

3 能源站建設(shè)方案

3.1 裝機(jī)方案

能源站項(xiàng)目設(shè)計(jì)工況下數(shù)據(jù)中心全年電負(fù)荷需求11.89 MW，全年平均冷負(fù)荷需求11.15 MW，據(jù)此進(jìn)行裝機(jī)選型設(shè)計(jì)。

按照10%負(fù)荷需求配置冗余，建設(shè)4 400 kW級(jí)別燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)3 臺(tái)。通過內(nèi)燃機(jī)組發(fā)電直供，內(nèi)燃機(jī)排放高溫?zé)煔饧案滋姿ㄟ^煙氣熱水型吸收式溴化鋰機(jī)組吸收制冷，配套安裝3 臺(tái)4.3 MW離心式冷水機(jī)組以便吸收式機(jī)組故障或谷段電價(jià)時(shí)刻備用，安裝1 臺(tái)800 m3蓄冷水罐，滿足20 min 的緊急供冷。系統(tǒng)圖見圖4，設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 主要設(shè)備參數(shù)

圖4 燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)

3.2 運(yùn)行方案

根據(jù)數(shù)據(jù)中心電冷負(fù)荷特點(diǎn)（電冷負(fù)荷基本匹配），本方案選擇以燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組作為主體設(shè)備，高溫?zé)煔夂蜔崴鳛闊嵩打?qū)動(dòng)溴化鋰機(jī)組制冷可以滿足數(shù)據(jù)中心負(fù)荷需求，不足部分由兩路市電補(bǔ)充。

考慮杭州地區(qū)執(zhí)行峰平谷分段電價(jià)，從提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，峰平電價(jià)時(shí)段與谷段電價(jià)時(shí)段執(zhí)行不同運(yùn)行策略安排。

峰平電價(jià)時(shí)段，采用“燃?xì)夥植际絻?nèi)燃機(jī)+煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組”運(yùn)行，為數(shù)據(jù)中心供電、供冷。當(dāng)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷降低，難以滿足數(shù)據(jù)中心電負(fù)荷需求時(shí)，市電補(bǔ)充。冷負(fù)荷波動(dòng)，溴化鋰機(jī)組提供冷量小于數(shù)據(jù)中心需要冷量時(shí)，離心式電制冷機(jī)運(yùn)行補(bǔ)充。內(nèi)燃機(jī)的高溫?zé)煔饧案滋姿峁崃窟^多時(shí)，高溫?zé)煔馔ㄟ^電動(dòng)三通閥排空，保證機(jī)組正常運(yùn)行。

谷段電價(jià)時(shí)段，采用“市電+離心式電制冷機(jī)組”運(yùn)行方式。能源站全年運(yùn)行指標(biāo)見表3。

表3 能源站運(yùn)行指標(biāo)

4 經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 數(shù)據(jù)中心燃?xì)夥植际侥茉凑窘?jīng)濟(jì)性

4.1.1 投資估算

按照《電力建設(shè)工程估算指標(biāo)（2016 版）》進(jìn)行投資估算編制，結(jié)果見表4。能源站靜態(tài)總投資1.87 億元，其中建筑工程費(fèi)2 240 萬元，占比12.0%；設(shè)備購(gòu)置費(fèi)11 082 萬元，占比59.36%；安裝工程2 654 萬元，占比14.21%；其他費(fèi)用1 805 萬元，占比9.67%；基本預(yù)備費(fèi)889 萬元，占比4.76%。

表4 能源站系統(tǒng)投資概算 萬元

4.1.2 財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)

主要成本參數(shù)：資本金占比30%。直供電價(jià)，參照杭州市35 kV 大工業(yè)電價(jià)，峰平時(shí)段電價(jià)按九五折優(yōu)惠；含稅氣價(jià)2.37 元/m3；水價(jià)按市政自來水價(jià)2.5 元/t；維修費(fèi)率前三年取2.5%，之后取5%；保險(xiǎn)費(fèi)率0.25%；材料費(fèi)按發(fā)電量計(jì)，取8 元/MWh；其他費(fèi)用10 元/MWh。能源站定員10 人，人均年工資10 萬元，福利費(fèi)系數(shù)取60%。直供電稅率取13%；供冷稅率取9%；天然氣稅率取9%。

在以上邊界條件內(nèi)按IRR（內(nèi)部收益率）為8%反算得到項(xiàng)目供冷價(jià)格為0.366 元/kWh，與同類型項(xiàng)目0.46 元/kWh 相比[14]，具有一定優(yōu)勢(shì)。

若能源站所發(fā)電力全額上網(wǎng)，電價(jià)執(zhí)行浙江燃?xì)夥植际脚R時(shí)上網(wǎng)電價(jià)0.65 元/kWh，冷價(jià)按照0.46 元/kWh，此時(shí)項(xiàng)目IRR＜0，能源站不具備盈利能力。

4.2 與傳統(tǒng)市電方案對(duì)比

4.2.1 模式一：能源站由第三方建設(shè)

能源站由發(fā)電集團(tuán)、燃?xì)饧瘓F(tuán)、地方能源集團(tuán)等投資方建設(shè)，對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行冷、電聯(lián)供，直供電價(jià)取市電電價(jià)的九五折，冷價(jià)為0.366元/kWh。此時(shí)“燃?xì)夥植际?市電”供能方案與傳統(tǒng)兩路市電方案相比，數(shù)據(jù)中心年用能成本見表5。

表5 2 種方案用能成本對(duì)比

傳統(tǒng)兩路市電方案PUE 值為1.51，“燃?xì)夥植际?市電”方案PUE 降低至1.32。不考慮用能經(jīng)濟(jì)性，若谷段電價(jià)時(shí)段仍通過燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)中心供能，PUE 有望進(jìn)一步降至1.19。

從用能成本考慮，傳統(tǒng)市電方案年用能成本為9 022.16 萬元，“燃?xì)夥植际?市電”方案用能成本為10 874.66 萬元，較兩路市電方案增加了1 852.50 萬元。對(duì)數(shù)據(jù)中心業(yè)主而言，燃?xì)夥植际焦┠芊桨鸽m然降低了數(shù)據(jù)中心PUE 值，但年用能成本有明顯提高，這是限制數(shù)據(jù)中心燃?xì)夥植际侥茉凑鹃_發(fā)的主要因素[15-16]。

依據(jù)4.1.2 節(jié)財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)條件，經(jīng)測(cè)算知能源站氣價(jià)與供冷價(jià)格呈線性關(guān)系（見圖5）。當(dāng)氣價(jià)為1.712 元/m3時(shí)，“燃?xì)夥植际?市電”供能方案與兩路市電方案供能成本相當(dāng)；當(dāng)氣價(jià)低于1.712元/m3時(shí)，“燃?xì)夥植际?市電”供能成本更具經(jīng)濟(jì)性。

圖5 模式一條件能源站氣價(jià)與數(shù)據(jù)中心年用能成本變化示意

4.2.2 模式二：能源站由數(shù)據(jù)中心業(yè)主建設(shè)

若燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)由數(shù)據(jù)中心業(yè)主自建，從數(shù)據(jù)中心供能成本考慮，主要包括燃?xì)夥植际侥茉凑竟┠艹杀炯皵?shù)據(jù)中心谷段電價(jià)成本。其中，燃?xì)夥植际侥茉凑竟┠艹杀局饕ㄈ剂铣杀?、水費(fèi)、材料費(fèi)、檢修費(fèi)、人工及福利費(fèi)、折舊費(fèi)、修理費(fèi)以及相關(guān)財(cái)務(wù)費(fèi)用，詳見圖6，壽命期內(nèi)平均成本為5 792 萬元。綜合考慮數(shù)據(jù)中心谷段用電成本，此時(shí)數(shù)據(jù)中心年用能成本為7 950.01 萬元，相較兩路市電供能方案，年節(jié)省用能成本1 072.15 萬元，節(jié)能效益可觀。

圖6 模式二條件燃?xì)夥植际侥茉凑灸赀\(yùn)行成本

圖7 模式二條件氣價(jià)與數(shù)據(jù)中心年用電成本變化

測(cè)算得到該模式下氣價(jià)與數(shù)據(jù)中心年用能成本關(guān)系如圖7 所示，當(dāng)氣價(jià)低于3.080 元/m3時(shí)，“燃?xì)夥植际侥茉凑?市電”聯(lián)合供能模式更具經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論與建議

隨著5G 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的演進(jìn)與迭代，數(shù)據(jù)中心的市場(chǎng)需求將持續(xù)擴(kuò)大。受能耗高的影響，在發(fā)達(dá)省市項(xiàng)目落地較為困難。燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)有助于數(shù)據(jù)中心節(jié)能，降低數(shù)據(jù)中心PUE 值，為數(shù)據(jù)中心在發(fā)達(dá)地區(qū)的建設(shè)提供有力支持。通過對(duì)數(shù)據(jù)中心燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)的方案對(duì)比及經(jīng)濟(jì)性分析，可以得到以下主要結(jié)論：

（1）燃?xì)夥植际侥茉凑咀鳛閿?shù)據(jù)中心的配套能源供應(yīng)系統(tǒng)，有助于降低數(shù)據(jù)中心PUE 值，節(jié)能效果顯著，但是否有助于降低數(shù)據(jù)中心年用能成本值得商榷。供能經(jīng)濟(jì)性是制約燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)為數(shù)據(jù)中心供能的主要因素。

（2）從目前市場(chǎng)條件考慮，由數(shù)據(jù)中心業(yè)主投資建設(shè)燃?xì)夥植际侥茉凑靖鼮楹线m，數(shù)據(jù)中心用能成本顯著降低。地方能源公司、燃?xì)夤镜绕渌顿Y機(jī)構(gòu)受直供電政策壁壘、供能價(jià)格及投資收益指標(biāo)等因素限制，為數(shù)據(jù)中心建設(shè)配套分布式能源站需結(jié)合邊界條件做詳細(xì)財(cái)務(wù)論證。