陳卉，劉穎，趙龍生

（1.東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，南京210096；2.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，南京210096）

0 引言

數(shù)據(jù)中心的電負(fù)荷、冷負(fù)荷需求量大，且負(fù)荷全年波動(dòng)范圍小，較為穩(wěn)定。數(shù)據(jù)中心電負(fù)荷系統(tǒng)及空調(diào)系統(tǒng)需全年不間斷運(yùn)行，以保證數(shù)據(jù)通信設(shè)備運(yùn)行的可靠性和有效性。數(shù)據(jù)中心用能設(shè)備包括服務(wù)器、交換機(jī)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet Technology，IT）設(shè)備，還包括空調(diào)、配電等輔助系統(tǒng)。目前在數(shù)據(jù)中心能效水平狀況下，數(shù)據(jù)中心IT 設(shè)備大約占總能耗50%，空調(diào)系統(tǒng)能耗占總能耗約40%，其電負(fù)荷和冷負(fù)荷比例接近1。用于數(shù)據(jù)中心的天然氣分布式能源站通常也能實(shí)現(xiàn)約44%的發(fā)電效率和約46%的余熱利用效率，當(dāng)采用能效比（COP）在1左右的溴化鋰吸收式制冷機(jī)組時(shí)，其供電、供冷比例接近于1。天然氣分布式能源站的供電、供冷比例與數(shù)據(jù)中心的電負(fù)荷、冷負(fù)荷比例接近，可保證能源利用的充分性和穩(wěn)定性。其特殊的用能結(jié)構(gòu)非常適宜采用分布式能源系統(tǒng)［1-7］。

天然氣作為一種清潔低碳化石能源，在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要作用，圍繞國(guó)家提出的“30·60”碳排放目標(biāo)特別是2030年前碳排放達(dá)峰的要求，響應(yīng)國(guó)家能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)向清潔低碳加快轉(zhuǎn)變，本文搭建天然氣分布式能源系統(tǒng)（CCHP 系統(tǒng)），使能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)向更綠色、低碳方向發(fā)展。CCHP 系統(tǒng)以天然氣為原料，通過燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)電，所發(fā)電力與市電共同滿足用戶端的電力需求，同時(shí)采用余熱利用設(shè)備（溴化鋰空調(diào)、換熱器等）滿足用戶端的冷熱負(fù)荷需求，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，綜合能源利用效率在70%以上，并在負(fù)荷中心就近實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代能源供應(yīng)方式，是天然氣高效利用的重要方式［7］。與傳統(tǒng)集中式供能方式相比，天然氣分布式能源具有低碳清潔環(huán)保、能效高、安全性好、削峰填谷、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，是高碳模式向低碳模式的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變方式。將天然氣分布式能源系統(tǒng)應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心中，不但能夠滿足數(shù)據(jù)中心的電與冷負(fù)荷需求，減少能源費(fèi)用，更可以與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心供能方式互為補(bǔ)充以滿足數(shù)據(jù)中心用能安全性的特殊需求。

1 數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目概況

某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目位于常熟新規(guī)劃的城鐵片區(qū)內(nèi)，占地面積2.35 公頃，共設(shè)2 座互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（IDC）機(jī)房樓及其他建筑物，均按民用建筑設(shè)計(jì)，該數(shù)據(jù)中心依據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。#1和#2 IDC機(jī)房樓機(jī)架數(shù)量均為2 800個(gè)，單機(jī)架面積7.5m2，電源使用效率（PUE）年平均值1.35。

數(shù)據(jù)中心能源需求主要是電能和冷能。數(shù)據(jù)中心的主要用電是服務(wù)器、交換機(jī)等IT 設(shè)備用電，且數(shù)據(jù)中心需要常年提供足量的空調(diào)冷負(fù)荷。

2 冷、電負(fù)荷分析

2.1 電負(fù)荷分析

數(shù)據(jù)中心用電負(fù)荷常年穩(wěn)定運(yùn)行，負(fù)荷波動(dòng)較小。數(shù)據(jù)中心IT 負(fù)載約37 MW，數(shù)據(jù)中心引入110 kV 變電站的最低容量為20 MV·A（即必須用掉20 MV·A 的電量）。因此，數(shù)據(jù)中心耗電量扣除該部分的輸入電量即為能源站的供電負(fù)荷。能源站需供應(yīng)的電負(fù)荷為17 MW。數(shù)據(jù)中心用電系統(tǒng)采用雙路電源，保證了供電安全性和可靠性。

2.2 冷負(fù)荷分析

數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)方根據(jù)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》，查詢國(guó)家氣象標(biāo)準(zhǔn)中蘇州的室外設(shè)計(jì)參考指標(biāo)參數(shù)和室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)，并由《計(jì)算機(jī)房空調(diào)設(shè)計(jì)》中的計(jì)算公式，估算出機(jī)房的冷負(fù)荷約50 MW。所需冷凍水供回水溫度暫定為15∕21℃，水流量為7 200 m3∕h?？照{(diào)系統(tǒng)每天24 h 運(yùn)行，負(fù)荷常年波動(dòng)不大。根據(jù)上述對(duì)數(shù)據(jù)中心冷、電負(fù)荷分析，能源站設(shè)計(jì)負(fù)荷見表1。

3 能源站供能方案

通過比較分析，冷∕電源采用N+1 設(shè)計(jì)，得出該數(shù)據(jù)中心推薦配置方案：5 臺(tái)單機(jī)裝機(jī)容量為4.5 MW 級(jí)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)（4 用1 備）+5 臺(tái)3 917 MW 煙氣-熱水型溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組（4 用1 備）+5 臺(tái)9 100 kW 離心式電制冷機(jī)組（4 用1 備）+2 臺(tái)7 000 kW 電制冷機(jī)組［8-11］。能源站系統(tǒng)流程如圖1所示，系統(tǒng)配置如圖2所示。

表1 樓宇式分布式能源站設(shè)計(jì)負(fù)荷Tab.1 Design load of the building distributed energy station /kW

圖1 數(shù)據(jù)中心樓宇式分布式能源系統(tǒng)示意Fig.1 Building-type distributed energy system for a data center

圖2 能源站系統(tǒng)配置Fig.2 Configuration of the energy station

為保證供冷可靠性，能源站空調(diào)冷凍水系統(tǒng)采用二級(jí)泵系統(tǒng)，一級(jí)泵冷凍水系統(tǒng)母管為雙供雙回環(huán)形管網(wǎng)系統(tǒng)，二級(jí)泵冷凍水系統(tǒng)為雙管路系統(tǒng)，按管路系統(tǒng)2N 冗余設(shè)計(jì)，供回水系統(tǒng)分別接入集、分水器；為提高數(shù)據(jù)中心PUE，降低基礎(chǔ)設(shè)備能耗成本，冷凍水供回水溫度設(shè)定為15∕21℃。

能源站采用二路供冷水的系統(tǒng)，設(shè)置有2 個(gè)蓄冷罐，蓄冷罐直徑9 m，體積為595 m3。水蓄冷作為應(yīng)急冷源，滿足系統(tǒng)運(yùn)行15 min 的冷量，可保證雙冷源平穩(wěn)切換［12-13］。

數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)冷卻水的設(shè)計(jì)方案是基于閉式冷卻塔自然冷卻的形式，冷卻水系統(tǒng)母管為環(huán)形管網(wǎng)系統(tǒng)，保證安全可靠性，冷卻水供∕回水溫度分別為32∕37℃。冷卻水系統(tǒng)包括冷卻塔30 臺(tái)（28臺(tái)運(yùn)行，2 臺(tái)備用）、冷凍水泵、冷卻水泵、板式換熱器等。為了更好地節(jié)約能源，降低數(shù)據(jù)中心PUE，設(shè)計(jì)采用室外自然免費(fèi)冷源，即冬季采用開式冷卻塔+板式換熱器提供自然冷卻免費(fèi)制冷方式［14］。

為保證供電安全可靠，能源站擬以雙回10 kV的電壓等級(jí)接入數(shù)據(jù)中心110 kV開閉所的10 kV母線。能源站內(nèi)建設(shè)一座10 kV 配電間，10 kV 接線為單母線分段接線，能源站第一解列點(diǎn)為10 kV 聯(lián)絡(luò)開關(guān)，后備解列點(diǎn)設(shè)置在發(fā)電機(jī)出口開關(guān)。第1 并列點(diǎn)設(shè)在發(fā)電機(jī)出口開關(guān)處，第2并列點(diǎn)設(shè)在10 kV聯(lián)絡(luò)開關(guān)處。

另外，為了滿足常熟地區(qū)NOx的排放要求，推薦采用選擇性催化還原（SCR）法脫硝工藝進(jìn)行煙氣脫硝，布置在內(nèi)燃機(jī)尾部與煙氣-熱水型溴化鋰機(jī)組之間，將NOx排放質(zhì)量濃度降至50 mg∕m3以下，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，脫硝工藝流程如圖3所示（圖中PLC 為可編程邏輯控制器）。

圖3 脫硝工藝流程Fig.3 Denitrification process

4 能源站供能運(yùn)行方案

4.1 夏季/過渡季供冷運(yùn)行方案

4 臺(tái) 燃 氣發(fā) 電 機(jī)00：00—08：00 停 機(jī) 不 運(yùn)行；08：00—24：00 滿負(fù)荷運(yùn)行，所發(fā)電力滿足高峰時(shí)段（08：00—12：00，17：00—21：00）能源站內(nèi)電制冷機(jī)組用電需求，富余電量滿足數(shù)據(jù)中心部分電能需求，平價(jià)時(shí)段（12：00—17：00，21：00—24：00）電制冷機(jī)組從電網(wǎng)購(gòu)電，內(nèi)燃機(jī)發(fā)電量用于滿足數(shù)據(jù)中心部分用電需求，平價(jià)時(shí)段和高峰時(shí)段數(shù)據(jù)中心不足電量均從網(wǎng)上購(gòu)電。發(fā)電過程中所產(chǎn)生的煙氣余熱和高溫缸套水通過4 臺(tái)余熱溴冷機(jī)組吸收利用，產(chǎn)生7 ℃的冷水。

4 臺(tái)離心電制冷機(jī)以電為動(dòng)力產(chǎn)生15 ℃的冷水，高峰時(shí)段所耗電量由內(nèi)燃發(fā)電機(jī)供，平段和谷段從電網(wǎng)購(gòu)電。夏季∕過渡季典型日制冷設(shè)備負(fù)荷分?jǐn)偳闆r如圖4所示。

圖4 夏季/過渡季典型日制冷設(shè)備負(fù)荷分?jǐn)侳ig.4 Load distribution of the refrigeration equipment on a typical day in summer/transition season

4.2 冬季供冷運(yùn)行方案

結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，本項(xiàng)目冬季采用開式冷卻塔+板式換熱器提供自然冷卻免費(fèi)制冷方式，能源站免費(fèi)制冷時(shí)間按1 080 h 計(jì)，無需開啟冷凍水機(jī)組，節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用。

本文研究探索以求為建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展中BIM技術(shù)的廣泛應(yīng)用及結(jié)構(gòu)配筋圖智能化審核技術(shù)提供更完善的理論和實(shí)踐方法。

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

5.1 約束條件

對(duì)于供、用電，其能量平衡公式如下

式中：P 為供應(yīng)用戶端電量；Pg為內(nèi)燃機(jī)發(fā)電量；Pes為電網(wǎng)上網(wǎng)電量；Pex為電網(wǎng)下網(wǎng)電量；Pu為電制冷機(jī)消耗電量；∑Qec為制冷水泵及風(fēng)機(jī)等消耗電量總和。

對(duì)于供冷設(shè)備，其能量平衡公式為

式中：Qc為供用戶端冷量；Qyc為煙氣-熱水型溴化鋰機(jī)組供冷量；Qec為電制冷機(jī)組供冷量。

能源站節(jié)能率公式如下

式中：r 為節(jié)能率；B 為聯(lián)供系統(tǒng)年燃?xì)饪偤牧?，m3；QL為天然氣低位發(fā)熱量，QL=34.8 MJ∕m3；W 為聯(lián)供系統(tǒng)年凈輸出電量，kW·h；ηeo為常規(guī)供電模式的平均供電效率，計(jì)算結(jié)果為38.57%；Q1為聯(lián)供系統(tǒng)余熱年供熱總量，MJ，本案例為0；ηo為常規(guī)供熱模式的燃?xì)忮仩t平均熱效率；Q2為聯(lián)供系統(tǒng)余熱年供冷總量，MJ；COPo為常規(guī)供冷模式的電制冷機(jī)平均性能系數(shù)，可按5.0取值。

5.2 算例分析

5.2.1 技術(shù)指標(biāo)分析

江蘇省10 kV及以下大工業(yè)用電高峰段（08：00—12：00，17：00—21：00）電價(jià)為1.0 697元∕（kW·h），平段（12：00—17：00，21：00—24：00）電價(jià)為0.641 8元∕（kW·h），谷段（12：00—17：00，21：00—24：00）電價(jià)為0.313 9 元∕（kW·h），能源站供數(shù)據(jù)中心電價(jià)為0.80 元∕（kW·h）。為充分利用峰谷電價(jià)差，提高能源站經(jīng)濟(jì)效率，能源站內(nèi)燃機(jī)谷段（00：00—08：00）不運(yùn)行，數(shù)據(jù)中心從國(guó)家電網(wǎng)購(gòu)電，能源站內(nèi)用電亦從電網(wǎng)購(gòu)入谷價(jià)電；能源站的內(nèi)燃機(jī)（08：00—24：00）運(yùn)行，高峰段，能源站用電設(shè)備由內(nèi)燃機(jī)供，剩余電量供數(shù)據(jù)中心；平段，能源站供數(shù)據(jù)中心電價(jià)高于從電網(wǎng)平段電價(jià)，所以此時(shí)段能源站內(nèi)燃機(jī)發(fā)電量全部供給數(shù)據(jù)中心，能源站內(nèi)用電設(shè)備從電網(wǎng)購(gòu)入電量。數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷（00：00—08：00）全部由電制冷離心機(jī)承擔(dān)；數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷（08：00—24：00）由煙氣-熱水型溴化鋰機(jī)組和離心式電制冷機(jī)組共同承擔(dān)。

白天煙氣-熱水型溴化鋰機(jī)組承擔(dān)15 668 kW冷負(fù)荷，其余34 332 kW 冷負(fù)荷由離心式電制冷機(jī)組承擔(dān)；夜間50 MW 冷負(fù)荷全部由離心式電制冷機(jī)組承擔(dān)。能源站典型日供冷量如圖5所示。

圖5 能源站典型日供冷量Fig.5 Cooling capacity of the power station on a typical day

能源站內(nèi)燃機(jī)夜間停運(yùn)，白天發(fā)電功率為18 000 kW；能源站夜間用電負(fù)荷為9 064 kW，白天用電負(fù)荷7 430 kW；能源站平∕峰段供數(shù)據(jù)中心電負(fù)荷17 100∕9 670 kW；能源站谷段從電網(wǎng)購(gòu)入電負(fù)荷9 064 kW，峰段不從電網(wǎng)購(gòu)電，由內(nèi)燃機(jī)供應(yīng)，平段從電網(wǎng)購(gòu)電負(fù)荷7 430 kW。

能源站典型日內(nèi)燃機(jī)發(fā)電量、制冷相關(guān)設(shè)備耗電量、下網(wǎng)電量及供數(shù)據(jù)中心電量如圖6所示。

通過分析計(jì)算［15］，得出主要技術(shù)數(shù)據(jù)，能源站內(nèi)燃機(jī)年耗天然氣量2 453 萬m3∕a，年供電量104.71 GW·h，綜合能源利用效率79%，熱電比91.6%，內(nèi)燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)工況主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

5.2.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

（1）邊界條件。能源站財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)需在特定邊界條件下評(píng)估，設(shè)定的邊界數(shù)據(jù)見表3。

（2）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。能源站靜態(tài)投資25 396 萬元，稅后內(nèi)部收益率9.43%，投資回收期9.73 年，經(jīng)濟(jì)上是可行的，能源站主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表4。

圖6 能源站典型日相關(guān)電量Fig.6 Electricity consumption of the power station on a typical day

表2 內(nèi)燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)工況主要技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Main technical indicators of the internal-combustion engine

5.2.3 敏感性分析

為分析能源站抗風(fēng)險(xiǎn)的能力，將總投資、發(fā)電量、天然氣價(jià)格和供電價(jià)格作為敏感性因素，分析結(jié)果如圖7 所示。由敏感性分析可知，稅后內(nèi)部收益率對(duì)天然氣價(jià)格和供電價(jià)格變化十分敏感［16］。

表3 財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)計(jì)算邊界條件Tab.3 Boundary conditions for the financial evaluation

表4 主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Tab.4 Main economic indicators

圖7 敏感性分析Fig.7 Sensibility analysis

6 節(jié)能及環(huán)境效益分析

6.1 節(jié)標(biāo)煤量及節(jié)能率

天然氣分布式能源系統(tǒng)梯級(jí)利用，提高了天然氣能源使用效率，起到節(jié)能減排目的，減少碳排放量。經(jīng)分析計(jì)算，該能源站節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量為12 564 t∕a。CCHP 系統(tǒng)節(jié)能率22.6%，滿足并高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《燃?xì)饫錈犭娐?lián)供工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51131—2016）中節(jié)能率大于15%的要求。

6.2 環(huán)境效益

天然氣分布式能源系統(tǒng)可有效降低碳排放量，使能源站獲得碳排放收益，能源站投運(yùn)后，具有年減排煙塵2.2 t，二氧化硫20.63 t，氮氧化物減排量37.27 t，二氧化碳減排量10 200 t，碳排放及相關(guān)污染物減排效果較明顯，低碳環(huán)保［17-18］，污染物減排情況見表5。

表5 CCHP系統(tǒng)污染物減排一覽表Tab.5 Reduced pollutant list of the CCHP system /（t·a-1)

7 結(jié)論

數(shù)據(jù)中心常年負(fù)荷大且穩(wěn)定，使得其配套的能源站綜合能源利用效率高，接近80%。能源站利用峰谷電價(jià)差提高其經(jīng)濟(jì)效益，投資稅后內(nèi)部收益率9.43%，經(jīng)濟(jì)性可行，具有一定的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。能源站運(yùn)營(yíng)成本主要受天然氣價(jià)格制約，綜合考慮節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)等因素，筆者認(rèn)為在未來天然氣價(jià)格進(jìn)一步下降的情況下，降低運(yùn)行成本后，該方案具有一定的推廣意義。