中國(guó)數(shù)據(jù)中心爆發(fā)式增長(zhǎng),導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心行業(yè)能耗急劇增加,尋求多能源解決方案成為一種內(nèi)在需求。冷電聯(lián)供系統(tǒng)作為一種分布式能源,與數(shù)據(jù)中心的電力、冷源系統(tǒng)有較好的匹配度,將聯(lián)供系統(tǒng)與復(fù)雜的數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)進(jìn)行匹配對(duì)接,并保持長(zhǎng)期運(yùn)行需要精細(xì)的方案和嚴(yán)格的管理能力,本文以國(guó)內(nèi)的一個(gè)實(shí)用案例進(jìn)行匹配性、安全性、運(yùn)行維護(hù)、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行全面剖析評(píng)估,建議聯(lián)供系統(tǒng)可以試點(diǎn)但暫時(shí)不宜推廣。
數(shù)據(jù)中心的能耗情況和能耗特性
數(shù)據(jù)中心是指一個(gè)擁有完善基礎(chǔ)設(shè)施(包括高速互聯(lián)網(wǎng)接入帶寬、高性能局域網(wǎng)絡(luò)、安全可靠的機(jī)房環(huán)境等)、專(zhuān)業(yè)化的管理、完善運(yùn)營(yíng)的服務(wù)平臺(tái)。目前數(shù)據(jù)中心按用途可以分為互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(IDC)和企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中心(DC)兩類(lèi),按規(guī)模可以分為數(shù)據(jù)園區(qū)(2個(gè)以上獨(dú)立機(jī)樓,4000機(jī)架以上)、大型數(shù)據(jù)中心(1000機(jī)架以上)、中型數(shù)據(jù)中心(500～1000機(jī)架)、小型數(shù)據(jù)中心(500機(jī)架以下)四級(jí)。目前行業(yè)中所討論的數(shù)據(jù)中心,一般是指互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心。
從全球范圍來(lái)看,2018年信息和通信技術(shù)的總耗電量大約占全球耗電總量的8%,數(shù)據(jù)中心的能耗約占ICT行業(yè)總能耗的33%,也就是數(shù)據(jù)中心能耗在社會(huì)總電能的占比為2.7%。根據(jù)Andrae的調(diào)查報(bào)告,在全球范圍內(nèi)數(shù)據(jù)中心能耗將從2015年的0.9%上升到2025年的4.5%。2018年美國(guó)的數(shù)據(jù)中心能耗占全國(guó)總電量的3%左右,但由于最近數(shù)據(jù)中心在美國(guó)的發(fā)展放緩,其總能耗水平趨于平緩,見(jiàn)圖1。
中國(guó)在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用上的巨大成果,催生了大量的商用數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和運(yùn)行,在過(guò)去的5年間,世界上接近50%的新建數(shù)據(jù)中心在中國(guó),這也導(dǎo)致了中國(guó)數(shù)據(jù)中心總能耗的急劇上升,2012我國(guó)數(shù)據(jù)中心能耗高達(dá)664.5億kWh,占當(dāng)年全國(guó)工業(yè)用電量的1.3%,2015年我國(guó)數(shù)據(jù)中心能耗超1×10^11kWh,占全國(guó)總用電量的1.5%。由于數(shù)據(jù)中心的高速增長(zhǎng),并且數(shù)據(jù)中心密度功耗不斷增加,預(yù)計(jì)到2020年,我國(guó)數(shù)據(jù)中心總耗電量將超過(guò)2.5×10^11kWh。以目前的發(fā)展趨勢(shì),由于中國(guó)發(fā)電總量增速不大(見(jiàn)圖2),中國(guó)數(shù)據(jù)中心能耗在全國(guó)總電量中的占比,也將逐步上升至2%左右,但與國(guó)際平均水平依舊有差距。能耗總量的大幅增加,使得尋求多能源解決方案成為行業(yè)內(nèi)的一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。
數(shù)據(jù)中心內(nèi)部能耗,是一個(gè)(電→熱)+(電→冷)=0的對(duì)沖過(guò)程。一般冷量需求略大于IT的發(fā)熱量,由于數(shù)據(jù)中心常年趨于穩(wěn)態(tài)的連續(xù)工作,IT的發(fā)熱量基本穩(wěn)定，而冷量需要與IT的產(chǎn)熱量平衡，同時(shí)需要抵消建筑熱和其他設(shè)備或人的熱量，所以數(shù)據(jù)中心的冷量在全年中有小幅的波動(dòng)。以中國(guó)上海的氣候條件為例，設(shè)定IT發(fā)熱量為1，冷負(fù)荷在全年的8760h的冷電比波動(dòng)模擬圖如圖3所示。
從圖3中可以看出,一年中冷負(fù)荷的峰值在7～8月,一般為1.2左右,最低值在1～2月,谷值約為0.8左右,年度波動(dòng)在±20%以?xún)?nèi)。如地域性氣候環(huán)境及建筑保溫情況良好,其波動(dòng)將更小。
三聯(lián)供系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心能耗的耦合性
冷熱電三聯(lián)供CCHP(Combined Cooling,Heatingand Power),是以燃料驅(qū)動(dòng)熱機(jī)(包括內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、微燃機(jī)等),再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能,排出的余熱煙氣通過(guò)回收設(shè)備(直燃冷機(jī)、換熱器、余熱鍋爐等)向用戶進(jìn)行供熱、供冷。這種方式對(duì)化石能源進(jìn)行梯級(jí)利用,有效提高一次能源的效率,見(jiàn)圖4。還可以提供電力并網(wǎng)削峰填谷,具有一定的社會(huì)效應(yīng)。一般內(nèi)燃機(jī)的輸出機(jī)械效率為30%～40%,但實(shí)際應(yīng)用中效率更低,一般柴油發(fā)電機(jī)每kWh發(fā)電量的耗油量在220～240g,以平均值230g計(jì)算,其效率最高也就40%。而三聯(lián)供由于廢熱的梯度利用,能源熱值的利用率可達(dá)80%以上,對(duì)于節(jié)能減排具有先天的優(yōu)勢(shì)。但近期,部分學(xué)者認(rèn)為三聯(lián)供在氣源供給、發(fā)電并網(wǎng)、余熱遠(yuǎn)供、價(jià)格政策等方面的問(wèn)題,并不能充分發(fā)揮三聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。這些確實(shí)也是需要通過(guò)合理的手段進(jìn)行方案優(yōu)化和政府的政策扶植來(lái)加以解決。
三聯(lián)供系統(tǒng)由燃機(jī)推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,余熱供給溴化鋰機(jī)組進(jìn)行制冷,冷電比接近1:1,與數(shù)據(jù)中心的冷電比非常接近。在數(shù)據(jù)中心中應(yīng)用,發(fā)電的電壓等級(jí)為10kV為宜,直接并入數(shù)據(jù)中心的10kV高壓側(cè),冷量輸出以冷凍水方式,可以直接與現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)并網(wǎng),在利用上最為方便。
三聯(lián)供系統(tǒng)原則上有三類(lèi)能源輸出,電、冷為數(shù)據(jù)中心的核心需求,對(duì)余熱部分,一般園區(qū)內(nèi)人員稀少,無(wú)法通過(guò)日常生活區(qū)的需求消耗掉,而余熱的低溫特性,也較難遠(yuǎn)距離輸送,因此這部分能源一般只能就地排放。
數(shù)據(jù)園區(qū)采用聯(lián)供系統(tǒng)的匹配和對(duì)接方式
冷電聯(lián)供系統(tǒng)較為復(fù)雜,設(shè)備類(lèi)型繁多,運(yùn)行中參數(shù)相互依賴(lài)和制約,系統(tǒng)匹配難度大,因此建議使用在規(guī)模比較大的數(shù)據(jù)園區(qū),園區(qū)的基本能源來(lái)源依舊為市電,聯(lián)供系統(tǒng)的規(guī)?？梢怨┙o園區(qū)的N個(gè)樓的其中1～N個(gè)機(jī)樓,規(guī)模選擇性很大。這樣不會(huì)造成系統(tǒng)匹配的難題無(wú)法解決,也會(huì)增加數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的可靠性。一般建議聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電量不小于2MW,規(guī)模過(guò)小的系統(tǒng),建設(shè)流程和運(yùn)行管理都會(huì)遇到巨大難題。
在系統(tǒng)匹配上,聯(lián)供系統(tǒng)輸出的冷、電比例與機(jī)樓的實(shí)際需求不會(huì)完全耦合,尤其是機(jī)樓在年度中的冷電比也是一個(gè)動(dòng)態(tài)值,因此有2個(gè)匹配方法,即電定冷和以冷定電,在居民生活區(qū)中的應(yīng)用系統(tǒng),2種匹配方法都可行,但在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中,由于2個(gè)冷源同時(shí)供冷的方式過(guò)于復(fù)雜,必須選擇唯一冷源供冷,因此數(shù)據(jù)中心中必須采用以冷定電的匹配方法,電量調(diào)節(jié)依靠市電的彈性。
以下以上海某機(jī)樓的聯(lián)供系統(tǒng)對(duì)接為例,電力系統(tǒng)對(duì)接構(gòu)架和冷凍水系統(tǒng)構(gòu)架如圖5所示。
在能源對(duì)接構(gòu)架中,由于電力并網(wǎng)不上網(wǎng),可以通過(guò)逆功率保護(hù)器及發(fā)電機(jī)容量控制,保證電力輸送方向?yàn)闄C(jī)樓,不會(huì)出現(xiàn)市電反擊發(fā)電機(jī)和油機(jī)倒送市電,發(fā)電機(jī)的輸出要小于機(jī)樓電力需求,一般發(fā)電機(jī)發(fā)電量小于機(jī)樓需求量200～400kW,以保證電流流向。在冷凍水對(duì)接構(gòu)架里,聯(lián)供系統(tǒng)的冷凍水不直接與機(jī)樓內(nèi)的水系統(tǒng)直接對(duì)接,以避免聯(lián)供系統(tǒng)漏水故障導(dǎo)致機(jī)樓水系統(tǒng)事故,用板式交換器隔離兩個(gè)系統(tǒng)來(lái)確保安全,板式交換器的溫差控制以≤1℃為宜。這樣的構(gòu)架,最大限度保證機(jī)樓的安全性,又能保證系統(tǒng)容量調(diào)節(jié)的靈活性。
在自動(dòng)控制方面,電力系統(tǒng)各自完成相應(yīng)的信號(hào)采集和保護(hù)控制,電力容量數(shù)據(jù)相互溝通。冷源系統(tǒng),機(jī)樓和聯(lián)供溴化鋰機(jī)組分別自成系統(tǒng)控制,交互信號(hào)以機(jī)樓的末端水溫和壓力信號(hào)為主控，機(jī)樓有權(quán)決策聯(lián)供系統(tǒng)的供水和斷供，溴化鋰機(jī)組完成啟動(dòng)和水溫標(biāo)準(zhǔn)后申請(qǐng)對(duì)接，機(jī)樓BA允許后切入并平滑關(guān)閉電冷機(jī)；當(dāng)機(jī)樓在預(yù)先決策切出或發(fā)現(xiàn)溴化鋰機(jī)組故障信號(hào)或冷量不足后，立即啟動(dòng)電冷機(jī)并切出聯(lián)供供冷。這種切換方式，確保了機(jī)樓的電、冷供應(yīng),電力切換無(wú)感知，冷切換平滑可靠。
某數(shù)據(jù)園區(qū)應(yīng)用案例
1、數(shù)據(jù)園區(qū)基本情況
數(shù)據(jù)園區(qū)占地為67000m2,規(guī)劃5座規(guī)模相仿的數(shù)據(jù)中心機(jī)樓,總規(guī)劃?rùn)C(jī)架數(shù)5000個(gè)?，F(xiàn)園區(qū)內(nèi)3個(gè)機(jī)樓投產(chǎn),單機(jī)架功率6～8kW。園區(qū)有2個(gè)35kV變電站,4路進(jìn)線,單路容量20000kVA配置。每個(gè)機(jī)樓2N的10kV/400V系統(tǒng)雙路互備,每路容量10000kVA,柴油發(fā)電機(jī)5臺(tái)2MW全量后備;冷源2.8MW的6臺(tái)冷機(jī),最大可達(dá)16.8MW冷量供給,三個(gè)制冷系統(tǒng)完全隔離,主用2個(gè)系統(tǒng),備1組。
園區(qū)在規(guī)劃初期未規(guī)劃三聯(lián)供系統(tǒng)，無(wú)論是園區(qū)土建、管線溝等最基礎(chǔ)的設(shè)施，還是機(jī)樓內(nèi)系統(tǒng)的配電、冷源等方式，都按常規(guī)需求設(shè)計(jì)。2015年底1#機(jī)樓已經(jīng)投產(chǎn)后，才開(kāi)始進(jìn)行三聯(lián)供系統(tǒng)的方案論證和建設(shè)工作，2016年12月聯(lián)供正式投產(chǎn)運(yùn)行，是國(guó)內(nèi)到目前為止唯一一個(gè)在數(shù)據(jù)園區(qū)全負(fù)載運(yùn)行的聯(lián)供系統(tǒng)，至今已經(jīng)安全運(yùn)行1000天，見(jiàn)圖6。
2、機(jī)樓電源系統(tǒng)架構(gòu)
1、園區(qū)內(nèi)每個(gè)數(shù)據(jù)中心樓設(shè)計(jì)容量6～8MVA,樓內(nèi)一般設(shè)10kV/400V變壓器8臺(tái),容量為每系統(tǒng)2500kVA。4路市電為甲路,4路市電為乙路,每對(duì)相互保護(hù);
2、柴油發(fā)電機(jī)組為10kV中壓機(jī),5～6臺(tái)并機(jī)輸出,單臺(tái)后備容量為2000kW;
3、400V側(cè)市電甲路與乙路在低壓配電室用聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)操作實(shí)現(xiàn),部分末端設(shè)備甲乙路切換由現(xiàn)場(chǎng)ATS實(shí)現(xiàn)。
3、機(jī)樓冷源系統(tǒng)架構(gòu)
1、數(shù)據(jù)中心樓內(nèi)冷源三個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)呈V字形布局,中間的系統(tǒng)可以對(duì)兩側(cè)的系統(tǒng)進(jìn)行切換保護(hù)。每個(gè)系統(tǒng)的水管路管完全獨(dú)立,各末端空調(diào)可以決策從2個(gè)水系統(tǒng)之一取冷;
2、每組冷源系統(tǒng)為2臺(tái)800～1000冷噸冷水機(jī)組和泵組、冷塔設(shè)備構(gòu)成。
4、三聯(lián)供能源站電源系統(tǒng)架構(gòu)和冷源系統(tǒng)架構(gòu)三聯(lián)供能源站為統(tǒng)一規(guī)劃,分二期建設(shè)。目前建筑和機(jī)位基礎(chǔ)等全部完成,設(shè)備安裝了一半,預(yù)計(jì)2020年擴(kuò)容后可達(dá)100%容量。目前站內(nèi)配置情況:
1、目前三聯(lián)供能源站電源系統(tǒng)架構(gòu):
1、容量為2500kW的2臺(tái)活塞式發(fā)電機(jī)組;
2、運(yùn)行時(shí)一臺(tái)供甲路市電,另一臺(tái)供乙路,能源站內(nèi)2段10kV母線可本地母聯(lián);
3、確保并網(wǎng)不上網(wǎng),10kV輸出與園區(qū)35kV變電站10kV饋線柜進(jìn)行并網(wǎng),并以逆功率保護(hù)器控制市電不倒送。
2、目前三聯(lián)供能源站冷源系統(tǒng)架構(gòu):
1、2臺(tái)溴化鋰吸收式冷水機(jī)組,單機(jī)容量3050kW（其中350kW為補(bǔ)燃容量）;
2、三聯(lián)供系統(tǒng)的冷凍水系統(tǒng)與機(jī)樓冷凍水系統(tǒng)絕對(duì)隔離,采用板換進(jìn)行換熱,板換位置盡量靠近機(jī)樓;
3、2臺(tái)板換熱面積261.9平方米,1次側(cè)7℃/13℃,2次側(cè)9℃/14℃;
4、3臺(tái)(2+1)揚(yáng)程35m一次側(cè)冷凍泵。3臺(tái)(2+1)揚(yáng)程44m二次側(cè)冷凍泵。
5、運(yùn)行模式
數(shù)據(jù)園區(qū)的總電量需求為40000kVA,總冷需求為45000kW以上,三聯(lián)供能源站容量目前的配置是無(wú)法滿足的,未來(lái)擴(kuò)容后也無(wú)法滿足園區(qū)的全部需求,只能局部供應(yīng)。聯(lián)供系統(tǒng)的電力輸送至園區(qū)高壓站統(tǒng)一調(diào)度使用,冷水系統(tǒng)需要布置管道才能與原來(lái)機(jī)樓系統(tǒng)對(duì)接,目前根據(jù)容量至對(duì)接了1#機(jī)樓?？紤]到安全性和經(jīng)濟(jì)性,在電價(jià)的谷值是非常不經(jīng)濟(jì),機(jī)組目前只在電價(jià)的峰值和平值時(shí)開(kāi)啟,系統(tǒng)一般在06:00～22:00運(yùn)行,夜間關(guān)機(jī)。這樣就決定了三聯(lián)供系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心與市電共同使用中,一定是每日雙切換,甚至是四切換,對(duì)如此龐大的能源系統(tǒng)來(lái)說(shuō),難度大,風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高。對(duì)于余熱利用,運(yùn)行近3年以來(lái)因需要增加換熱器和水泵、管路等投資,而園區(qū)內(nèi)實(shí)在無(wú)法消耗數(shù)百kW的熱水,因此余熱利用一直被擱置。目前園區(qū)周邊的一個(gè)工廠需要熱水,商務(wù)和改造方案正在進(jìn)行中。
經(jīng)濟(jì)性和安全性分析
冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)非常復(fù)雜,系統(tǒng)內(nèi)部存在的一些先天特性,決定了其安全性上的一些弱點(diǎn):
1、由于燃料為天然氣,其供氣安全性取決于燃?xì)夤镜墓芫W(wǎng),在園區(qū)大量?jī)?chǔ)存氣體是不現(xiàn)實(shí)的,也是更不安全的。因此連續(xù)供氣并無(wú)絕對(duì)保障;
2、為降低初投資,發(fā)電機(jī)一般采用活塞燃機(jī),與燃料為柴油的機(jī)組不同,該燃機(jī)是有火花塞的,2000h需要更換,因此系統(tǒng)經(jīng)常需要停機(jī)維保;
3、溴化鋰機(jī)組冷量調(diào)節(jié)能力相對(duì)較差,輸出冷量與設(shè)計(jì)時(shí)的冷量偏差比較大;但設(shè)計(jì)放大容量的冷機(jī),輸出冷量過(guò)大后又容易造成水溫過(guò)低保護(hù)停機(jī)。容量調(diào)節(jié)依靠補(bǔ)燃方式又是最不經(jīng)濟(jì)的。其冷量彈性依靠?jī)?chǔ)冷罐也是非常有限的;
4、冷凍水的水溫從啟動(dòng)到滿足水溫對(duì)接的條件,一般需要40～45min,即三聯(lián)供系統(tǒng)無(wú)法成為應(yīng)急的備份冷源,一定要預(yù)先準(zhǔn)備好開(kāi)機(jī)。
三聯(lián)供系統(tǒng)的初期建設(shè)費(fèi)用CAPEX一般為1～2萬(wàn)元/kW。而一般運(yùn)行階段的OPEX,每立方米天然氣的發(fā)電量為3.5～4.0kWh,制冷量為4kWh左右,日常的運(yùn)行數(shù)據(jù)可見(jiàn)表1。天然氣的氣價(jià)一般維持在2.8～3.4RMB/立方米,電價(jià)各地不同,以本案例所在地上海,非居民電價(jià)分為分時(shí)電價(jià)和未分時(shí)電價(jià),見(jiàn)表2、表3。因此經(jīng)濟(jì)性需要分時(shí)進(jìn)行計(jì)算。而冷量的價(jià)格，是以冷量與機(jī)樓的電冷機(jī)效率折算回電價(jià)，離心式冷水機(jī)組的COP達(dá)到4以上是非常容易的，因此這些冷量最多折算1kWh電量。
由此,三聯(lián)供的冷電部分的綜合收益,只比燃料費(fèi)用多20%～30%,在加之維護(hù)人員工資、設(shè)備例行維護(hù)費(fèi)用等,收支平衡已經(jīng)非常不易。有部分地區(qū)政府鼓勵(lì)三聯(lián)供項(xiàng)目進(jìn)行政府補(bǔ)貼,但2000元/kW左右的補(bǔ)貼與初期建設(shè)費(fèi)相比還是杯水車(chē)薪,且領(lǐng)取補(bǔ)貼的一些限制條件,使得項(xiàng)目申請(qǐng)補(bǔ)貼非常困難,本案例由于項(xiàng)目規(guī)劃未完全建成,至今未獲得政府補(bǔ)貼。
結(jié)束語(yǔ)
隨著大型數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)園區(qū)的發(fā)展,利用冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)尋求多能源解決方案是一條路徑,對(duì)促進(jìn)節(jié)能減排也具有重要作用。然而,通過(guò)本文的闡述和分析,我們可以清楚地認(rèn)識(shí)到,在數(shù)據(jù)園區(qū)中應(yīng)用三聯(lián)供系統(tǒng)仍然存在一些技術(shù)問(wèn)題無(wú)法解決。由于天然氣價(jià)格和電價(jià)的問(wèn)題,三聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性受到了政策的極大影響,經(jīng)濟(jì)性很差,成本回收期可達(dá)20年以上;聯(lián)供系統(tǒng)也很難成為數(shù)據(jù)園區(qū)絕對(duì)可靠的電、冷來(lái)源,目前只能作為能源的補(bǔ)充方式之一。因此,聯(lián)供系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用尚處于起步階段,應(yīng)以試點(diǎn)或示范的形式進(jìn)行建設(shè)和運(yùn)行,在實(shí)踐過(guò)程中不斷吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),在安全性與經(jīng)濟(jì)性明顯改善后,再大面積進(jìn)行推廣。
作者簡(jiǎn)介
鐘志鯤:男,上海電信信息網(wǎng)絡(luò)部安全管理處處長(zhǎng),教授級(jí)高級(jí)工程師,專(zhuān)業(yè)從事動(dòng)力工作25年,主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)中心的動(dòng)力、消防等基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃、建設(shè)、維護(hù)及現(xiàn)場(chǎng)安全管理,參與了數(shù)據(jù)中心的數(shù)十項(xiàng)節(jié)能技術(shù)的前期論證、實(shí)施和后期評(píng)估工作,有大量著作和論文。
