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天然氣三聯供系統(tǒng)為數據中心供能的優(yōu)勢分析

文檔作者：陳曉麗1，徐瑁浣2，汪慶桓1，王佼佼1，厲建磊2。張?zhí)? 文檔來源： 1．北京恩耐特分布能源技術有限公司 2．中國石化天然氣分公司		點擊數：	更新時間： 2024年06月16日
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節(jié)能
ENERGY CONSERVATION
2016年第9期
(總第408期)
天然氣三聯供系統(tǒng)為數據中心供能的優(yōu)勢分析
陳曉麗1，徐瑁浣2，汪慶桓1，王佼佼1，厲建磊2。張?zhí)?
(1．北京恩耐特分布能源技術有限公司，北京100035；2．中國石化天然氣分公司，北京100120)
摘要：提出采用天然氣三聯供系統(tǒng)取代傳統(tǒng)方式為數據中心供能，以北京某機房為例，設計典型應用
方案及運行模式，通過比較分析得到：三聯供系統(tǒng)供能可靠性不低于傳統(tǒng)供能方式；每年可節(jié)約標準
煤24．6％，減排c0：38．4％；初始投資明顯增加，但年運行成本降至約75％，整個生命周期能源成本
大大降低。天然氣三聯供系統(tǒng)為數據中心供能可行且優(yōu)勢明顯，建議推廣應用。
關鍵詞：數據中心；天然氣三聯供系統(tǒng)；可靠性；經濟性；節(jié)能減排
中圖分類號：TK0l+8 文獻標識碼：B文章編號：1004—7948(2016)09—0030一05
doi：103969“．issn．1004—7948．2016．09．009
1概述
近年來，隨著我國互聯網、云計算和大數據產
業(yè)的加速發(fā)展，數據中心產業(yè)進入了大規(guī)模規(guī)劃建
設階段。當前，中國已有30多個城市推出云產業(yè)
規(guī)劃，產業(yè)鏈正在逐步完善當中，市場規(guī)模也在不
斷擴大，僅在內蒙古，包括中國電信、中國聯通、中
國移動在內的云計算投入達到200億元。毫無疑
問，數據中心建設將迎來發(fā)展高潮。
數據中心蓬勃發(fā)展的過程中，其傳統(tǒng)供能方式
(一般是以市電為主、柴油發(fā)電機備用)也遇到了
各種問題，主要有：
1)能耗高導致供能難以保障。常規(guī)機柜的額
定負荷在4kw，水冷型機柜可達到8kw，一個機柜
數量在2000以上的數據中心，其能源密度是常規(guī)
辦公大樓的30倍以上；單體數據中心建筑電需求
量往往高達10～40Mw，如果是建筑群或園區(qū)則更
高；因而一般需在附近建設35kV或110kV變電站
及相關設施，這涉及到當地電力供應是否充足、土
地等規(guī)劃是否有路由、供電等部門的各種審批是否
快速等等。當較大的數據中心建在大城市靠近中
心的地帶時，這些問題更加尖銳，可能直接導致數
據中心無法投建或延期若干年¨。。
2)能源效率較低，綠色節(jié)能是數據中心的發(fā)
展趨勢。PUE(Power usage EffectiVeness)是美國
綠色網絡聯盟(The Green Grid)提出的、當前國際
通行的衡量數據中心電力使用效率的指標，PuE=
數據中心總能耗／IT設備總能耗，用于計算總電能
中有多少是真正應用到IT設備上的，PuE越大則
表示制冷和供電等配套基礎設施所消耗的電能越
大。目前全球數據中心平均PuE為2．0，少數發(fā)達
國家可達1．8，甚至更低，而我國大多數都高于
2．0，甚至3．0【2j。我國對于未來數據中心PuE的
典型要求是低于1．5，可見節(jié)能對于未來數據中心
的重要性。
3)能源費用高。據統(tǒng)計，用電成本約占數據
中心整體運行成本的60％以上，降低能源費用對
于數據中心意義重大。同時，后備柴油發(fā)電機占用
面積大，間隔10d左右要啟動一次，以防止久置失
效，而在數據中心的生命周期內，出現市電故障需
要用到柴油機的幾率很低，絕大部分時間這些柴油
機都處于閑置且需不斷維護的狀態(tài)。
采用cCHP為數據中心供能，可很好地解決
以上問題。實際上，目前國內已有先例，北京燃氣
集團投資建設的中石油北京昌平數據中心一期天
然氣分布式供能項目已投產，但由于尚未積累足夠
多、足夠好的運行業(yè)績，業(yè)內對這一供能方式還未
完全認可。
文中以北京某機房為例，設計典型應用方案及
運行模式，并就可靠性、節(jié)能減排效果以及經濟性
這3個方面與傳統(tǒng)供能方式進行比較，論述其可
行，為其應用推廣提供參考借鑒。
萬方數據
2016年第9期
(總第408期)
節(jié)能
ENERGY CONSERVATl0N
2 CCI口在數據中心的應用方案
2．1數據中心的負荷特點及傳統(tǒng)供能方式
數據中心總負荷有以下特點：
1)以電負荷和冷負荷為主，電負荷主要由IT
設備運轉及照明系統(tǒng)等產生(如果采用傳統(tǒng)電制
冷方式，則電負荷還應包括制冷設備運轉所需電負
荷)，冷負荷主要由IT設備散熱的需求產生。采暖
負荷或熱負荷根據實際情況確定，一般很少或不考
慮。
2)IT設備電負荷與冷負荷大約是l：l，一般電
負荷略高于冷負荷。
3)負荷較為穩(wěn)定，典型數據中心全年8760h
不間斷運行，全年冷、電負荷波動較小。
數據中心傳統(tǒng)供能系統(tǒng)一般由市電、備用柴油
發(fā)電機、uPS和配電系統(tǒng)等構成；根據數據中心對
于可靠性的不同要求，適當地配置容錯或冗余設
備。參考《電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范》
(GB50174—2008)，數據機房根據使用性質、管理
要求及其在經濟和社會中的重要性劃分為A、B、C
三級。A級是最高級別，主要指涉及國計民生的機
房，其系統(tǒng)運行中斷將造成重大的經濟損或公共場
所秩序嚴重混亂，因而可靠性要求最高。A級機房
內的場地設施應按容錯系統(tǒng)配置，運行期間，場地
設施不應因操作失誤、設備故障、外電源中斷、維護
和檢修而導致系統(tǒng)運行中斷。不同等級機房的供
電標準如表1所示。
表1不同等級機房的供電標準
項目A級B級C級
市電兩路獨立兩路獨立兩回線路
后備柴油發(fā)電機Ⅳ要，Ⅳjx要余|v 可不設置
(X=l～Ⅳ1
柴油存儲量／h 72
uPs備用時間／min 15
24 一
15 根據實際情況確定
以北京某A級數據機房為例(下文稱“z機
房”)，其電電負荷為10Mw；冷負荷過渡季約
8Mw，夏季約8．3Mw，冬季約7．7Mw；熱負荷忽
略不計。簡單起見，文中的計算和分析均以全年電
負荷10Mw，冷負荷8Mw，熱負荷0為準。
按照傳統(tǒng)A級機房的供能方式，如圖1所示。
z機房由兩路獨立市電供電，后備柴油發(fā)電機選取
Ⅳ+x的形式。一部分電力用于10Mw的IT及照
明等設施運轉；另一部分電力供應電制冷機組，為
數據中心提供制冷。電制冷機組選擇合適的冷凍
水系統(tǒng)，COP全年取平均約3．5，則全年平均電負
荷為10+8／3．5=12．3Mw。
供電
供冷
圖l數據中心傳統(tǒng)供能方式示意圖
2．2 CC腫應用于數據中心的典型方案
CCHP是指利用天然氣為燃料，通過冷熱電三
聯供等方式實現能源的梯級利用，綜合能源利用效
率在70％以上，并在負荷中心就近實現能源供應
的現代能源供應方式，是天然氣高效利用的重要方
式。與熱電分供相比，cc唧具有能效高、清潔環(huán)
保、安全性高、經濟效益好等優(yōu)點，近幾年在我國呈
現出蓬勃發(fā)展的趨勢。
ccHP典型應用技術是發(fā)電機+余熱利用設
備，發(fā)電機主要是燃氣輪機或燃氣內燃機，余熱利
用設備主要是余熱鍋爐或余熱溴化鋰機組。內燃
機與簡單循環(huán)燃氣輪機的典型參數比較如表2所
示。由此可見，內燃機在發(fā)電效率、綜合效率、燃氣
供應壓力等方面都普遍優(yōu)于燃氣輪機，且內燃機較
燃氣輪機具有啟停更方便、與溴冷機配合可方便地
提供所需冷量、大修間隔更長等優(yōu)點，因此，CCHP
應用于數據中心時的典型技術是燃氣內燃機+余
熱溴冷機。
表2 內燃機與燃氣輪機典型參數比較
應用于數據中心的“內燃機+煙氣熱水補燃
型溴化鋰機組”典型工藝如圖2所示。天然氣在
內燃機中燃燒，余熱以煙氣和缸套水的形式進入溴
化鋰機組制冷，如制冷量不夠，也可通過補燃天然
萬方數據
節(jié)能
ENERGY CONSERVATl0N
2016年第9期
(總第408期)
cCHP供能系統(tǒng)
圖2典型內燃機+溴冷機工藝示意圖
氣提供熱量去制冷。當ccHP故障時，采用市電
為電制冷機組供電制冷。如采用的氣源是LNG，
可考慮利用LNG在氣化過程中的冷能。通常還設
置蓄冷機組，在溴冷機制冷量高于數據中心負荷、
或者電制冷機組低谷電運行有余量時，可將多余冷
量通過蓄冷裝置暫時儲存起來，在緊急情況或經濟
性更優(yōu)時臨時供冷。
z機房在配置CC腫系統(tǒng)時，廠用電按10％
計，則有11Mw電負荷，8Mw冷負荷。按照JⅣ+1
冗余配置ccHP系統(tǒng)，可進行如下配置。
5臺(4用1備)功率2．8～3Mw的燃氣內燃
機帶全部用電負荷，總發(fā)電容量14Mw；5臺(4用
1備)煙氣熱水補燃型溴化鋰冷水機組，每臺內燃
機對接1臺溴化鋰機組，每臺溴化鋰機組對應的制
冷量約2．3Mw，總制冷容量11．5Mw(略大于冷
負荷需求，余冷可通過蓄冷設備暫存)；有條件的
情況下，盡量采取雙路氣源；對應的水泵、冷卻塔等
也應按照JV+1冗余配置；uPs系統(tǒng)、電制冷機組
等可以按傳統(tǒng)供能方式設計為主；cc腫系統(tǒng)采取
并網不上網的方式運行。
與傳統(tǒng)供能方式不同，cCHP系統(tǒng)作為主要供
能系統(tǒng)，而兩路市電則是作為備用，在ccHP系統(tǒng)
檢修、故障、或市電價格低時采用。具體運行模式
需根據項目當地氣電價格等來確定，一般是在每天
的電力低谷段利用市電供能更經濟，其他時段利用
cCHP供能更加經濟。對應Z機房典型運行模式
是：在每天的電力尖峰、高峰以及平段，由CCHP
系統(tǒng)供能；在每天的電力谷段，由市電供能。出現
機器或市電故障等緊急情況時，則動用冗余設備、
采取相應的應急運行方式。
3 CCHP應用于數據中心的可靠性分析
可靠性的定量計算需要大量的數據支撐：一種
是根據整個系統(tǒng)的特性，以及設備／元件的可靠性
數據進行理論計算；另一種是積累足夠多、足夠長
期的實際系統(tǒng)運行數據，計算其真實的可靠性。這
兩種方法目前都缺乏足夠的數據，以下僅從緊急情
況的應對措施以及與傳統(tǒng)供能方式的比較來進行
說明。
CcHP技術成熟，通過合理的方案設計，完全
可實現不遜于傳統(tǒng)供能方式的供能可靠性：吸收式
制冷與電制冷、蓄冷設備互為備用，可以更可靠、更
靈活地滿足用戶的冷負荷需求；內燃機及溴冷機設
備成熟，運行可靠性高、檢修時間短；ccHP為數據
中心供能，使得數據中心擺脫了對市電的強烈依賴
性，不用擔心在用電尖峰時段供能不能保障的情況
發(fā)生。
具體到z機房，方案設計之初就考慮了各種
可能的緊急情況，通過冗余設計及靈活的運行方式
來應對：正常情況下4臺內燃機運行，1臺內燃機
作為冷備用；當1臺內燃杌／溴冷機出現故障時，啟
動備用機組；當2臺或2臺以上內燃機／溴冷機故
障時，由市電補充電力供應，由直燃機補燃提供冷
負荷；當全部內燃彬溴冷機都故障或燃氣供應出
現問題時，由市電供電，電制冷機供冷；設備檢修優(yōu)
先安排在夜間低谷電停機、或作為備用的時段，盡
量不影響正常運行。
經過比較發(fā)現：CCHP與傳統(tǒng)供能方式在冗余
設計的大多方面至少可做到相當，唯一有差別的地
方在于，柴備設計72h的燃料備用，而ccHP難以
做到燃料的存儲。cCHP系統(tǒng)對此的考慮是：如果
氣源是城市管道氣，盡量做到雙氣路供氣；如果氣
源是LNG，則LNG氣化站設計時至少有3d的燃
料存儲。如果既不是LNG也不是雙路氣源，則只
有當天然氣供應和兩路獨立市電均故障，且15Illin
內(uPS供能時長)尚無后繼電源的情況下，才會
造成數據機房停機，這種情況非常罕見?？梢哉J為
ccHP與傳統(tǒng)供能方式的可靠性至少相當。
4 CCIIP應用于數據中心的節(jié)能減排分析
4．1節(jié)能減排
CCHP系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能減排效果。CCHP
萬方數據
2016年第9期節(jié)能
(總第408期) ENERGY coNsERVAl'IoN 一33一
綜合能效可達70％以上，一次能源綜合利用效率
相對熱電分供高出30％以上；同時，天然氣是低碳
清潔能源，相對于煤電，CO：及其他污染氣體的減
排效果顯著。
以z機房為例，采用傳統(tǒng)供能方式與CC邯
供能方式的能耗及排放數據如表3所示。其中，采
用CcHP供能時，低谷電時用市電，不考慮各種小
概率緊急事件的發(fā)生。采用ccHP供能時，z機房
每年天然氣耗量約是0．15億m3，每年節(jié)約標準煤
約1．07萬t，占傳統(tǒng)方式的24．6％；每年減排cO：
約4．17萬t，占傳統(tǒng)方式的38．4％。可見，采用
cc唧供能，通過余熱利用的方式制冷，確實起到
了明顯的節(jié)能減排效果。
表3 2種供能方式的能耗及排放估算數據
項目傳統(tǒng)方式
Ca口方式(低谷電時用市電)
0cHP部分市電部分總計
4．2 PUE
PUE是當前國際上通用的衡量數據中心能耗
的重要指標。典型數據中心的能耗中，IT設備系
統(tǒng)能耗約占總能耗的50％，空調系統(tǒng)能耗約占總
能耗的37％。所以，數據中心的節(jié)能降耗，重點是
降低IT設備和空調系統(tǒng)的能耗。
空調系統(tǒng)方面，傳統(tǒng)的空調系統(tǒng)是風冷／水冷
直接膨脹式機房空調或者冷凍水型機房空調，后者
常用于大中型數據機房。常規(guī)的降低PUE的方法
是改進已有系統(tǒng)，比如優(yōu)化機房氣流組織、合理規(guī)
劃IT設備布局、消除局部熱點、充分利用自然冷源
等¨。41。近年來，還有不少通過采用可再生能源
(如太陽能、風能、水能等)的數據中心，盡管業(yè)內
對于這種方式是否影響PUE的計算看法不
一”曲J，但相關的數據中心均對外宣稱是綠色節(jié)能
的低PUE數據中心，如：臉譜(Facebook)在美國俄
勒岡州建在沙漠的某數據中心，通過巨量蒸發(fā)問，
讓沙漠的干燥水分帶走熱量，PuE值可達1．05—
1．10；谷歌(Google)位于芬蘭的某數據中心采用
了海水降溫法等措施，PuE值一般都低于1．2；還
有亞馬遜(Amazon)、推特(Twiner)、雅虎(Yahoo)
等的數據中心，由于充分利用可再生能源和自然條
件，PuE值都遠低于1．5【4 J。
支持者的態(tài)度認為：不管數據中心是如何利用
這種非電能源的，只要這種能源的利用對節(jié)能減排
有利并且確實降低了數據中心基礎設施的用電量，
那么就對降低PuE值有貢獻，這與充分利用天然
冷源給IT設備降溫以實現節(jié)能減排是一回事”o。
對于Cc耶來說，其對PuE的影響簡單來說
也可這么認為，與傳統(tǒng)供能方式相比，余熱的充分
利用減少了對電力的需求，從而降低了PuE。具
體來說，若按傳統(tǒng)僅計算耗電量的方式計算PuE，
常規(guī)數據中心的PuE約為(50+37+13)／50=2
(取文中典型能耗占比)。對于CCHP供能的系
統(tǒng)，由ccHP供能時：數據中心的耗電量主要是IT
設備耗電量，其次是uPs及常規(guī)照明等，還有部分
廠用電等。若忽略廠用電，則PUE=(50+13)／
50=1．26；若廠用電取10％，則PuE=(50+13+
10)／50=1．46，均遠小于2且低于1．5。配合降低
冷負荷的常規(guī)方法，由CCHP供能的系統(tǒng)有望將
數據中心的全年平均PUE降低至1．5以下，從而
滿足綠色中心的能耗要求。
5 CCI坤應用于數據中心的經濟性分析
采用CcHP為機房供能，將傳統(tǒng)柴備由CCHP
系統(tǒng)替換，系統(tǒng)初投資會明顯增加；但在運行過程
中，市電價格較高時采用cc腫系統(tǒng)供能，市電價
格較低時采用市電供能，供能方式更加靈活，年供
能成本一般會降低。
以z機房為例，對2種供能方式的經濟性進
行比較分析。北京市目前大工業(yè)用電35kV電度
電價(依據京發(fā)改[2012]83l號，京發(fā)改[2016]6
號)如表4所示。采用傳統(tǒng)供能方式時，數據中心
年電費為7348萬元(由于2種供能方式均需向大
電網繳納同樣的容量電費，故在進行經濟性分析時
不考慮容量電費)。
2種供能方式的經濟性估算數據如表5所示。
北京當前天然氣價格為發(fā)電用氣2．51形m3，供
萬方數據
節(jié)能2016年第9期
一34一ENERGY coNsERVATIoN (總第408期)
暖制冷用氣城六區(qū)外區(qū)域2．36形m3，表5中天
然氣價格考慮這2種情況。運行模式為簡單起見，
大電網低谷電時采用市電，其他時段采用ccHP。
表4 z機房采用傳統(tǒng)供能方式的年電費(不含容量電費)
注：尖峰、高峰、平段、低谷的時問界定參照北京相關規(guī)定。
表5 2種供能方式的經濟性估算數據
項日傳統(tǒng)旅。低羆篇電，
由表5可知，對于傳統(tǒng)發(fā)電方式，柴油發(fā)電機
由于國產化程度較高，因而單價較低，初始投資大
約是730萬元。ccHP的初始投資(不包含電制冷
等與傳統(tǒng)供能方式相同的設備投資)則明顯較柴
油發(fā)電機高，約為其10倍。增量投資高達6120萬
元。
但是，采用ccHP系統(tǒng)供能后，年能源成本大
大降低，天然氣價格分別取2．36形m3和2．51
元／m3時，年能源成本分別是5414萬元和5639萬
元，相對于傳統(tǒng)方式的7398萬元，分別降低了
1984元(27％)和1759元(24％)。因此，采用
ccHP系統(tǒng)帶來的初始增量投資，在運行3—4a后
就可因年運行成本低而收回。
可見，在天然氣價格較低的現在以及有望繼續(xù)
降低的未來，采用cCHP的方式為數據中心供能
的經濟性將大大優(yōu)于傳統(tǒng)供能方式。
6結語
文中提出采用天然氣三聯供系統(tǒng)取代傳統(tǒng)方
式為數據中心供能，以北京某A級機房(電負荷
10Mw、冷負荷8Mw、熱負荷0)為例，設計了典型
應用方案及運行模式。通過與傳統(tǒng)供能方式相比
較，ccHP為該數據中心供能有以下優(yōu)勢：
1)通過冗余設計及靈活的運行方式，ccHP系
統(tǒng)擁有不低于傳統(tǒng)供能方式的可靠性。
2)節(jié)能減排效果顯著，PuE可降低至1．5以
下，每年可節(jié)約標煤約1．07萬t(24．6％)，減排
CO，約4．17萬t(38．4％)。
3)經濟性更好。CCHP初始增量投資高達
6120萬元，但每年能節(jié)省能源費用5414萬元(天
然氣價格取2．36形m3)和5639萬元(天然氣價
格取2．51形m3)，CCHP運行3～4a時節(jié)約的能
源成本即可抵消帶來的增量投資。
4)可實現就近供能，從而緩解大城市電力供
應緊張、變電站路由有限的局面。
綜合以上優(yōu)勢分析，建議在市電緊張、氣電價
格合適(電價高、氣價低)的地區(qū)推廣應用ccHP
為數據中心供能。
參考文獻
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2012，(8)：54—58．
[6]姜曉君，辛賢亮，程序，等．數據中心建設中的PuE指標
探討[J]．郵電設計技術，2013，(11)：88—92．
作者簡介：陳曉麗(1986一)，女，湖南常德人，碩士，工程
師，從事天然氣分布式能源市場咨詢及技術研發(fā)工作。
收稿日期：2016—05—18

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