區(qū)域能源與I DC綜合節(jié)能設(shè)計分析

馬則權(quán)

（南京廣鑫能源服務(wù)有限公司，南京 211800）

1 項目概況

本能源站項目位于南京江北新區(qū)，建筑面積37 408.9 m2，地下2 層，地上10 層；地下2 層布置能源站設(shè)備及數(shù)據(jù)中心（IDC）冷凍機房，屋頂布置冷卻塔、熱源塔。能源站滿足周邊2.2×104m2建筑供熱（供冷）需求。地上建筑面積為22 000 m2，全部為數(shù)據(jù)中心，機樓裝機容量約為3 087 個機架，數(shù)據(jù)中心建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)參考GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》A 級機房及T3 標(biāo)準(zhǔn)進行規(guī)劃設(shè)計。

2 能耗分析

2.1 區(qū)域能源負(fù)荷計算

基于單體建筑運用DeST 模擬軟件進行負(fù)荷模擬，根據(jù)南京地區(qū)氣象參數(shù)，結(jié)合園區(qū)主流建筑特征進行建模，可得到不同建筑業(yè)態(tài)的負(fù)荷指標(biāo)。研創(chuàng)園區(qū)域主要接入類型為辦公、商業(yè)、住宅，再根據(jù)模擬結(jié)果分類統(tǒng)計整個供能區(qū)域總能耗，按相關(guān)設(shè)計規(guī)范以及參考以往區(qū)域能源系統(tǒng)的設(shè)計和運行經(jīng)驗，考慮地塊內(nèi)各單體供能同時使用系數(shù)為0.75，統(tǒng)計可得本項目冬季設(shè)計總熱負(fù)荷為82 MW，夏季設(shè)計總冷負(fù)荷為165 MW。

2.2 數(shù)據(jù)中心負(fù)荷計算

數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷負(fù)荷根據(jù)數(shù)據(jù)中心機房工藝設(shè)計參數(shù)計算如下：建筑冷負(fù)荷約為1 345 kW，IT 設(shè)備冷負(fù)荷約為16 102 kW，電力動力設(shè)備冷負(fù)荷約為1 964 kW，考慮部分富裕系數(shù)，總冷負(fù)荷約為21 352 kW。

3 區(qū)域能源可利用能源形式

1）能源站雖然距長江水域較近，但在該區(qū)域內(nèi)的長江流域沿岸為綠水灣生態(tài)保護區(qū)，且南京長江江豚自然保護區(qū)亦在該區(qū)域范圍內(nèi)，屬于國家一級管控區(qū)，故本項目不采用江水源作為冷熱源的方案；

2）能源站靠近一處污水廠，日污水處理量可達9×104m3，遠期規(guī)劃最多日污水量為3.0×105m3，因此，優(yōu)先采用污水源熱泵系統(tǒng)，可以分別滿足用戶的供冷、供熱需求[1]。

3）其中，本項目采用3 座8 000 m3的水罐蓄能調(diào)峰，水蓄能系統(tǒng)可與原空調(diào)系統(tǒng)“無縫”連接，運行安全可靠；其中，1 座蓄冷罐可以考慮兼作容災(zāi)備份冷源使用。

4）本項目利用了高效的熱泵機組與溶液塔結(jié)合，在冬季進行制熱。

5）夏季運行機組補充設(shè)置了高壓離心機組。

6）針對數(shù)據(jù)中心常年需求冷負(fù)荷，通過水源熱泵和蓄水罐將熱量回收互為利用、調(diào)節(jié)。起到了區(qū)域能源站制熱，免費為數(shù)據(jù)中心供冷的作用[2]。

4 數(shù)據(jù)中心能源形式

1）數(shù)據(jù)中心主機采用3+1 備份，機組制冷功率為7.2 MW，雙回路供回水。

2）由于本項目冬季采用水源熱泵加水罐耦合進行熱回收，因此冬季只有2 臺主機配置了免費制冷板換，其他2 臺主機預(yù)留接口。

5 區(qū)域能源站與數(shù)據(jù)中心機房耦合策略

1）區(qū)域能源站和數(shù)據(jù)中心耦合建設(shè)不僅是形式上的創(chuàng)新，也是技術(shù)上的創(chuàng)新；首先，土地可以集約規(guī)劃事宜，地下建設(shè)能源站，地上建設(shè)數(shù)據(jù)中心，節(jié)約了土地資源。

2）數(shù)據(jù)中心冬季使用民用水源熱泵熱回收模式提供的免費冷源，可以降低數(shù)據(jù)中心PUE（數(shù)據(jù)中心總能耗與工廠設(shè)備能耗的比值）以及能耗費用，熱回收對民用系統(tǒng)是1 個可靠的熱源，3 臺水源熱泵冬季通過水罐提取熱量；取水溫度16℃，回水溫度10℃；數(shù)據(jù)中心通過放冷板換進行供冷：取水溫度10℃，回水溫度16℃；兩側(cè)能量的不平衡可以通過8 000 m3的水罐進行耦合調(diào)節(jié)；可以確保熱回收的利用率最大化。系統(tǒng)耦合流程見圖1。

圖1 耦合系統(tǒng)流程圖

3）區(qū)域能源系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)耦合還可以為數(shù)據(jù)中心增加安全保障，大量的冷凍水可以提供更多的冗余時間，也可以在過渡季節(jié)進行蓄冷供冷，降低運行成本[3]。

6 運行策略及經(jīng)濟效益分析

6.1 運行策略

夏季工況：數(shù)據(jù)中心采用自有設(shè)備和系統(tǒng)，獨立運行制冷機組進行供冷，在蓄水罐設(shè)置下線水位用來保障數(shù)據(jù)中心應(yīng)急容災(zāi)；區(qū)域能源站根據(jù)負(fù)荷大小按優(yōu)先設(shè)置等級開啟污水源熱泵、蓄水罐、高壓離心機組、水源熱泵（冷卻塔模式）、熱源塔熱泵，根據(jù)接入負(fù)荷情況的變化可以調(diào)整蓄水罐供能功率來達到最佳的運行策略。

冬季工況：數(shù)據(jù)中心主要采用水罐免費供冷模式，同時開啟1 臺免費制冷板換聯(lián)供，聯(lián)供的主要目的就是避免冷卻水水溫過低結(jié)冰；區(qū)域能源站根據(jù)負(fù)荷大小按優(yōu)先設(shè)置等級開啟水源熱泵（熱回收模式）、污水源熱泵、蓄水罐、熱源塔熱泵，根據(jù)接入負(fù)荷情況的變化可以調(diào)整蓄水罐供能功率來達到最佳的運行費用。

過渡季節(jié)：數(shù)據(jù)中心主要通過冷卻塔預(yù)冷+ 高壓離心機組常規(guī)制冷方式，通過3 座水罐在夜間蓄冷、白天釋放的模式進行運行，可以大幅降低數(shù)據(jù)中心的運行成本。

6.2 經(jīng)濟效益

冬季按民用能源站免費為數(shù)據(jù)中心提供冷量，可以減少原來冷卻塔免費制冷時的電費約5 849 479 元。

過渡季節(jié)按夜間蓄能694 000 kW·h，機組運行8 h 蓄能4 500×8=36 000 kW·h，運行156 d 可節(jié)省約6 620 796 元。

區(qū)域能源與IDC 耦合系統(tǒng)全年可節(jié)省約1 247 萬元。

7 耦合系統(tǒng)的特點

1）數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)耗能較大，負(fù)荷穩(wěn)定，且全年使用，是能源站最優(yōu)質(zhì)客戶，保證能源站項目基礎(chǔ)收益。

2）能源站服務(wù)于寫字樓區(qū)的空調(diào)機組，往往夜間閑置，通過蓄能方案既降低數(shù)據(jù)中心能源成本，也大大提高了機組利用率和能源站的經(jīng)濟性。

3）耦合系統(tǒng)的設(shè)計、施工、運行的能源站系統(tǒng)可以大大降低數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)PUE 值。冬季數(shù)據(jù)中心的余熱可以得到充分的利用，提高了區(qū)域能站熱源的品質(zhì)。

4）耦合系統(tǒng)可以大大降低項目的運行費用，創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益。

5）耦合系統(tǒng)專業(yè)團隊運維空調(diào)系統(tǒng)，降低了數(shù)據(jù)中心運維團隊費用，且增加了運維的安全性和穩(wěn)定性[3]。

8 結(jié)語

本項目根據(jù)自身特點和實際負(fù)荷需求，最大程度利用可再生能源、選用水蓄冷蓄熱技術(shù)，對電能進行削峰填谷，有利于緩解用電高峰期的電力壓力。同時，在冬季利用熱泵以及水罐耦合原本2 個獨立的系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)中心的“廢熱”利用到民用采用系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)的能源利用效率，也創(chuàng)造了更好的經(jīng)濟效益。

通過以上分析，耦合系統(tǒng)方案是在綜合能源利用系統(tǒng)方案基礎(chǔ)上的創(chuàng)新和提升。本文從幾方面對區(qū)域能源站和數(shù)據(jù)中心耦合系統(tǒng)進行了研究分析，通過各項節(jié)能措施和運行策略，使區(qū)域能源站和數(shù)據(jù)中心達到節(jié)能減排和低碳環(huán)保的效果，后期將達成可持續(xù)綠色運營的目的。