基于某數(shù)據(jù)中心供冷模式對比分析

林玲　劉葉容　朱寧

摘? 要：該文介紹了基于數(shù)據(jù)中心的三種供冷模式，并以具體項(xiàng)目為例，對數(shù)據(jù)中心的不同供冷模式進(jìn)行比較、分析，評價(jià)結(jié)果顯示：不同的供冷方案具有不同的適應(yīng)性，純電制冷方案經(jīng)濟(jì)性最好，但能耗最高、環(huán)境效益最差;天然氣分布式供冷方案經(jīng)濟(jì)性最差，但能耗最低、節(jié)能減排效果最佳;背壓機(jī)組方案能夠兼顧節(jié)能減排和經(jīng)濟(jì)性，在數(shù)據(jù)中心周邊有穩(wěn)定可靠的廉價(jià)汽源時(shí)推薦優(yōu)先采用，該方案具有一定的推廣意義。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心? 供冷? 分布式? 節(jié)能減排

中圖分類號：TU831 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）09（b）-0208-03

數(shù)據(jù)中心既是技術(shù)密集型項(xiàng)目，又是能源密集型項(xiàng)目，數(shù)據(jù)中心不僅電負(fù)荷、冷負(fù)荷需求大，而且具有負(fù)荷穩(wěn)定，波動(dòng)范圍值小的特點(diǎn)。根據(jù)調(diào)研[1]，數(shù)據(jù)中心二氧化碳的排放量約占世界二氧化碳總排放量的0.6%，由此可見，數(shù)據(jù)中心是能耗大戶。

隨著大數(shù)據(jù)和云計(jì)算應(yīng)用的快速發(fā)展，大規(guī)模、高等級數(shù)據(jù)中心的建設(shè)需求日益增長，然而由于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心高耗能的缺點(diǎn)，項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的落地已十分困難。因此，利用能源政策、項(xiàng)目周邊有利條件及先進(jìn)節(jié)能技術(shù)來降低制冷成本，同時(shí)完成節(jié)能減排是非常迫切。受項(xiàng)目條件的差異影響，各技術(shù)的適用性和經(jīng)濟(jì)性也各不相同，該文將以湖州某數(shù)據(jù)中心為例，從經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能減排兩方面出發(fā)，探討數(shù)據(jù)中心采用不同供冷模式的可行性。

1? 某數(shù)據(jù)中心簡介

1.1 數(shù)據(jù)中心基本情況

湖州某數(shù)據(jù)中心，坐落于某產(chǎn)業(yè)園區(qū)，計(jì)劃建設(shè)四中心：主數(shù)據(jù)中心、研發(fā)數(shù)據(jù)中心、新能源數(shù)據(jù)中心和容災(zāi)數(shù)據(jù)中心。計(jì)劃規(guī)模2028個(gè)機(jī)柜，占地約52畝，建筑面積約2萬m2，計(jì)劃建2棟模塊化數(shù)據(jù)中心+1棟辦公樓，機(jī)房IT服務(wù)器等數(shù)據(jù)設(shè)備負(fù)荷額定總功耗約13446kW，年滿負(fù)載耗電約11500萬度。該數(shù)據(jù)中心依據(jù)GB50174-A級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，兼容美國TIA-942-Tier3+標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)中心附近電廠蒸汽源（距離數(shù)據(jù)中心約2km），可提供1.6MPa，300℃的過熱蒸汽，最大供汽流量可達(dá)到85t/h。

1.2 負(fù)荷需求

該項(xiàng)目的供冷范圍為數(shù)據(jù)中心機(jī)房，機(jī)房除了設(shè)備用房、水泵房、風(fēng)機(jī)房、樓梯間、前室、合用前室、內(nèi)走道等，其他房間全部進(jìn)行空調(diào)設(shè)計(jì)，不含括該數(shù)據(jù)中心的配套辦公用房。冷負(fù)荷需求如表1所示。

2? 供冷方案設(shè)計(jì)

2.1 主要邊界條件

（1）能源站空調(diào)冷凍水系統(tǒng)采用二級泵系統(tǒng)，一級泵冷凍水系統(tǒng)母管為環(huán)路管網(wǎng)系統(tǒng)，二級泵冷凍水系統(tǒng)為雙管路系統(tǒng)，按2N冗余設(shè)計(jì)，冷凍水供回水溫度分別為15/21℃。

（2）不同供冷方案的能源站建設(shè)廠址均位于數(shù)據(jù)中心附近，能源站的循環(huán)水管負(fù)責(zé)接至數(shù)據(jù)中心圍墻外1m，數(shù)據(jù)中心圍墻以外的所有設(shè)備、管道等投資均歸于能源站。

（3）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，能源站的年利用小時(shí)數(shù)按6000h計(jì)。

2.2 供冷方案設(shè)計(jì)

2.2.1 方案一（然氣分布式方案）

本方案在園區(qū)新建一座天然氣分布式能源站，為數(shù)據(jù)中心供冷和電。根據(jù)以冷定電的原則，建設(shè)規(guī)模為5×4.3兆瓦內(nèi)燃機(jī)組（4用1備）+一套5×4650kV煙氣-熱水型溴化鋰機(jī)組（4用1備）+一套4×4571kV電制冷冷水機(jī)組，總占地約20畝。天然氣采用LNG供應(yīng)方式，配套新建LNG氣化站，天然氣儲罐的規(guī)模為4×150立方，并設(shè)2500立方空溫式汽化器4臺，2用2備，定時(shí)切換。

運(yùn)行方式：用電高峰時(shí)開溴化鋰機(jī)組，運(yùn)行利用小時(shí)數(shù)為3500h/年;谷時(shí)開電制冷機(jī)組，運(yùn)行利用小時(shí)數(shù)為2500h/年。

2.2.2 方案二（背壓機(jī)組方案）

該方案在園區(qū)新建背壓機(jī)組和制冷站，利用電廠出口蒸汽（壓力1.6MPa，溫度300℃）經(jīng)過背壓機(jī)組發(fā)電后，壓力降為0.4MPa，溫度150℃，余熱利用后的蒸汽送入制冷站制冷，冷負(fù)荷供數(shù)據(jù)中心，背壓機(jī)發(fā)電以供能源站自用電，多余的電上網(wǎng)。建設(shè)規(guī)模為1×1.0MW蒸汽背壓汽輪機(jī)組+一套5×4650kV蒸汽型溴化鋰機(jī)組（4用1備）+一套4×4571kV電制冷冷水機(jī)組。背壓機(jī)組和制冷站占地總占地約4.5畝。同時(shí)新建蒸汽管道（DN300）3.5km至能源站。

運(yùn)行方式：用電高峰時(shí)開溴化鋰機(jī)組，運(yùn)行利用小時(shí)數(shù)為3500h/年;谷時(shí)開電制冷機(jī)組，運(yùn)行利用小時(shí)數(shù)為2500h/年。

2.2.3 方案三（純電制冷方案）

該方案在園區(qū)新建一座純電制冷站，為數(shù)據(jù)中心供冷。建設(shè)規(guī)模為兩套4×4571kW電制冷冷水機(jī)組，總占地約3畝。運(yùn)行方式：全時(shí)段開電制冷機(jī)組，運(yùn)行利用小時(shí)數(shù)為6000h/年。

3? 方案對比

3.1 經(jīng)濟(jì)性對比分析

根據(jù)表2分析可知，天然氣分布式方案：投資最高，收益率最低;背壓機(jī)組方案：投資中等，收益率居中;純電制冷方案：投資最低，收益率最高。

對于天然氣分布式方案，燃?xì)鈨r(jià)格、供電價(jià)格、供冷價(jià)格是影響供冷方案經(jīng)濟(jì)性的最主要因素，在天然氣價(jià)格在2.7元/標(biāo)方情況下，供冷價(jià)格需要達(dá)到0.45元/kW·h左右，方可滿足基準(zhǔn)利率8%的要求。

對于背壓機(jī)組方案，蒸汽價(jià)格和供冷價(jià)格是影響供冷方案經(jīng)濟(jì)性的最主要因素，在目前蒸汽價(jià)格在120元/t情況下，供冷價(jià)格為0.36元/kW·h左右，已能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過基準(zhǔn)利率8%的要求，由此可見，在項(xiàng)目周邊有可提供穩(wěn)定可靠的廉價(jià)汽源前提下，可優(yōu)先采用該方案對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行供冷。

對于純電制冷方案，電價(jià)價(jià)格和供冷價(jià)格是影響供冷方案經(jīng)濟(jì)性的最主要因素，純電制冷方案的供冷成本最低，在目前一般工業(yè)電價(jià)0.6736元/度，效益良好，單從經(jīng)濟(jì)性方面看，較其他兩個(gè)方案具有明顯的優(yōu)勢。

3.2 節(jié)能及環(huán)境效益對比分析

將耗電量、耗氣量均折算成標(biāo)準(zhǔn)煤耗量，耗電量與標(biāo)準(zhǔn)煤耗量的折算系數(shù)取0.326kg/kW·h，天然氣與標(biāo)準(zhǔn)煤耗量的折算系數(shù)取1.2303kg/標(biāo)方，蒸汽（壓力1.6MPa，溫度300℃）與標(biāo)準(zhǔn)煤耗量的折算系數(shù)取0.11kg/kg。按每千克標(biāo)煤排放SO2量按2.53kg計(jì)，排放SO2量按0.018kg計(jì)，排放NOx量按0.0058kg計(jì)，排放煙塵量按0.0038kg計(jì)。不同供冷方案的能耗以及污染物排放量見表3。

根據(jù)表3分析可知，采用天然氣分布式方案能耗最低、污染物排放量最少、環(huán)境效益最高;背壓機(jī)組方案的能耗、污染物排放量略高于分布式方案;純電方案的能耗最高、污染物排放量最多、環(huán)境效益最差。

4? 結(jié)論

（1）不同供冷方案具有不同的適應(yīng)性，需綜合考慮蒸汽價(jià)格、燃?xì)鈨r(jià)格、供冷價(jià)格、供電價(jià)格、耗電價(jià)格、節(jié)能減排等項(xiàng)目相關(guān)因素，對比分析確定最佳供冷模式。

（2）天然氣分布式方案：投資最高、收益率最低、節(jié)能減排效果最佳;背壓機(jī)組方案：投資中等、收益率較高、節(jié)能減排效果較佳;純電制冷方案：投資最低，收益率最高、能耗最高、環(huán)境污染最嚴(yán)重。因此，兼顧節(jié)能減排和經(jīng)濟(jì)性情況下，在項(xiàng)目周邊有可提供穩(wěn)定可靠的廉價(jià)汽源前提下推薦優(yōu)先采用背壓機(jī)機(jī)組方案。

（3）天然氣分布式供冷方案盡管在目前燃?xì)鈨r(jià)格下經(jīng)濟(jì)性不突出，但其綜合能源利用效率較高、節(jié)能減排效果顯著，在未來天然氣價(jià)格繼續(xù)下探情況下，降低運(yùn)行成本后，該方案具有一定的推廣意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐君強(qiáng).分布式能源系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用[J].科技展望，2014（12）：91-93.

[2] 印佳敏，陳澤韓.天然氣分布式能源系統(tǒng)在大型數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用研究[J].南方能源建設(shè)，2015，2（2）：52-55.

[3] 林海，劉金丹.廣東某數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)園集中供冷方案對比分析[J].建筑節(jié)能，2018，46（8）：153-155.

[4] 王強(qiáng)，夏成軍，唐智文.分布式能源在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的可行性探析[J].電網(wǎng)與清潔能源，2013，29（9）：87-91.

[5] 郭甲生，李巡案，徐振華，等.燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用[J].煤氣與熱力，2014，39（7）：15-17.