許婧煊，林文勝

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

0 引言

數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）最直觀的用途是用來存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)變成了一整套復(fù)雜的設(shè)備，它不僅僅包括計算機(jī)系統(tǒng)、存儲設(shè)備和其它配套設(shè)備，同時還包含數(shù)據(jù)通信設(shè)備、環(huán)境控制設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備和安全報警設(shè)備[1]。目前中國的數(shù)據(jù)中心總數(shù)已經(jīng)超過了64萬個，IDC機(jī)房耗電將超過每年500億度，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約每年1,630萬噸，已經(jīng)占到我國全社會用電的1.5%[2-3]。近年來，大量體積小、處理能力快、功能強(qiáng)的高密度機(jī)架服務(wù)器和存儲服務(wù)器應(yīng)運而生[4]。最新數(shù)據(jù)表明，5年內(nèi)我國IDC平均能耗將達(dá)到3,000 W/m2[5]。IDC機(jī)房的能耗主要包括4個部分：IT設(shè)備用電、變壓器/UPS供電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)（制冷系統(tǒng)、通風(fēng)及加濕系統(tǒng)）、照明設(shè)施。其中前3部分占到IDC機(jī)房能耗的90%以上，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房中空調(diào)制冷系統(tǒng)耗電占總能耗的25%，現(xiàn)有機(jī)房實際運行中的能耗達(dá)到了36%左右的占比，由此可以確認(rèn)空調(diào)制冷系統(tǒng)的能耗過高是IDC機(jī)房電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值偏大的主要原因。而分布式能源系統(tǒng)可以大大提高能量效率。

分布式供能系統(tǒng)位于用戶側(cè)，它是以天然氣、太陽能、地?zé)?、風(fēng)能、生物質(zhì)能以及其他可再生清潔能源為一次能源，在能源梯級利用的基礎(chǔ)上，將冷、熱、電一體化的多聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)[6-9]。因其具有靠近用戶、梯級利用、能源利用率高、能源供應(yīng)安全可靠、環(huán)境友好、社會效益和經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點而受到廣泛重視[10-15]。

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）以其高效節(jié)能、體積小、運輸方便、清潔環(huán)保等特點而受到世界各國的關(guān)注，成為重要的戰(zhàn)略儲備能源。采用LNG供能，可以使數(shù)據(jù)中心建設(shè)擺脫電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)的制約，為數(shù)據(jù)中心建設(shè)提供了更為便捷的條件。此外，LNG氣化時釋放大量冷能，約為830 kJ/kg[16]，這些冷量可以通過多種途徑加以利用，當(dāng)然也可用于為空調(diào)系統(tǒng)供冷。所以選擇LNG作為分布式能源的一次能源無疑是提高能量利用率的又一有效辦法。

1 數(shù)據(jù)中心負(fù)荷設(shè)定

數(shù)據(jù)中心的信息系統(tǒng)電力峰值225 MW。采用分布式能源系統(tǒng)供能時，取消IDC的常規(guī)空調(diào)主機(jī)、冷卻塔等設(shè)施，并將IDC內(nèi)的不間斷電源由在線式轉(zhuǎn)為后備式后，IDC內(nèi)交換機(jī)、照明、空調(diào)送風(fēng)設(shè)施、配電設(shè)施損耗峰值負(fù)荷25 MW。LNG設(shè)施用電峰值負(fù)荷2 MW。3項合計，IDC峰值電力負(fù)荷252 MW。

IDC電力負(fù)荷最終全部轉(zhuǎn)化為熱能，其中95%需要由空調(diào)系統(tǒng)帶走，IDC峰值冷負(fù)荷為240 MW。

2 數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)方案

2.1 常規(guī)電力供能系統(tǒng)

常規(guī)電力供能系統(tǒng)不是本文研究重點，這里簡單估算其能耗供后繼對比分析。

IDC信息系統(tǒng)電力來自電網(wǎng)，消耗電力為252 MW?？照{(diào)系統(tǒng)采用常規(guī)的電力驅(qū)動的蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)供冷。取制冷系統(tǒng)能效比（Coefficient of Performance，COP）為3.5，則消耗電力為69 MW，總耗電321 MW，即小時電耗321 MWh。中國目前的火力發(fā)電廠發(fā)出1度電平均消耗標(biāo)準(zhǔn)煤320 g，則耗煤量為130 t/h。

2.2 天然氣發(fā)電結(jié)合吸收式制冷系統(tǒng)

常規(guī)電力供能系統(tǒng)依賴于電網(wǎng)供電。如采用天然氣分布式能源系統(tǒng)供能，則數(shù)據(jù)中心的建設(shè)可以不受電網(wǎng)供電能力的限制，因而是一種很有意義的形式。

2.2.1 發(fā)電系統(tǒng)

2.2.1.1 主機(jī)與燃料

天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)按原動機(jī)形式的不同，主要分為內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)、微燃機(jī)驅(qū)動冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和燃料電池驅(qū)動冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)4種形式。

目前4種較為常用的燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備比較如表1所示[17]。

表1 燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備比較

微燃機(jī)單機(jī)容量較小，一般在250 kW以下，且其發(fā)電效率及綜合熱效率均較低，生產(chǎn)廠家也較少，相應(yīng)的設(shè)備價格較高。燃料電池應(yīng)用較少，且燃料電池設(shè)備與技術(shù)還不成熟，相對成本更高。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組裝機(jī)能量范圍為20 kW～5,000 kW，適合于小型的樓宇式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組裝機(jī)能量范圍為1,000 kW ～50,000 kW，適合于大型的樓宇式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和區(qū)域型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。本課題的電負(fù)荷為252 MW，故選定燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)驅(qū)動冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。由于IDC系統(tǒng)是少有的電力和空調(diào)負(fù)荷全年變化都不大的系統(tǒng)，故只采用1套機(jī)組。另外該項目冷負(fù)荷與電負(fù)荷比較接近，按照電力負(fù)荷選定發(fā)電機(jī)組可以基本保證余熱被充分利用，因此該項目可以主要參考電力負(fù)荷變化確定發(fā)電機(jī)組。

燃料選擇某典型天然氣，其主要成分及參數(shù)見表2。

2.2.1.2 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心峰值電力負(fù)荷252 MW，通過查詢樣本可以選擇三菱某單機(jī)容量254 MW的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，其主要參數(shù)見表3[18]。

根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)型號和效率計算可得天然氣耗氣量為17.37 Nm3/s，折算成標(biāo)準(zhǔn)煤耗量為79.2 t/h。

表3 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)

2.2.1.3 燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心峰值電力負(fù)荷252 MW，通過查詢樣本可以選擇GE公司某聯(lián)合循環(huán)功率為259.3 MW的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，其主要參數(shù)見表4[18]。

根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)型號和效率確定天然氣需要量，計算可得耗氣量為12.5 Nm3/s，折算成標(biāo)準(zhǔn)煤耗量為57.3 t/h。

表4 燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)

2.2.2 吸收式制冷系統(tǒng)

余熱型溴化鋰吸收式冷（熱）水機(jī)組以發(fā)電或工業(yè)裝置排放的廢熱作驅(qū)動熱源實現(xiàn)制冷，可以充分利用燃?xì)廨啓C(jī)余熱。本項目中對于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)適用于煙氣型冷（熱）水機(jī)組，對于燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)則適用于蒸汽型冷（熱）水機(jī)組。

2.2.2.1 煙氣型吸收式制冷系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心峰值冷負(fù)荷240 MW，通過查詢樣本可以選擇單機(jī)制冷量為6.98 MW的煙氣雙效型溴化鋰吸收式冷（熱）水機(jī)組35臺。其主要參數(shù)見表5[18]。

表5 煙氣型吸收式制冷機(jī)組主要參數(shù)

2.2.2.2 蒸汽型吸收式制冷系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心峰值冷負(fù)荷240 MW，通過查詢樣本可以選擇單機(jī)制冷量為11.63 MW的蒸汽雙效型溴化鋰吸收式冷（熱）水機(jī)組21臺。其主要參數(shù)見表6[18]。

表6 蒸汽型吸收式制冷機(jī)組主要參數(shù)

2.2.3 對比分析

2.2.3.1 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電結(jié)合煙氣型吸收式制冷系統(tǒng)

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電結(jié)合煙氣型吸收式制冷系統(tǒng)流程見圖1。其中冷凍水供水和回水溫度分別為7 ℃、12 ℃。本文未考慮數(shù)據(jù)中心配套建筑的供熱（熱水）負(fù)荷，但以下幾種流程圖都保留了這種可能。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)合煙氣型吸收式制冷系統(tǒng)流程圖

在常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒系統(tǒng)中，30%空氣用于燃燒，70%空氣用于冷卻，天然氣組分簡化作0.085%的N2和99.915%的甲烷處理，甲烷全部燃盡，則可計算得煙氣組分（摩爾分?jǐn)?shù)）及含量，見表7。

通過HYSYS計算得知，該狀態(tài)的煙氣質(zhì)量流量為2.073×106kg/h，可以滿足所選擇的煙氣型吸收式制冷機(jī)組35臺同時運行，該系統(tǒng)可以正常運行。

表7 煙氣組分

2.2.3.2 燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)結(jié)合蒸汽型吸收式制冷系統(tǒng)

燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)結(jié)合蒸汽型吸收式制冷系統(tǒng)流程圖見圖2。

燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)效率較高，為54%。假設(shè)除發(fā)電外，其余能量全部由配套余熱鍋爐用來產(chǎn)生1.4 MPa、195 ℃的飽和蒸汽，校核能否滿足吸收式制冷所需的蒸汽量。計算得到產(chǎn)生的蒸汽量為285,069 kg/h，該蒸汽量可滿足22臺蒸汽型吸收式制冷機(jī)組，滿足本項目的需要。

綜合以上分析，“燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合煙氣型吸收式制冷系統(tǒng)”天然氣耗量更高，且余熱不能全部利用，而“燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)結(jié)合蒸汽型吸收式制冷系統(tǒng)”的能源消耗量更少，能量利用率更高。

圖2 燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)結(jié)合蒸汽型吸收式制冷系統(tǒng)流程

2.3 LNG氣化系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合吸收式制冷系統(tǒng)

在沒有天然氣管道供氣或者天然氣管網(wǎng)不能滿足數(shù)據(jù)中心供氣要求的地區(qū)，尤其是沿海地區(qū)，可以采用LNG供能。LNG氣化后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電為數(shù)據(jù)中心提供電力；LNG氣化過程中釋放的冷量以及燃?xì)廨啓C(jī)余熱驅(qū)動的制冷系統(tǒng)聯(lián)合為數(shù)據(jù)中心提供冷量，理論上是一個更高能量效率的系統(tǒng)。流程圖見圖3和圖4。

圖3 LNG氣化、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電結(jié)合煙氣型吸收式制冷系統(tǒng)流程圖

圖4 LNG氣化、燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電結(jié)合蒸汽型吸收式制冷系統(tǒng)流程圖

2.3.1 LNG氣化系統(tǒng)

本項目LNG氣化及冷能利用的具體工藝流程為：-162 ℃的LNG經(jīng)泵加壓到燃?xì)廨啓C(jī)入口的天然氣壓力，然后進(jìn)入換熱器1與中間流體換熱，再進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)；中間流體在換熱器1中與LNG換熱，溫度降低，然后進(jìn)入換熱器2與冷凍水換熱，溫度升高后返回?fù)Q熱器1與LNG換熱，完成冷媒的循環(huán)；冷凍水與中間流體在換熱器2中換熱，溫度降低后與吸收式制冷機(jī)組的冷凍水一同向空調(diào)系統(tǒng)供冷，回水溫度升高回到換熱器2再與中間流體換熱。

結(jié)合整體設(shè)計方案的要求，所選的冷媒應(yīng)該具有以下特點：1）不具有爆炸性和燃燒性，無毒性且對鋼及金屬無腐蝕性，以免破壞設(shè)備發(fā)生泄漏；2）蒸發(fā)壓力大、沸點高。如果凝固點低，換熱后容易凝固而阻塞管路。如果冷媒的蒸發(fā)壓力低于大氣壓力，冷媒循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部會產(chǎn)生負(fù)壓，空氣容易侵入，影響系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)；3）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在冷媒循環(huán)系統(tǒng)中，只發(fā)生物理變化，不發(fā)生化學(xué)變化，不起分解作用；4）盡量選擇容易取得、價格相對低廉，且無污染性，對自然環(huán)境無害，不破壞臭氧層、溫室效應(yīng)低，即臭氧層消耗潛能（ODP）、全球變暖潛能（GWP）值小的冷媒[19]。

系統(tǒng)可采用的冷媒分析如下。

1）烴類：從熱力學(xué)性質(zhì)和價格低廉等方面看，烴類物質(zhì)是極為優(yōu)越的。實際工程中，LNG工業(yè)用IFV大多以丙烷為中間流體，液態(tài)丙烷用海水加熱蒸發(fā)，丙烷蒸汽用于加熱LNG后，自身被冷凝回液體，再用泵輸送去被海水加熱，完成其循環(huán)。但用于民用空調(diào)的冷凍水如果直接與易燃易爆的烴類換熱，容易引起安全方面的質(zhì)疑。

2）乙醇和乙醇溶液：理論上可行，但也有安全問題。

3）制冷劑類鹵代烴：這類物質(zhì)有的可燃、有的有毒性、有的ODP高（破壞臭氧層）、有的GWP高（引起全球變暖），目前市場上常用的且符合本文要求的冷媒主要有R134a和R404a等。

4）乙二醇水溶液：乙二醇水溶液常用于冰蓄冷空調(diào)，所以在空調(diào)領(lǐng)域比較容易接受。R134a、R404a的特性見表8[20-22]。

由表8可知，R134a和R404a性能比較接近，它們都對臭氧層沒有破壞作用，安全級別高，屬于環(huán)保型的冷媒。R134a為單工質(zhì)冷媒，R404a是由R125、R143a、R134a按照質(zhì)量百分比44%、52%、4%組成的三元非共沸混合工質(zhì)。與 R404a相比，R134a的臨界點較高，汽化潛熱略大，GWP 值更小，且單一工質(zhì)性質(zhì)穩(wěn)定，易于控制。綜上分析，對于本項目，R134a優(yōu)于R404a。

如圖5，將R134a與乙二醇水溶液分別作為中間流體，在Hysys軟件中對LNG氣化部分進(jìn)行流程模擬。

考慮到乙二醇水溶液的粘度隨溫度變化很大（50%體積濃度的乙二醇水溶液在-20 ℃、-25 ℃、-30 ℃的粘度分別為22.07 mPa·s、30.5 mPa·s、40.8 mPa·s），模擬中根據(jù)其粘度隨溫度的變化來設(shè)定換熱器壓降。探究兩種中間流體產(chǎn)生的能耗和流量，結(jié)果見表9。

表8 R134a、R404參數(shù)對比

圖5 LNG氣化流程模擬示意圖

表9 LNG氣化部分進(jìn)行流程模擬結(jié)果

根據(jù)以上流程模擬結(jié)果，可以得出以下結(jié)論。

1）與乙二醇水溶液相比，完成相同換熱量的條件下，R134a 所需的流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于乙二醇水溶液，且泵耗能也更少。主要原因是R134a利用了氣液相變過程中的氣化潛熱。

2）無論是乙二醇水溶液還是R134a，完成相同換熱量的條件下，換熱溫差越大，所需流量越少，但乙二醇水溶液隨著換熱溫差增大，粘度明顯增大，泵能耗增加。

3）完成相同換熱量的條件下，換熱溫差的增加幅度相同時，R134a節(jié)省的流量和能量更多。

綜合以上分析，本項目選擇R134作為中間流體。

2.3.2 發(fā)電系統(tǒng)

與2.2.1所述發(fā)電系統(tǒng)相同，分為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)和燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，所選機(jī)型和燃料耗量均相同。

2.3.3 吸收式制冷系統(tǒng)

2.3.3.1 煙氣型吸收式制冷系統(tǒng)

系統(tǒng)冷負(fù)荷240 MW，根據(jù)流程模擬結(jié)果，LNG氣化能提供的冷量按照換熱器E-101的負(fù)荷乘以利用系數(shù)0.9計算可得9.31 MW。

則吸收式制冷機(jī)組的冷負(fù)荷為230.69 MW，通過查詢樣本可以選擇單機(jī)制冷量為6.98 MW的煙氣雙效型溴化鋰吸收式冷（熱）水機(jī)組33臺，比普通天然氣系統(tǒng)少2臺。

2.3.3.2 蒸汽型吸收式制冷系統(tǒng)

系統(tǒng)冷負(fù)荷240 MW，根據(jù)流程模擬結(jié)果，LNG氣化能提供的冷量按照換熱器E-101的負(fù)荷乘以利用系數(shù)0.9計算可得6.73 MW。

吸收式制冷機(jī)組的冷負(fù)荷為233.27 MW，通過查詢樣本可以選擇單機(jī)制冷量為11.63 MW的蒸汽雙效型溴化鋰吸收式冷（熱）水機(jī)組20臺，比普通天然氣系統(tǒng)少2臺。

根據(jù)2.2.4的校核結(jié)果可知，在無LNG冷能利用的條件下，煙氣和蒸汽的產(chǎn)量可以滿足吸收式制冷機(jī)組的耗量，所以本方案也能夠滿足煙氣及蒸汽的耗量，不必再次校核。

3 系統(tǒng)性能分析與評價

表10為5種方案的對比分析。

對于“電網(wǎng)結(jié)合電制冷”系統(tǒng)，方案簡單，投資和運行費用都較少。但其用電必須依賴城市電網(wǎng)，如果城市電網(wǎng)不能滿足用電需求，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)將受到制約。此外，此方案的一次能源消耗量很大，我國目前的電網(wǎng)發(fā)電一般依靠燃煤火力發(fā)電，煤燃燒的碳排放量很高，不符合“節(jié)能減排”的能源發(fā)展要求。

表10 不同方案的對比分析

對于“天然氣發(fā)電系統(tǒng)、吸收式制冷系統(tǒng)”，方案較復(fù)雜，但不依賴城市電網(wǎng)，減少了一次能源消耗量，節(jié)約能源并且減少了碳排放量。但必須依賴城市天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)，獨立性仍然受到限制。

對于“LNG氣化系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合吸收式制冷系統(tǒng)”，除了具有“天然氣發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合吸收式制冷系統(tǒng)”的優(yōu)點外，獨立能源系統(tǒng)還能滿足數(shù)據(jù)中心的所有用能需求，且充分利用了LNG冷量和燃?xì)廨啓C(jī)余熱等低品味能量。

本項目數(shù)據(jù)中心的電負(fù)荷、冷負(fù)荷非常接近，所以在獨立發(fā)電系統(tǒng)方案選擇中，十分適合選擇發(fā)電效率一般在50%左右的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，在滿足電負(fù)荷的條件下充分利用了發(fā)電余熱。若在電、冷負(fù)荷比例改變的其他工況下，不一定適合選擇此種發(fā)電方案。例如，如果本系統(tǒng)冷負(fù)荷繼續(xù)增大或者需要考慮為配套建筑供熱，聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的余熱用于吸收式制冷將不能產(chǎn)生足夠的冷量，此時余熱更多的純?nèi)細(xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)將顯示出優(yōu)勢?？傊?，不同工況需要不同的方案分析，以選擇最優(yōu)方案，提高能源綜合利用效率。

4 結(jié)論

1）本文提出的“LNG氣化、天然氣發(fā)電結(jié)合余熱驅(qū)動吸收式制冷與LNG冷能聯(lián)合供冷”分布式能源系統(tǒng)可以很好地為數(shù)據(jù)中心供能，并使數(shù)據(jù)中心建設(shè)不受電力和管道天然氣供應(yīng)的制約。該系統(tǒng)一次能源利用效率高于常規(guī)電網(wǎng)供能系統(tǒng)。

2）在本文設(shè)定的負(fù)荷參數(shù)條件下，采用燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電具有最高的效率。

3）LNG冷能可以為數(shù)據(jù)中心提供冷量，但其數(shù)量占冷負(fù)荷比例不多?？衫^續(xù)探索數(shù)據(jù)中心LNG供能系統(tǒng)中LNG冷能的更合理利用方式。

4）數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷大，選擇現(xiàn)有吸收式制冷機(jī)組所需臺套數(shù)較多，可考慮開發(fā)大型機(jī)組。

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