徐 嘉，林武雋，張 淵，劉永彬

（中國電信股份有限公司北京分公司，北京 100032）

0 引 言

隨著數(shù)據(jù)中心大型化和高密度化的空前發(fā)展，其能耗在社會總能耗中所占的比重逐年提高，由此引起了政府相關(guān)主管部門對數(shù)據(jù)中心節(jié)能的高度重視，先后出臺多項政策文件，部署和推進數(shù)據(jù)中心先進適用技術(shù)、綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)和相關(guān)節(jié)能標準。工信部等部門于2019年發(fā)布的《三部門關(guān)于加強綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導意見》中明確提出：到2022年，新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心的能耗效率（Power Usage Effectiveness, PUE）達到1.4以下。

數(shù)據(jù)中心能耗中約35%以上源于全年不間斷供冷，因此開展數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)的研究具有重要意義。除制冷系統(tǒng)控制策略、自然冷卻技術(shù)和氣流組織與液冷技術(shù)等熱點節(jié)能措施外[1]，從供冷的源頭著手尋求節(jié)能突破亦是降本增效的有效途徑之一。

本文以天津某大型數(shù)據(jù)中心實際工程為研究對象，從理論上分別對使用蒸汽壓縮式、直燃型和蒸汽型溴化鋰吸收式3種制冷方案進行技術(shù)經(jīng)濟對比。結(jié)合蒸汽型吸收式制冷可使用低品位熱能的技術(shù)特點，針對主用燃氣三聯(lián)供（Combined Cooling, Heating and Power, CCHP）系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用進行探究，以期為實際制冷方案的選擇提供技術(shù)參考。

1 工程概況

天津某處于設(shè)計規(guī)劃階段的大型數(shù)據(jù)中心，共4棟，每棟6層，建筑面積共7.8萬 m2。單棟IT機柜數(shù)量約3 920個，單機柜功率主要為5 kW、部分為7 kW，4棟機樓共約15 680個機柜（后期可擴容）。經(jīng)統(tǒng)計，4棟數(shù)據(jù)中心總設(shè)計用電負荷約為59 732.1 kW。

1.1 空調(diào)冷負荷概況

數(shù)據(jù)中心冷負荷主要包含IT設(shè)備發(fā)熱量、高低壓配電發(fā)熱量、電池發(fā)熱量以及建筑和照明負荷。以《中國電信綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)技術(shù)要求》為依據(jù)，選配數(shù)據(jù)中心空調(diào)主系統(tǒng)的同時系數(shù)和需用系數(shù)，如表1所示。由于本項目主要所屬為對外數(shù)據(jù)中心，因此單棟數(shù)據(jù)中心空調(diào)主系統(tǒng)的綜合系數(shù)為：0.92×0.85=0.78。經(jīng)計算，單棟數(shù)據(jù)中心設(shè)計冷負荷約為17 857.4 kW，4棟數(shù)據(jù)中心空調(diào)設(shè)計冷負荷為71 429.6 kW（20310RT）。

表1 數(shù)據(jù)中心空調(diào)負荷計算同時系數(shù)和需用系數(shù)

1.2 總體制冷方案

為充分利用華北地區(qū)自然冷源可持續(xù)時長的優(yōu)勢，總體采用“制冷主機+自然冷源”的供冷方案。當室外濕球溫度連續(xù)3日低于10 ℃時，熱備制冷主機，采用“冷卻塔+板換”的自然冷源模式為數(shù)據(jù)中心散熱；當室外濕球溫度連續(xù)3日高于10 ℃時，使用制冷主機為數(shù)據(jù)中心供冷。當室外濕球溫度低于10 ℃時，冷卻塔的逼近度按照4 ℃進行測算，則冷卻塔自然冷卻時，室外濕球溫度的閾值為10 ℃。根據(jù)天津當?shù)氐湫蜌庀竽曛械氖彝鈿庀髤?shù)，全年室外濕球溫度＜10 ℃的時長為4 259 h，即制冷主機供冷的時長為：8 760 h-4 259 h=4 501 h。

由于上述3種冷卻方案中，各主機和自然冷源的運行時間分別相同，為了更加直觀地對比蒸汽壓縮式、直燃型和蒸汽型溴化鋰吸收式3種制冷主機的技術(shù)經(jīng)濟性，本文僅針對制冷主機供冷時段（4 501 h）的經(jīng)濟性進行對比。

2 技術(shù)經(jīng)濟性對比

2.1 技術(shù)原理比較

蒸汽壓縮式和吸收式制冷同屬于相變制冷，即均利用低沸點的液體或者讓液體在低溫、低壓條件下氣化，吸收循環(huán)載冷劑（多為水或有機溶液）的熱量，產(chǎn)生冷卻效應(yīng)。如圖1所示，除主要循環(huán)過程和組成部件的不同外，兩者最主要的區(qū)別在于，從能源驅(qū)動的角度來看，蒸氣壓縮制冷依靠電能驅(qū)動壓縮機做功來完成制冷循環(huán)，而溴化鋰吸收式制冷則是依靠熱能來驅(qū)動；從制冷劑的角度來看，蒸氣壓縮制冷依靠常規(guī)氟利昂的相變吸熱，而溴化鋰吸收式的制冷劑則為水。

圖1 蒸氣壓縮式和吸收式制冷工作原理

吸收式制冷按輸入側(cè)能源種類的不同又可分為直燃型和蒸汽型。

從蒸汽壓縮式和吸收式制冷的技術(shù)原理及組成可以看出，與蒸氣壓縮式制冷相比，溴化鋰吸收式制冷具有以下特點：

（1）耗電量非常小，其耗電設(shè)備主要為循環(huán)泵，可大幅降低用電能耗，但直燃型以大量消耗一次能源為代價，是該機組運行成本的主要部分，適用于燃氣等能源價格相對較低的地區(qū)；

（2）熱能的可利用性要求寬廣，除一次能源的直接利用外，蒸汽型也可利用低品位的工廠余熱和廢熱等低品位熱能；

（3）不使用氟利昂類制冷劑，制冷劑為水，ODP（消耗臭氧潛能值）和GWP（全球變暖潛能值）均為零；

（4）制冷能力有限，溴化鋰吸收式冷水機組的最低出水溫度約為4 ℃，而蒸汽壓縮式制冷可以制造出0 ℃以下的冷水（多為有機溶液）；

（5）存在結(jié)晶風險，輕則影響冷機性能，重則導致機組停機；

（6）組成部件較多，結(jié)構(gòu)復雜龐大，可靠性較差、維護難度較高。

2.2 工程取數(shù)

2.2.1 能源成本參數(shù)

根據(jù)天津發(fā)改委提供的相關(guān)能源價格，各能源使用量梯級費用經(jīng)折算后，用電電價：0.778元/（kW·h），天然氣價格：2.52元/m3，天然氣熱值8 700 kcal/m3，蒸汽（非余熱、廢熱）價格：200元/t，蒸汽（非余熱、廢熱）熱值662 kcal/kg，自來水價格：6.9元/m3。

2.2.2 技術(shù)參數(shù)

根據(jù)工程所需的制冷負荷及總體方案，配設(shè)相應(yīng)的冷凍水和冷卻水系統(tǒng)等設(shè)備，3種方案的主機及配套設(shè)備技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計如表2所示。

表2 各方案技術(shù)參數(shù)

2.3 經(jīng)濟性對比

由于蒸氣壓縮式和吸收式制冷的驅(qū)動能源不同，因而不能僅僅按照主機或者系統(tǒng)能效（Coefficient of Performance, COP）的高低，直接對其能效進行比較，而應(yīng)從3個方案在相同運行時段的經(jīng)濟性差異著手。按照2.2節(jié)的工程取數(shù)計算，各方案運行費用統(tǒng)計如表3所示。

表3 各方案運行費用

以冷價作為各方案的對比標準，從上表可知，蒸氣壓縮式制冷方案的冷價明顯低于吸收式制冷，即從運行費用的角度看，蒸氣壓縮式制冷方案的經(jīng)濟性最好，原因是：一方面，蒸汽壓縮式制冷的能源利用率約為吸收式制冷的5倍，另一方面，吸收式制冷所需驅(qū)動熱能的費用較高。就直燃型和蒸汽型吸收式制冷而言，作為二次能源的蒸汽，由于在一次能源的使用過程中存在能量損失，蒸汽型吸收式方案的冷價約為直燃型的1.1倍。

2.4 環(huán)境友好性對比

目前，我國有75%的電力生產(chǎn)以燃煤發(fā)電為主，所以火電不能稱為清潔能源。從宏觀上說，電制冷方式因發(fā)電排放的有害物質(zhì)對環(huán)境的影響大于吸收式制冷。另外，壓縮制冷機以氟里昂作為制冷劑，其對臭氧層具有破壞作用。直燃式制冷燃燒天然氣、煤氣或柴油等清潔能源，燃燒后的煙氣排放符合國家相關(guān)的大氣污染物排放標準。對于蒸汽型吸收式制冷，如采用冷熱電聯(lián)產(chǎn)的蒸汽作為驅(qū)動熱，可認為其不再增加一次能源的消耗，對整體環(huán)境不產(chǎn)生新的排放污染，較為合理綜合地利用了能源，最大程度保護了環(huán)境。

3 CCHP應(yīng)用探究

通過前文的分析可知，雖然使用吸收式制冷可以極大程度地減少數(shù)據(jù)中心的電力消耗，即達到減小PUE（PUE=數(shù)據(jù)中心總能耗/ IT設(shè)備能耗）的目標，但從經(jīng)濟性的角度講，吸收式制冷方案的平均冷價約超過蒸氣壓縮式制冷的28%，顯然直接使用吸收式制冷方案并不經(jīng)濟。為了更好地提高吸收式制冷方案的適用性，結(jié)合2.1節(jié)所述“蒸汽型吸收式制冷可利用工廠余熱和廢熱等低品位熱能”的特點，本章將針對燃氣冷熱電三聯(lián)供的應(yīng)用進行探究。

3.1 CCHP概述

燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，是指以天然氣為主要燃料帶動燃氣輪機或內(nèi)燃機等燃氣發(fā)電設(shè)備而產(chǎn)生電力，以滿足用電需求。系統(tǒng)排出的高溫廢熱煙氣可達500 ℃，以此作為蒸汽型吸收式制冷機供冷的驅(qū)動。經(jīng)制冷后的熱量還可繼續(xù)利用提供生活熱水。冷熱電的溫度利用范圍如圖2所示。

圖2 CCHP溫度利用范圍

經(jīng)過能源不同形式和不同能量的梯級利用，CCHP系統(tǒng)使一次能源利用率從常規(guī)火力發(fā)電系統(tǒng)的40%提高到80%左右，同時減少溫室氣體的排放量。

3.2 CCHP可用性分析

CCHP系統(tǒng)以能量梯級利用為導向，將發(fā)電、制冷及供熱（采暖或供熱水）過程有機結(jié)合，如圖3所示[1]。CCHP系統(tǒng)的一些特性與數(shù)據(jù)中心用電和用冷量大，24 h不間斷供電、供冷，以及負荷波動較小的用能特點較匹配。所發(fā)的電能，可以全部就地為數(shù)據(jù)中心機房使用，不同于常規(guī)商用建筑，存在白天啟用，晚間不用的情況。CCHP系統(tǒng)所產(chǎn)生的冷，同樣可以全部用于機房的冷量需要，亦不像民、商用建筑，存在夏季需冷，冬季需熱，過渡季不需要的情況。

圖3 CCHP工作原理

此外，CCHP系統(tǒng)可以就近設(shè)置，并且系統(tǒng)組成相對集中，方便統(tǒng)一管理。因此CCHP系統(tǒng)成為解決數(shù)據(jù)中心能源需求、緩解電力緊張的一個重要選擇，在數(shù)據(jù)中心作為主用電、冷源中具有較高的應(yīng)用可行性。

3.3 CCHP經(jīng)濟性對比

就該項目而言，用冷負荷與電負荷比約為1.2，為此選配的主用某內(nèi)燃型成套CCHP系統(tǒng)的額定參數(shù)如表4所示[2]。

表4 某內(nèi)燃型成套CCHP系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

CCHP系統(tǒng)確定機組數(shù)量的原則一般包括“以電定冷”和“以冷定電”2種。由此，分別按照兩種計算原則得到的內(nèi)燃型成套CCHP系統(tǒng)數(shù)量為：14臺（以冷定電）和18臺（以電定冷）。結(jié)合數(shù)據(jù)中心的用能特點，首先要保證IT設(shè)備的穩(wěn)定可靠運行，以及后期IT設(shè)備的擴容加電，因此應(yīng)按照“以電定冷”的計算原則，即選配該型號CCHP系統(tǒng)18臺。同樣，本節(jié)僅針對CCHP系統(tǒng)供冷時段（4 501 h）的經(jīng)濟性進行計算。

按照2.2節(jié)的工程取數(shù)，使用CCHP系統(tǒng)與蒸氣壓縮式制冷方案的運行費用對比如表5所示。在計算過程中，由于三聯(lián)供系統(tǒng)同時滿足數(shù)據(jù)中心的冷電需求，因此在進行運行費用對比時，使用蒸氣壓縮式制冷方案時的運行費用，應(yīng)在原有的基礎(chǔ)上對用電負荷產(chǎn)生的運行費用予以累加。

表5 運行費用對比

從表5中可以看出，CCHP系統(tǒng)的運行費用明顯低于蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)，且年運行費用可節(jié)約19.4%，體現(xiàn)出CCHP系統(tǒng)良好的能源利用效率和經(jīng)濟效益。此外，CCHP系統(tǒng)還可為數(shù)據(jù)中心提供一定的生產(chǎn)和生活熱水。

3.4 CCHP系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的注意事項

（1）就數(shù)據(jù)中心而言，供電可靠性、不間斷性位于首位，主用CCHP系統(tǒng)架構(gòu)不同于常規(guī)數(shù)據(jù)中心的“雙路市電+油機+冷凍站”模式。對于部分新客戶或定制化要求高的客戶，存在接受度低的情形，因而天然氣的供應(yīng)一定要穩(wěn)定、充足[3]。

（2）天然氣價格和電價是影響燃氣CCHP系統(tǒng)運行經(jīng)濟性的關(guān)鍵。不同地區(qū)的氣價、峰谷電價差別很大，必須根據(jù)當?shù)貤l件進行精確的測算。另外，部分污染嚴重或嚴重缺電地區(qū)會為安裝燃氣CCHP系統(tǒng)提供政策性補貼，也是保持CCHP系統(tǒng)運行經(jīng)濟性的重要影響因素[4]。

（3）目前在我國采用燃氣發(fā)電機作為主用電源的相關(guān)案例較少，為滿足數(shù)據(jù)中心的供電可靠性需要做周密細致的配電設(shè)計。如需市電的配合，需要與電網(wǎng)企業(yè)進行充分地協(xié)調(diào)。

（4）運維人員水平要求更高。由于CCHP系統(tǒng)相比常規(guī)市電和供冷系統(tǒng)龐大復雜得多，運行的安全可靠性及機組的保養(yǎng)要求成為重難點。此外，燃氣CCHP系統(tǒng)對于負載與機組的匹配調(diào)節(jié)也有較高要求[5]。

4 結(jié) 論

綜上所述內(nèi)容可知，吸收式制冷可以極大程度地減少數(shù)據(jù)中心的電力消耗，即達到減小PUE的目標，但這卻以更高的運行費用為代價，因而直接使用吸收式制冷方案并不經(jīng)濟。

在數(shù)據(jù)中心中應(yīng)用CCHP系統(tǒng)，作為多能源解決方案，在冷、電容量特性上是完全契合和可行的。其不僅積極響應(yīng)了我國能源可持續(xù)化發(fā)展的理念，還有效提高了系統(tǒng)的利用效率。雖然國內(nèi)近年已有若干數(shù)據(jù)中心采用了CCHP系統(tǒng)，但是目前仍然是處于規(guī)模應(yīng)用的前期。對CCHP系統(tǒng)缺乏經(jīng)濟性、可用性不佳的顧慮仍然廣泛存在。但基于CCHP系統(tǒng)自身的優(yōu)點以及與數(shù)據(jù)中心用能特性的高度匹配，相信隨著CCHP系統(tǒng)建設(shè)和運行經(jīng)驗的不斷積累、應(yīng)用方案的不斷完善，CCHP系統(tǒng)一定會成為數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗的重要解決方案之一。