1、引言

冷熱電三聯(lián)供(CcHP)系統(tǒng)是一種建立在能量梯級利用概念基礎(chǔ)上，將供熱(采暖和供熱水)，制冷及發(fā)電過程有機結(jié)合在一起的總能系統(tǒng)。三聯(lián)供屬于分布式能源的主要形式之一。由于分布式能源可將能源效率提高80%以上，對環(huán)境負(fù)面影響小，有利于局部電網(wǎng)安全，對天然氣和電網(wǎng)有削峰填谷的作用，因此很多發(fā)達(dá)國家將其作為國家能源體系的重要組成部分。從經(jīng)濟性考慮，燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)更適合于冷熱電負(fù)荷相對穩(wěn)定、常年需要供冷或者供熱的項目。而數(shù)據(jù)中心用電、和用冷負(fù)荷波動小，常年需要供冷，符合三聯(lián)供系統(tǒng)的功能特點。本文以某數(shù)據(jù)中心為例，針對三聯(lián)供系統(tǒng)在A級數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用中的相關(guān)問題進(jìn)行探討。

2、冷熱電三聯(lián)供(CCHP)應(yīng)用概況

分布式能源(Distributed Energy System)是相對于傳統(tǒng)的集中供電方式而言，是指將冷熱電系統(tǒng)以小規(guī)模、小容量(幾kW至50Mw)、模塊化、分散式的方式布置在用戶附近，可獨立地輸出冷、熱、電能的系統(tǒng)。具有靠近用戶、梯級利用、一次能源利用效率高，環(huán)境友好、能源供應(yīng)安全可靠等特點，受到各國政府，企業(yè)界的廣泛關(guān)注和青睞。其中燃?xì)饫錈犭娙?lián)供因其技術(shù)成熟、建設(shè)簡單，投資相對較低和經(jīng)濟上有競爭力的優(yōu)勢，已經(jīng)在國際上得到了迅速地推廣。

燃?xì)饫錈犭娙?lián)供，即CCHP(Combined Cooling，Heating and Power)，是指以天然氣為主要燃料帶動燃?xì)廨啓C或內(nèi)燃機等燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備而產(chǎn)生電力以滿足用戶的電力需求;系統(tǒng)排出的廢熱通過余熱回收利用設(shè)備(如余熱鍋爐或余熱直燃機等)向用戶冬季供暖;夏季通過驅(qū)動吸收式制冷機供冷;同時還可提供生活熱水，充分利用了排氣的熱量。經(jīng)過能源的梯級利用使一次能源利用效率從常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的40%左右提高到80%左右，大量節(jié)省了一次能源。

由于天然氣分布式能源可以達(dá)到很高的能量利用效率，所以在國外發(fā)展非常迅速。從上個世紀(jì)70年代末期開始發(fā)展，到現(xiàn)在美國已經(jīng)有6000多座分布式能源站，僅大學(xué)校園就有200多個。英國只有5000多萬人口，但是分布式能源站就有1000多座。英國女王的白金漢宮、首相的唐寧街10號官邸，都采用了燃?xì)廨啓C分布式能源站。目前丹麥沒有一個火電廠不供熱，也沒有一個供熱鍋爐房不發(fā)電，將冷、熱、電分別生產(chǎn)變?yōu)楦呖萍嫉睦洹帷㈦娐?lián)產(chǎn)，使科學(xué)技術(shù)變成生產(chǎn)力。20多年來，丹麥國民生產(chǎn)總值翻了一番，但能源消耗卻未增加，環(huán)境污染也未加劇。日本由于資源比較缺乏，所以對三聯(lián)供研究十分重視。目前，日本三聯(lián)供系統(tǒng)是僅次于燃?xì)狻㈦娏Φ牡谌蠊檬聵I(yè)，到2000年底已建冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)1413個，平均容量477kw，廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、辦公樓、賓館及其他一些綜合設(shè)施中，進(jìn)行區(qū)域冷熱電供應(yīng)。【1】

小型燃?xì)饫錈犭娙?lián)供的應(yīng)用在我國尚處于起步階段，而且主要集中在上海、北京、廣州等地。北京燃?xì)饧瘓F指揮監(jiān)控中心、北京清華科技園A一02(文津國際公寓)三聯(lián)供能源站、北京會議中心9號樓、北京火車南站三聯(lián)供能源供應(yīng)站，蟹島生態(tài)園區(qū)冷熱電三聯(lián)供能源中心、上海浦東機場、上海舒雅健康休閑中心、廣東鋁業(yè)集團、成都深蘭綠色能源站、廣州大學(xué)城等多項冷熱電三聯(lián)供工程已建成投產(chǎn)。其中廣州大學(xué)城能源站為我國目前最大的三聯(lián)供項目，是廣州大學(xué)城配套建設(shè)項目，為廣州大學(xué)城一期18萬m2區(qū)域內(nèi)的10所大學(xué)提供冷、熱、電能三聯(lián)供;是目前全國最大的分布式能源站，規(guī)劃容量為4×78Mw。現(xiàn)在已向廣州大學(xué)城內(nèi)的10大學(xué)及周圍用戶20萬人提供全部生活熱水、空調(diào)冷凍水和部分電力【2】。目前.我同分布式能源裝機;箏量達(dá)到500萬kW。據(jù)能源局規(guī)劃，到2020年，在大中以上城市推廣使用分布式能源系統(tǒng)，裝機容量達(dá)到5000萬kW，并擬建設(shè)10個左右各類典型特征的分布式能源示范區(qū)城。分布式能源發(fā)電容量占中國總電力裝機容量的比例將從目前的不到1%增加到3%，年均增迷23%。【3】

3、數(shù)據(jù)中心概況

擬建數(shù)據(jù)中心符合我國A級數(shù)據(jù)中心的標(biāo)準(zhǔn)，總建筑面積為49萬m2.設(shè)置4500臺機柜.機柜發(fā)熱最按照3.6kw/臺設(shè)計，機房面積和輔助區(qū)面積均為20250m2.公攤醫(yī)面積8500m2。

采用eQuest軟件對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行負(fù)荷模擬計算和分析，得出數(shù)據(jù)中心的冷熱電負(fù)荷，作為空調(diào)和發(fā)電機的選型依據(jù)。

3.1用電負(fù)荷

數(shù)據(jù)中心用電逐時負(fù)荷和壘年耗電量如圖1、表1所示。

最大用電負(fù)荷出現(xiàn)在7月份，最大負(fù)荷248089kw;全年耗電鹽為207 28MkWh。

3.2數(shù)據(jù)中心冷熱負(fù)荷

數(shù)據(jù)中心逐時冷、熱負(fù)荷如圖2，圖3所示

數(shù)據(jù)中心的逐時需冷量模擬

從圖2、圖3可以看出：最大用冷出現(xiàn)在6月份，最大負(fù)荷1767kW;最大用熱出現(xiàn)在2月份，最大負(fù)荷244.82kW。數(shù)據(jù)中心全年總需凈量147862385.3k Wh，數(shù)據(jù)中心全年總需熱量219480.05kwh。

4、用電要求和系統(tǒng)設(shè)計

4.1數(shù)據(jù)中心的供電和空調(diào)要求

我國2008年頒布執(zhí)行的Ⅸ電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》GB--50I 74對A級電子信息系統(tǒng)機房做了嚴(yán)格的技術(shù)要求，如表2所示。

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4.2供配電設(shè)計

A級數(shù)據(jù)中心供電要求存很高的可靠性，目前在我國還沒有采用燃?xì)獍l(fā)電機作為主用電源的相相關(guān)案例，為滿足數(shù)據(jù)中心的供電可靠性需要做周密細(xì)致的配電設(shè)計。目前國家沒有相關(guān)的并網(wǎng)發(fā)電政策，協(xié)調(diào)并網(wǎng)發(fā)電難以實現(xiàn)，因此，數(shù)據(jù)中心的三聯(lián)供系統(tǒng)只能以獨立運行方式，即發(fā)電機以孤島運行模式工作。

4.2.1燃?xì)馊?lián)供作為主電源可靠性分析

對可靠性要求很高的A級數(shù)據(jù)機房來說，市電網(wǎng)絡(luò)與三聯(lián)供電站可靠性分析如表3所示。

4.2.2燃?xì)馊?lián)供的使用條件

根據(jù)本工程的特點，供電可靠性、安全性位于首位，只有這樣才能應(yīng)用三聯(lián)供技術(shù)。從上面分析可以得出三聯(lián)供在本工程的使用條件。

(1)一次能源要穩(wěn)定、充足，價格要適中。很幸運，建設(shè)單位是天然氣的生產(chǎn)、供應(yīng)單位，有兩路、甚至三路天然氣供應(yīng)。氣源產(chǎn)地不同，天然氣管路也分開，天然氣可以保證穩(wěn)定和充足，天然氣的價格也較合理。

(2)關(guān)鍵設(shè)備CCHP要可靠、高效。此問題在設(shè)備招標(biāo)時要嚴(yán)加把控。目前國際上有些高質(zhì)量的CCHP發(fā)電機組能滿足這項要求。

(3)要有高水平的運行、維護(hù)人員。系統(tǒng)運行和維護(hù)的水平關(guān)系到平均無故障時間這一參數(shù)，其直接影響到可靠性指標(biāo)。

近30年的奧運會和世界杯足球賽的經(jīng)驗表明，滿足上述三個條件，重大國際比賽能采用獨立的發(fā)電機組作為賽事重要用電負(fù)荷的主電源，市電作為備用。因此，本工程具備使用獨立的發(fā)電系統(tǒng)條件，即采用冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)。

4.2.3供配電系統(tǒng)

綜上所述，本數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)框圖如圖4所示。

由于數(shù)據(jù)中心用電量大于制冷量，發(fā)電機選用發(fā)電效率較高的燃?xì)鈨?nèi)燃機作為發(fā)電機組，CCHP為10kV機組。為保證數(shù)據(jù)中心的用電可靠性，發(fā)電機組分為兩組，每組6臺4300kw，設(shè)置在不同的地理位置作為物理分割，兩路市電作為備用。每組發(fā)電機組可以做到4+2冗余，即一組內(nèi)的一臺發(fā)電機組如果在檢修或保養(yǎng)時，另一臺故障，剩余的同組內(nèi)其他四臺可以帶同組內(nèi)的全負(fù)荷;如果整組發(fā)電機出現(xiàn)故障，另一組發(fā)電機可以帶起100%用電負(fù)荷，從而滿足A級機房的兩路同時供電的用電要求，保證數(shù)據(jù)中心機房用電可靠性。

4.3空調(diào)設(shè)計

4.3 .l數(shù)據(jù)中心空調(diào)流程

空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計如圖5所示。

本數(shù)據(jù)中心按照機房空調(diào)要求，空調(diào)系統(tǒng)采用2N配置.主用為煙氣溴冷機，電制冷作為備用，末端采用全空氣系統(tǒng)。機房內(nèi)保持10Pa正壓，機房內(nèi)新風(fēng)量保證每小時換氣一次。其他監(jiān)控宰、輔助眨和公攤區(qū)的業(yè)務(wù)管理及后勤用房變配電事，電梯機房等房間可采甩集中供冷供熱方式，冷熱源全部山三聯(lián)供能源站集中提供.供冷系統(tǒng)包括電制冷機和吸收式冷溫水機組.冷熱源通過冷熱水管道輸送。

4.3.2空調(diào)系統(tǒng)卡要設(shè)備操作方式

(1)煙氣熱水型直燃機組當(dāng)發(fā)電機運行時，首先利用發(fā)電機排出的余熱作為煙氣熱水型曖收式機組的熱源.提供壘年供冷所需冷凍水管煙道上裝設(shè)三通調(diào)節(jié)閥.可根據(jù)末端冷負(fù)荷變化情況，調(diào)節(jié)進(jìn)入直燃機的煙氣量，當(dāng)冷負(fù)荷較小時，部分煙氣通過煙道直接排放到大氣。另外從發(fā)電機出來的高溫缸套水進(jìn)入吸收式冷溫水機組的低發(fā)，經(jīng)換熱從空調(diào)機組出來后如溫度仍不能降低至發(fā)電機所要求的溫度.可以進(jìn)一步通過散熱器對芄進(jìn)行冷卻。為保證在發(fā)電機組不工作或不能達(dá)到滿負(fù)荷工作，即沒有煙氣余熱可利用或煙氣供應(yīng)不足時.余熱吸收式機組仍可以提供凈負(fù)荷的供應(yīng)，本項目余熱機組選用帶有燃燒機的全補燃型機組。另外在栗暖季當(dāng)煙氣冷凝換熱器檢修時，直燃機組還可以作為熱源用于采暖供熱。

(2)電制冷機組當(dāng)市政管網(wǎng)燃?xì)馀袛鄷r，電制冷機組作為備用投入運行，滿足數(shù)據(jù)中心空調(diào)要求。

(3)冷卻塔臺煙氣溴冷掙機和一臺電制凈機共用一臺冷卻塔.若煙道溴冷機工作，則冷卻塔與煙冷機連接;若電制冷機工作，則冷卻塔與電制冷機連接。冬季則利用冷卻塔免費制冷，而煙氣余熱用于周圍相鄰地塊供熱，以提高CCHP的經(jīng)濟效益。

5、結(jié)論

1) 燃?xì)馊?lián)供CCHP是冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)建立在能量的梯級利用概念基礎(chǔ)上的，以天然氣為一次能源，產(chǎn)生冷、熱、電的朕產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)。提高了天然氣能源利用率，太量節(jié)省了一次能源。數(shù)據(jù)中心負(fù)荷波動較小，用電和用冷量大，常年需要供冷，符合CCHP的運行特點，能夠提高CCHP的經(jīng)濟性。

2)數(shù)據(jù)中心使用三聯(lián)供，應(yīng)以用電負(fù)荷的容量作為設(shè)計的依據(jù)。通過合理的設(shè)計，CCHP系統(tǒng)可滿足A級數(shù)據(jù)機房的供電和供冷需要，保證數(shù)據(jù)中心用電和用冷的可靠性。

本文作者：

中國石油(北京)科技開發(fā)有限公司，宋泫明

中建國際設(shè)計顧問有限公司，李炳華/王明友/楊智勇/鄒政達(dá)