CN105241117A - 一种利用冷源的数据中心cchp供能系统及方法 - Google Patents

一种利用冷源的数据中心cchp供能系统及方法 Download PDF

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李亚军
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Abstract

本发明公开了一种利用冷源的数据中心CCHP供能系统及方法，包括与电网相连的数据中心；与天然气管网相连的原动机；与原动机相连的余热型溴化锂空调机组；与天然气管网相连的直燃型溴化锂空调机组；低温盘管、室外冷源利用装置；可满足数据中心的全年冷电负荷：发电机组全年开启，可确保数据中心核心设备的电力供应；数据中心夏季及过渡季的冷负荷主要由系统余热结合溴化锂空调机组供应，冬季冷负荷则利用室外冷源供冷子系统满足，冷热电联供系统还可回收利用废热向周边建筑供暖或提供生活热水。本发明不仅实现能源的梯级利用，还提高数据中心供能系统的可靠性，减少了对电网的依赖，符合国家建设绿色数据中心的要求，节能减排效益显著。

Description

一种利用冷源的数据中心CCHP供能系统及方法
技术领域
本发明涉及数据中心的供能系统，尤其涉及一种利用冷源的数据中心CCHP(冷热电联供)供能系统及方法。
背景技术
随着信息技术的快速进步，信息化对社会的影响越来越大，已然成为社会未来发展的大方向。为了满足逐年增加的信息网络服务用户需求，增强公共服务能力，同时保障国家、社会信息数据的安全，各电信企业大规模建设信息数据中心；且数据中心不再是独立机楼，而将逐渐发展成大型信息产业园。近年来世界范围内信息数据中心呈现出爆发式增长，世界各国信息中心总个数已高达300多万，由于信息数据中心的设备密度大，高能耗备受企业及政府关注，其耗电量约占全球总耗电量的1.5％～2％，而且仍以12％的增速在逐年增长。数据中心在消耗惊人电量的同时，还会产生大量的碳排放。自2008年以来，全球数据中心每年都产生大约8000万吨二氧化碳；预计至2020年，全球数据中心的碳排放将达到3.4亿吨。2015年初国家工信部联合其他部委，提出了建设绿色数据中心的要求，尽量提升信息数据中心的能源利用效率，降低碳排放，发展可再生能源。
除了能耗和环保问题外，电力安全对信息数据中心的正常运行尤为重要，电力一旦出现故障，将可能给社会公共生活和经济带来无法估量的损失。电网再可靠，也有其脆弱的一面，无法保证不出现任何意外，如2003年北美洲出现大面积停电，2008年我国南方雪灾导致大范围断电等，都使当地失去电力供应，严重影响了正常的社会和经济秩序，造成了巨大的损失。目前我国95％左右的电力都靠大电网远程输送，使电力需求密集的负荷中心的供电安全令人堪忧，尤其是信息数据中心这种对电力安全要求特别高的建筑，其用能的安全性、可靠性受到电网的较大制约。
对于数据中心，除电力安全和其可靠性至关重要外，数据中心内大量计算机和电子设备不间断运行产生巨大的热量，为了保证数据中心的正常运转，一定要将其热量及时排出。由于设备全年运行，工艺性冷负荷恒定，数据中心空调系统的制冷能耗占到总能耗的40％左右，仅次于IT设备，因此数据中心不仅对电力系统安全可靠性的要求极高，对制冷的质与量也有较高的要求。
供电安全，耗电量、制冷量、碳排放量大已成为目前信息数据中心面临的主要问题，传统供能方式已无法胜任大型绿色数据中心的用能需求，而冷热电联供系统(CCHP)正是实现绿色安全的数据中心的有效途径。CCHP系统发电的同时利用余热制冷制热，不仅提供独立电源，保障系统能源安全，降低CO2排放，还使能源得以梯级利用，提高能源利用效率。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述数据中心存在的能耗和环保及用能可靠性问题，提供一种利用冷源的数据中心CCHP供能系统及方法。利用室外冷源供冷可以显著地减少数据中心空调系统的能耗。
本发明通过下述技术方案实现：
一种利用冷源的数据中心CCHP供能系统，包括：
与电网相连的数据中心；
与天然气管网相连的原动机a1；
与原动机a1相连的余热型溴化锂空调机组a2；
与天然气管网相连的直燃型溴化锂空调机组a3；
低温盘管a4、室外冷源利用装置a5；
所述余热型溴化锂空调机组a2和直燃型溴化锂空调机组a3的输出管路并联后连接在低温盘管a4的输入管路；所述低温盘管a4的输出管路分别连接余热型溴化锂空调机组a2和直燃型溴化锂空调机组a3的输入管路；
所述室外冷源利用装置a5连接数据中心；也可采用室内冷源利用装置，也或者室内与室内结合使用。
所述原动机a1包括一台或者多台燃气轮机、内燃发电机或者微燃机，其类型和台数根据数据中心具体的用电及用冷负荷而定。
所述余热型溴化锂空调机组a2包括一台或两台以上热水烟气机或蒸汽式机组。
所述室外冷源利用装置a5包括A风阀11、B风阀12、C风阀13、D风阀14、E风阀15、吸风机66、排风机88；
所述A风阀11、吸风机66、D风阀14依次串联在进风风路上，D风阀14连通数据中心；所述B风阀12和排风机88依次串联在出风风路上，所述C风阀13的一端连通低温盘管a4，C风阀13的另一端连通在吸风机66与D风阀14之间的风路上，排风机88连通数据中心；
所述E风阀15的一端连通在吸风机66与A风阀11之间的风路上，E风阀15的另一端连通在排风机88与B风阀12之间的风路上。
所述D风阀14与数据中心之间的风路上还串联有消声器99。
所述数据中心的用电负荷由电网和CCHP系统共同组成。
所述数据中心包括云计算中心、通信机房这类容纳了大量服务器、存储设备、网络设备等IT设备的建筑场所。
上述利用冷源的数据中心CCHP供能系统的供能方法如下：
气管网输入后分为两路：一路天然气供给原动机a1用于燃烧发电，也是最主要的部分。原动机a1产生的电能与网电一起输送到数据中心的建筑大楼，共同承担满足数据中心的用电负荷；另一路天然气则与直燃型溴化锂空调机组a3相连，用于制冷负荷高时的调峰补燃；
当极端情况冷负荷高时，依靠余热型溴化锂空调机组a2不能满足数据中心的冷负荷需求时，需要启用直燃型溴化锂空调机组a3，直燃型溴化锂空调机组a3产生的冷冻水与余热型溴化锂空调机组a2产生的冷冻水一起输送到低温盘管a4，由来自余热型溴化锂空调机组a2和直燃型溴化锂空调机组a3的冷冻水在低温盘管a4中与室外冷源利用装置a5的回风进行换热，冷冻水吸收热量，温度升高，同时低温盘管a4输出的回风则降至满足送风温度后经过消声器99送入数据中心(IT设备的建筑场所)；最后从低温盘管a4出来的回水循环返回到余热型溴化锂空调机组a2和直燃型溴化锂空调机组a3中。
1)冬季期间控制步骤
两台内燃发电机同时运行，A阀门1开启，B阀门2、C阀门3、D阀门4关闭，两台内燃发电机共同产生余热向周边地区供暖；A风阀11、B风阀12、D风阀14、E风阀15开启，C风阀13关闭，空调回风与室外新风混合降温达到送风温度要求后送回数据中心，利用室外冷源承担数据中心全部冷负荷；
2)夏季期间控制步骤
两台内燃发电机同时运行，A阀门1关闭，B阀门2、C阀门3、D阀门4开启，两台内燃发电机共同产生余热和补燃的热量用于生产冷冻水，满足数据中心的全部冷负荷需求；A风阀11、B风阀12、D风阀14关闭，C风阀13、E风阀15开启，构成全回风；
3)过渡季期间控制步骤
一台内燃发电机单独运行，另一台内燃发电机停止，B阀门2和D阀门4开启，A阀门1和C阀门3关闭；(相应的，若另一组内燃发电机单独运行，C阀门3和D阀门4开启；A阀门1和B阀门2关闭)；A风阀11、B风阀12、C风阀13、E风阀15全部开启，D风阀14关闭；此时余热型溴化锂空调机组a2内的其中一台热水烟气机以及直燃型溴化锂空调机组a3产生冷冻水，同时利用室外的新风制冷。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
1、从能耗方面分析，冷热电联供系统实现供热、制冷及发电的有机结合。基于能源梯级利用的原则，将高品质热能用于发电，低品质热能回收用于供热或制冷，能源利用率可达70％以上，实现节省一次能源的目的。另外，利用室外冷源供冷的COP值为传统电制冷方式的2.5倍以上。同时，由于冷热电联供系统是以清洁能源天然气作为一次能源，结合高效用能方式，有着显著的减排效果，而节能减排正是绿色数据中心加大力度建设的方向。
2、从能源供应安全性方面考虑，新的供能系统采用利用室外冷源的数据中心CCHP供能系统，即以原动机供电为主、市电为辅，使得电力供应不再单一，能够有效地减低目前数据中心用能系统对大电网的依靠程度，从而提高数据中心运行的安全性和可靠性。
综上所述，本发明可满足数据中心的全年冷电负荷：发电机组全年开启，可确保数据中心核心设备的电力供应；数据中心夏季及过渡季的冷负荷主要由系统余热结合溴化锂空调机组供应，冬季冷负荷则利用室外冷源供冷子系统满足，冷热电联供系统还可回收利用废热向周边建筑供暖或提供生活热水。本发明不仅实现能源的梯级利用，还提高数据中心供能系统的可靠性，减少了对电网的依赖，符合国家建设绿色数据中心的要求，节能减排效益显著。
附图说明
图1为利用室外冷源的数据中心CCHP供能系统示意图。
图2为实施例的利用室外冷源的数据中心CCHP供能系统示意图。
具体实施方式
下面结合如图1、2，具体对本发明作进一步具体详细描述。
北方地区某数据中心，总建筑面积为1812m2。该数据中心有主机房、UPS机房、监控室、休息室和洗手间等功能区，计算机房和UPS机房的设备全年365天不间断运行，数据中心全年用电十分平稳，总用电负荷为1545.84kW，单位面积用电负荷为853.11W/m2。数据中心全年空调制冷的运行时间划分为三个季度：其中冬季时间为每年的11月21日至下一年的3月7日，共2568小时，数据中心的冷负荷为1475.82kW；夏季为每年的4月12日至10月21日，共4632小时，数据中心的冷负荷为1511.46kW；过渡季为每年的3月8日至4月11日和10月22日至11月20日，共1560小时，数据中心的冷负荷为1489.90kW。
图2所示。以保证数据中心的电、冷负荷为前提，同时综合考虑冷热电联供系统运行的可靠性和灵活性，利用原动机，选用2台500kW燃气内燃机，对应的余热型溴化锂空调机组选用2台热水烟气机，直燃型溴化锂空调机组选用1台直燃机。
内燃机发电机为500kW的天然气发电机组，其主要技术参数如表1所示。
表1内燃机发电机组主要技术参数
余热型溴化锂空调机组a2和直燃型溴化锂空调机组a3选用2台热水烟气机(最大制冷量为1744kW)，和1台直燃机(额定制冷量为349kW)。表2和表3分别列出了热水烟气机和直燃机的具体技术参数。
表2热水烟气机主要技术参数
(注：缸套水供热需额外的板式换热器，换热效率取0.95)
表3直燃机主要技术参数
如图2所示，天然气管网输入后分为两路。一路天然气供给2台500kW的内燃发电机用于燃烧发电，这是供能系统中最主要的部分，消耗天然气291Nm3/h。原动机产生的电能与网电一起输送到数据中心的建筑大楼，共同承担满足数据中心的用电负荷，即以2台内燃发电机发电为主，共1000kW，占数据中心65％的用电负荷；市电为辅，提供其余35％的用电负荷。另一路天然气则与直燃机相连，这部分天然气的用途是调峰补燃。
天然气在内燃发电机中燃烧发电，这过程产生的大量余热，通过500℃高温烟气和90℃缸套水这两种媒介继续输入到2台余热型溴化锂空调机组a2的热水烟气机中。2台热水烟气机利用这部分余热产生冷冻水后输出，共回收余热1078kW，制冷1249.58kW。这一过程实现了能量的梯级利用，将燃烧天然气的高品质热能用于发电，将高温烟气和缸套水中低品质热能回收用于制冷。
所述热水烟气机，也可采用蒸汽式机组替换，替换的类型可以是多种，需要与原动机a1匹配，同时可根据实际情况使用多台。
当依靠热水烟气机不能满足数据中心的冷负荷需求时，就需要启用直燃机进行补充，直燃机产生的冷冻水与2台热水烟气机产生的冷冻水一起输送到低温盘管a4。
冷冻水在低温盘管a4中与空调系统的回风进行换热，冷冻水吸收热量，温度升高，同时回风则降温至送风温度要求后送入数据中心；最后从低温盘管a4出来的回水循环返回到热水烟气机和直燃机中。
利用室外冷源供冷显著地减少数据中心空调系统的能耗，具体采用直接引入新风制冷的方式，可通过如下方法实施：
1)冬季期间
冬季期间，室外温度大部分低于送风温度16℃，制冷效果最好，启用室外冷源利用装置a5可以承担数据中心全部的冷负荷1475.82kW，即开启室外冷源利用装置a5的送风装置后，排风机88将部分温度较高的回风26℃左右排出室外，同时吸风机66将室外冷风(低于16℃)引入数据中心内部，这过程首先需要经过空气过滤装置的处理，然后直接或者与回风混合，达到送风条件(14～16℃)后再送入到机房，降低内部环境温度，最后得到制冷的效果。此时直燃机处于停机状态，但数据中心是以内燃发电机供电为主，所以内燃发电机的供气保持不变，而内燃发电机产生的高温烟气和缸套水输入到热水烟气机后，则不再用于生产冷冻水，改为生产采暖水，为周边建筑供暖1011kW，累计供热量可达2595888kW·h。
两台内燃发电机同时运行，A阀门1开启，B阀门2、C阀门3、D阀门4关闭，两台内燃发电机共同产生余热向周边地区供暖；A风阀11、B风阀12、D风阀14、E风阀15开启，C风阀13关闭，空调回风与室外新风混合降温达到送风温度要求后送回数据中心，利用室外冷源承担数据中心全部冷负荷；
2)夏季期间
夏季期间，室外温度大部分高于数据中心室内温度24℃，不适宜利用室外冷源供冷。所以室外冷源利用装置a5关闭，两路天然气均正常供气，数据中心1511.46kW的冷负荷全部由2台热水烟气机和1台直燃机提供。其中2台热水烟气机制冷1249.58kW，回收余热1078kW；直燃机制冷261.88kW，补燃每小时消耗天然气20Nm3。2台热水烟气机和1台直燃机产生的冷冻水一起输送到低温盘管a4。
冷冻水在低温盘管a4中与空调系统的回风进行换热，冷冻水吸收热量，温度升高，同时回风则降至送风温度后送入数据中心。最后从低温盘管a4出来的回水重新送回到热水烟气机和直燃机中。
两台内燃发电机同时运行，A阀门1关闭，B阀门2、C阀门3、D阀门4开启，两台内燃发电机共同产生余热和补燃的热量用于生产冷冻水，满足数据中心的全部冷负荷需求；A风阀11、B风阀12、D风阀14关闭，C风阀13、E风阀15开启，构成全回风；
3)过渡季期间
过渡季期间，室外温度大部分介于送风温度16℃和数据中心室内温度24℃之间，此时室外冷源仍由较大的利用潜力。开启室外冷源利用装置a5能承担数据中心的部分冷负荷，如果2内燃发电机同时运行，则产生的余热会有部分被浪费。所以，数据中心CCHP供能系统采取一台内燃发电机单独运行的模式，另一台内燃发电机可以进行设备维护。即供冷情况为采用新风制冷689.9kW，单台热水烟气机制冷624.79kW。冷负荷不足部分同样通过补燃解决，直燃机制冷175.21kW，消耗天然气14Nm3/h。空调系统的回风与室外新风混合后，温度有所降低；温度较低的回风经过低温盘管的进一步降温；最后达到送风要求的回风可以送入数据中心大楼。而数据中心的用电供应会发生变化，即32％的电负荷由CCHP系统提供，电网需承担其余的68％。
一台内燃发电机单独运行，另一台内燃发电机停止，B阀门2和D阀门4开启，A阀门1和C阀门3关闭；(相应的，若另一组内燃发电机单独运行，C阀门3和D阀门4开启，A阀门1和B阀门2关闭)A风阀11、B风阀12、C风阀13、E风阀15全部开启，D风阀14关闭，此时余热型溴化锂空调机组a2内的其中一台热水烟气机以及直燃型溴化锂空调机组a3产生冷冻水，同时利用室外的新风制冷。
为了更好的体现实施例的节能减排效益，可与传统的供能系统作比较。满足数据中心终端冷、热、电负荷的需求，传统的供能系统如下：数据中心的用电负荷完全由电网承担，冷负荷也依靠网电制冷的方式满足，电制冷COP为3。另外考虑到在冬季，CCHP系统还能向周边地区供热，这部分可与传统的燃气锅炉房作比较，锅炉房的供热效率可取0.9。冷热电联供系统与传统供能系统的能效和碳排放结果如表7所示。
表7能效和碳排放结果比较
(注意：标准煤折算系数，天然气为1.17kgce/m3，华北地区网电为0.33kgce/m3。碳排放因子，天然气为2.063kg/Nm3，华北地区网电为1.0302t/MW·h。)
从表7可知，在能效方面，满足相同的冷热电等能源需求时，采用传统供能系统的能源利用率仅有57.35％，而采用CCHP系统的能源利用率可达到74.04％，能效提升16.69％，每年可节省标准煤1413吨，节省能耗费用342万元。在碳排放方面，每年CO2排放量从常规方式的19078吨降低至11261吨，减排CO27817吨，减排幅度达40.97％。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用冷源的数据中心CCHP供能系统，其特征在于包括：
与电网相连的数据中心；
与天然气管网相连的原动机(a1)；
与原动机(a1)相连的余热型溴化锂空调机组(a2)；
与天然气管网相连的直燃型溴化锂空调机组(a3)；
低温盘管(a4)、室外冷源利用装置(a5)；
所述余热型溴化锂空调机组(a2)和直燃型溴化锂空调机组(a3)的输出管路并联后连接在低温盘管(a4)的输入管路；所述低温盘管(a4)的输出管路分别连接余热型溴化锂空调机组(a2)和直燃型溴化锂空调机组(a3)的输入管路。
2.根据权利要求1所述利用冷源的数据中心CCHP供能系统，其特征在于：所述冷源包括室内或室外冷源利用装置(a5)；所述室外冷源利用装置(a5)连接数据中心；原动机(a1)包括一台或者多台燃气轮机、内燃发电机或者微燃机。
3.根据权利要求1所述利用冷源的数据中心CCHP供能系统，其特征在于：所述余热型溴化锂空调机组(a2)包括一台或两台以上热水烟气机或蒸汽式机组。
4.根据权利要求1至3中任一项所述利用冷源的数据中心CCHP供能系统，其特征在于：所述室外冷源利用装置(a5)包括A风阀(11)、B风阀(12)、C风阀(13)、D风阀(14)、E风阀(15)、吸风机(66)、排风机(88)；
所述A风阀(11)、吸风机(66)、D风阀(14)依次串联在进风风路上，D风阀(14)连通数据中心；所述B风阀(12)和排风机(88)依次串联在出风风路上，所述C风阀(13)的一端连通低温盘管(a4)，C风阀(13)的另一端连通在吸风机(66)与D风阀(14)之间的风路上，排风机(88)连通数据中心；
所述E风阀(15)的一端连通在吸风机(66)与A风阀(11)之间的风路上，E风阀(15)的另一端连通在排风机(88)与B风阀(12)之间的风路上。
5.根据权利要求4所述利用冷源的数据中心CCHP供能系统，其特征在于：所述D风阀(14)与数据中心之间的风路上还串联有消声器(99)。
6.根据权利要求4所述利用冷源的数据中心CCHP供能系统，其特征在于：所述数据中心的用电负荷由电网和CCHP系统共同组成。
7.根据权利要求4所述利用冷源的数据中心CCHP供能系统，其特征在于：所述数据中心包括容纳了服务器、存储设备、网络设备的建筑场所。
8.根据权利要求1至7中任一项所述利用冷源的数据中心CCHP供能系统的供能方法，其特征在于包括如下步骤：
气管网输入后分为两路：一路天然气供给原动机(a1)用于燃烧发电，原动机(a1)产生的电能与网电一起输送到数据中心，共同承担数据中心的用电负荷；另一路天然气则与直燃型溴化锂空调机组(a3)相连，用于制冷负荷高时的调峰补燃；
当冷负荷高时，余热型溴化锂空调机组(a2)不能满足数据中心的冷负荷需求时，启用直燃型溴化锂空调机组(a3)，直燃型溴化锂空调机组(a3)产生的冷冻水与余热型溴化锂空调机组(a2)产生的冷冻水一起输送到低温盘管(a4)，由来自余热型溴化锂空调机组(a2)和直燃型溴化锂空调机组(a3)的冷冻水在低温盘管(a4)中与室外冷源利用装置(a5)的回风进行换热，冷冻水吸收热量，温度升高，同时低温盘管(a4)输出的回风则降至满足送风温度后经过消声器(99)送入数据中心；最后从低温盘管(a4)出来的回水循环返回到余热型溴化锂空调机组(a2)和直燃型溴化锂空调机组(a3)中。
9.根据权利要求8所述利用冷源的数据中心CCHP供能系统的供能方法，其特征在于还包括包括如下步骤：
1)冬季期间控制步骤
两台内燃发电机同时运行，A阀门(1)开启，B阀门(2)、C阀门(3)、D阀门(4)关闭，两台内燃发电机共同产生余热向周边供暖；A风阀(11)、B风阀(12)、D风阀(14)、E风阀(15)开启，C风阀(13)关闭，空调回风与室外新风混合降温达到送风温度要求后送回数据中心，利用室外冷源承担数据中心全部冷负荷；
2)夏季期间控制步骤
两台内燃发电机同时运行，A阀门(1)关闭，B阀门(2)、C阀门(3)、D阀门(4)开启，两台内燃发电机共同产生余热和补燃的热量用于生产冷冻水，满足数据中心的全部冷负荷需求；A风阀(11)、B风阀(12)、D风阀(14)关闭，C风阀(13)、E风阀(15)开启，构成全回风；
3)过渡季期间控制步骤
一台内燃发电机单独运行，另一台内燃发电机停止，B阀门(2)和D阀门(4)开启，A阀门(1)和C阀门(3)关闭；A风阀(11)、B风阀(12)、C风阀(13)、E风阀(15)全部开启，D风阀(14)关闭；此时余热型溴化锂空调机组(a2)内的其中一台热水烟气机以及直燃型溴化锂空调机组(a3)产生冷冻水，同时利用室外的新风制冷。
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Application publication date: 20160113