1、引言

冷热电三联供(CcHP)系统是一种建立在能量梯级利用概念基础上，将供热(采暖和供热水)，制冷及发电过程有机结合在一起的总能系统。三联供属于分布式能源的主要形式之一。由于分布式能源可将能源效率提高80%以上，对环境负面影响小，有利于局部电网安全，对天然气和电网有削峰填谷的作用，因此很多发达国家将其作为国家能源体系的重要组成部分。从经济性考虑，燃气三联供系统更适合于冷热电负荷相对稳定、常年需要供冷或者供热的项目。而数据中心用电、和用冷负荷波动小，常年需要供冷，符合三联供系统的功能特点。本文以某数据中心为例，针对三联供系统在A级数据中心的应用中的相关问题进行探讨。

2、冷热电三联供(CCHP)应用概况

分布式能源(Distributed Energy System)是相对于传统的集中供电方式而言，是指将冷热电系统以小规模、小容量(几kW至50Mw)、模块化、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出冷、热、电能的系统。具有靠近用户、梯级利用、一次能源利用效率高，环境友好、能源供应安全可靠等特点，受到各国政府，企业界的广泛关注和青睐。其中燃气冷热电三联供因其技术成熟、建设简单，投资相对较低和经济上有竞争力的优势，已经在国际上得到了迅速地推广。

燃气冷热电三联供，即CCHP(Combined Cooling，Heating and Power)，是指以天然气为主要燃料带动燃气轮机或内燃机等燃气发电设备而产生电力以满足用户的电力需求;系统排出的废热通过余热回收利用设备(如余热锅炉或余热直燃机等)向用户冬季供暖;夏季通过驱动吸收式制冷机供冷;同时还可提供生活热水，充分利用了排气的热量。经过能源的梯级利用使一次能源利用效率从常规发电系统的40%左右提高到80%左右，大量节省了一次能源。

由于天然气分布式能源可以达到很高的能量利用效率，所以在国外发展非常迅速。从上个世纪70年代末期开始发展，到现在美国已经有6000多座分布式能源站，仅大学校园就有200多个。英国只有5000多万人口，但是分布式能源站就有1000多座。英国女王的白金汉宫、首相的唐宁街10号官邸，都采用了燃气轮机分布式能源站。目前丹麦没有一个火电厂不供热，也没有一个供热锅炉房不发电，将冷、热、电分别生产变为高科技的冷、热、电联产，使科学技术变成生产力。20多年来，丹麦国民生产总值翻了一番，但能源消耗却未增加，环境污染也未加剧。日本由于资源比较缺乏，所以对三联供研究十分重视。目前，日本三联供系统是仅次于燃气、电力的第三大公用事业，到2000年底已建冷热电三联供系统1413个，平均容量477kw，广泛应用于医院、办公楼、宾馆及其他一些综合设施中，进行区域冷热电供应。【1】

小型燃气冷热电三联供的应用在我国尚处于起步阶段，而且主要集中在上海、北京、广州等地。北京燃气集团指挥监控中心、北京清华科技园A一02(文津国际公寓)三联供能源站、北京会议中心9号楼、北京火车南站三联供能源供应站，蟹岛生态园区冷热电三联供能源中心、上海浦东机场、上海舒雅健康休闲中心、广东铝业集团、成都深兰绿色能源站、广州大学城等多项冷热电三联供工程已建成投产。其中广州大学城能源站为我国目前最大的三联供项目，是广州大学城配套建设项目，为广州大学城一期18万m2区域内的10所大学提供冷、热、电能三联供;是目前全国最大的分布式能源站，规划容量为4×78Mw。现在已向广州大学城内的10大学及周围用户20万人提供全部生活热水、空调冷冻水和部分电力【2】。目前.我同分布式能源装机;筝量达到500万kW。据能源局规划，到2020年，在大中以上城市推广使用分布式能源系统，装机容量达到5000万kW，并拟建设10个左右各类典型特征的分布式能源示范区城。分布式能源发电容量占中国总电力装机容量的比例将从目前的不到1%增加到3%，年均增迷23%。【3】

3、数据中心概况

拟建数据中心符合我国A级数据中心的标准，总建筑面积为49万m2.设置4500台机柜.机柜发热最按照3.6kw/台设计，机房面积和辅助区面积均为20250m2.公摊医面积8500m2。

采用eQuest软件对数据中心进行负荷模拟计算和分析，得出数据中心的冷热电负荷，作为空调和发电机的选型依据。

3.1用电负荷

数据中心用电逐时负荷和垒年耗电量如图1、表1所示。

最大用电负荷出现在7月份，最大负荷248089kw;全年耗电盐为207 28MkWh。

3.2数据中心冷热负荷

数据中心逐时冷、热负荷如图2，图3所示

数据中心的逐时需冷量模拟

从图2、图3可以看出：最大用冷出现在6月份，最大负荷1767kW;最大用热出现在2月份，最大负荷244.82kW。数据中心全年总需净量147862385.3k Wh，数据中心全年总需热量219480.05kwh。

4、用电要求和系统设计

4.1数据中心的供电和空调要求

我国2008年颁布执行的Ⅸ电子信息系统机房设计规范》GB--50I 74对A级电子信息系统机房做了严格的技术要求，如表2所示。

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4.2供配电设计

A级数据中心供电要求存很高的可靠性，目前在我国还没有采用燃气发电机作为主用电源的相相关案例，为满足数据中心的供电可靠性需要做周密细致的配电设计。目前国家没有相关的并网发电政策，协调并网发电难以实现，因此，数据中心的三联供系统只能以独立运行方式，即发电机以孤岛运行模式工作。

4.2.1燃气三联供作为主电源可靠性分析

对可靠性要求很高的A级数据机房来说，市电网络与三联供电站可靠性分析如表3所示。

4.2.2燃气三联供的使用条件

根据本工程的特点，供电可靠性、安全性位于首位，只有这样才能应用三联供技术。从上面分析可以得出三联供在本工程的使用条件。

(1)一次能源要稳定、充足，价格要适中。很幸运，建设单位是天然气的生产、供应单位，有两路、甚至三路天然气供应。气源产地不同，天然气管路也分开，天然气可以保证稳定和充足，天然气的价格也较合理。

(2)关键设备CCHP要可靠、高效。此问题在设备招标时要严加把控。目前国际上有些高质量的CCHP发电机组能满足这项要求。

(3)要有高水平的运行、维护人员。系统运行和维护的水平关系到平均无故障时间这一参数，其直接影响到可靠性指标。

近30年的奥运会和世界杯足球赛的经验表明，满足上述三个条件，重大国际比赛能采用独立的发电机组作为赛事重要用电负荷的主电源，市电作为备用。因此，本工程具备使用独立的发电系统条件，即采用冷热电三联供系统。

4.2.3供配电系统

综上所述，本数据中心的供配电系统框图如图4所示。

由于数据中心用电量大于制冷量，发电机选用发电效率较高的燃气内燃机作为发电机组，CCHP为10kV机组。为保证数据中心的用电可靠性，发电机组分为两组，每组6台4300kw，设置在不同的地理位置作为物理分割，两路市电作为备用。每组发电机组可以做到4+2冗余，即一组内的一台发电机组如果在检修或保养时，另一台故障，剩余的同组内其他四台可以带同组内的全负荷;如果整组发电机出现故障，另一组发电机可以带起100%用电负荷，从而满足A级机房的两路同时供电的用电要求，保证数据中心机房用电可靠性。

4.3空调设计

4.3 .l数据中心空调流程

空调系统设计如图5所示。

本数据中心按照机房空调要求，空调系统采用2N配置.主用为烟气溴冷机，电制冷作为备用，末端采用全空气系统。机房内保持10Pa正压，机房内新风量保证每小时换气一次。其他监控宰、辅助眨和公摊区的业务管理及后勤用房变配电事，电梯机房等房间可采甩集中供冷供热方式，冷热源全部山三联供能源站集中提供.供冷系统包括电制冷机和吸收式冷温水机组.冷热源通过冷热水管道输送。

4.3.2空调系统卡要设备操作方式

(1)烟气热水型直燃机组当发电机运行时，首先利用发电机排出的余热作为烟气热水型暧收式机组的热源.提供垒年供冷所需冷冻水管烟道上装设三通调节阀.可根据末端冷负荷变化情况，调节进入直燃机的烟气量，当冷负荷较小时，部分烟气通过烟道直接排放到大气。另外从发电机出来的高温缸套水进入吸收式冷温水机组的低发，经换热从空调机组出来后如温度仍不能降低至发电机所要求的温度.可以进一步通过散热器对芄进行冷却。为保证在发电机组不工作或不能达到满负荷工作，即没有烟气余热可利用或烟气供应不足时.余热吸收式机组仍可以提供净负荷的供应，本项目余热机组选用带有燃烧机的全补燃型机组。另外在栗暖季当烟气冷凝换热器检修时，直燃机组还可以作为热源用于采暖供热。

(2)电制冷机组当市政管网燃气披切断时，电制冷机组作为备用投入运行，满足数据中心空调要求。

(3)冷却塔台烟气溴冷挣机和一台电制净机共用一台冷却塔.若烟道溴冷机工作，则冷却塔与烟冷机连接;若电制冷机工作，则冷却塔与电制冷机连接。冬季则利用冷却塔免费制冷，而烟气余热用于周围相邻地块供热，以提高CCHP的经济效益。

5、结论

1) 燃气三联供CCHP是冷、热、电三联供系统建立在能量的梯级利用概念基础上的，以天然气为一次能源，产生冷、热、电的朕产联供系统。提高了天然气能源利用率，太量节省了一次能源。数据中心负荷波动较小，用电和用冷量大，常年需要供冷，符合CCHP的运行特点，能够提高CCHP的经济性。

2)数据中心使用三联供，应以用电负荷的容量作为设计的依据。通过合理的设计，CCHP系统可满足A级数据机房的供电和供冷需要，保证数据中心用电和用冷的可靠性。

本文作者：

中国石油(北京)科技开发有限公司，宋泫明

中建国际设计顾问有限公司，李炳华/王明友/杨智勇/邹政达