简介冷热电三联供在数据中心的应用
中国移动上海传输动力维护中心沈嘉琪黄赟
引言
随着电讯业务的发展，数据中心的业务量迅速增加。
为保证数据中心设备正常安全的运行，环境因素是不可或缺的。
对环境影响最直接就是通信行业的供电系统以及制冷系统。
在建立数据中心初期，考虑到通信行业稳定运营带来的业务高可靠性，在其配套动力系统上投入的成本很高。
冷热电三联供系统作为分布式能源的一种衍生形式，成为控制通信行业能源运营成本，同时成为通信行业数据中心供电可靠性和制冷需求的良好方案之一。
1冷热电三联供系统用于数据中心的优势
冷热电三联供系统是将制冷、供热（采暖和供热水）、发电三者合而为一的设施。
通过发电机充分燃烧燃料输出电力（例如：天然气），同时采用吸收式制冷机组回收发电机排放蒸汽和余热，成为较为环保地转为电能、热能的一种能源利用方式。
1.1减少通信行业运营成本
由于数据中心需要非常高的用电量，为了数据中心稳定安全的运行，运营商需要花费高昂的电力运营成本；而采用了吸收制冷的冷热电三联供系统可以在数据中心现场输出比市电更便宜的电力能源（获取城市天然气或其他清洁能源补贴）；另外，发电机的余热可以驱动吸收制冷机组从而替代普通空调系统，通过降低运营成本为运营商创造经济价值。
1.2提升通信系统运行稳定性
数据中心要求高质量和高稳定度的不间断电源。
特别是，在数据中心运营高峰时期，发生诸如停电或供电失误，将直接造成巨大的经济损失。
尤其是在各项电源输出特性参数比较上，冷热电三联供系统采用的燃气轮机发电机组相对于通信行业传统的应急备用发电机组（外网市电中断时启用）更加地稳定可靠。
随着冷热电三联供系统稳定性的提高，运营商可以在设计阶段减少通常为优质安全的电源系统设计的电池备份数量，从而减少投资成本。
1.3利于通信设备扩容
燃气轮机发电机组现场发电的模式，在扩容和新设施设计方面给数据中心运营商很大便利。
这主要体现在：通过增加新设备升级旧的数据中心，往往外网市电可能在短期内无法满足新增设备大-168-
量的供电需求；通过增加一套冷热电三联供系统，不仅以提供持续不间断的电力，而且它对于数据中心的扩容在时间上可能比起通过依托申请现有公用电网设施更快捷一些。
这种模式下，数据中心运行商最大限度地减少外网市电的电力需求与依赖，同时也减少了新建或扩建设备所需额外的外网市电基础设施需求和相关支出成本。
1.4减少空气污染物排放
虽然，数据中心本身的空气污染物排放量很低，但是如果其采用传统集中式供电模式下却产生大量的影响环境的污染物。
冷热电三联供系统作为分布式能源的一种衍生模式，通过提高效率和清洁技术的使用，有效减少标准空气污染物，包括：一氧化碳，氮氧化物和二氧化硫等排放量。
因为，冷热电三联供系统燃料使用效率的提高，使得配套设施在同等条件下消耗更低的化石能源，从而减少温室气体的排放总量。
2 冷热电三联供系统在数据中心的应用
数据中心能源利用率比一般的商业楼宇要高（215-1075瓦/平方米），同时数据中心需要大量的电能而且消耗在通信设备上的电能大多转化为热量。
其中，最常见的冷热电三联供系统配置设备是吸收制冷机组。
从数据中心现场燃气轮机发电机组回收的余热以蒸汽或热水的形式被吸收式制冷机利用，一般高温热水接近或超过沸点就可驱动单效或双效吸收式制冷机。
通常，数据中心通过输配冷冻水至通信机房空调系统来调节机房环境温湿度，也可以直接将冷冻水输送到目前新颖的水冷机架来达到制冷效果。
当前，各类尖端的技术已成功地用于燃料电池，往复式发动机，燃气轮机和微型燃气轮机，它们也可有机整合，联合运作成为冷热电三联供系统。
2.1吸收式制冷工作原理
通常压缩式制冷循环是以消耗电能作为能量的补偿，而吸收式制冷循环则以消耗热能作为能量的补偿过程。
吸收式制冷机和蒸汽压缩式制冷机都是利用制冷剂的汽化潜热制取冷量的。
如图1所示。
其共同点是高压制冷剂蒸气在冷凝器中冷凝后，经节流机构节流降压，再进入蒸发器，在低压下液态制冷剂气化，从而达到制冷的目的。
在吸收式制冷循环中，冷凝器、蒸发器和节流阀的作用与压缩式制冷循环基本相同，只是能量补偿部分的设备改变了，能量补偿部分的设备由发生器、吸收器、减压阀和溶液泵组成。
图1 吸收式制冷机工作原理
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吸收式制冷循环就是利用热能制取冷量的制冷循环，吸收式制冷和蒸汽压缩式制冷一样，都是利用液体在汽化时要吸收汽化潜热这一物理特性来实现制冷。
所不同的是蒸气压缩式制冷是靠消耗机械功或电能，使热量从低温热源转移到高温热源，吸收式制冷则是靠消耗热能来完成这种非自发过程的。
吸收式制冷可以利用低温热源制取冷量，因此它特别适用于有余热可供利用的场合，因此，吸收式制冷机组在发电厂等场合得到广泛运用。
2.2吸收式制冷机组特点
(1) 无原动力，直接使用热原理，因此机器坚固亦无震动，少噪音，能安装于任何地点，从地室
一直到屋顶均可。
(2) 以水为制冷剂，获得容易，安全性高。
(3) 可直接利用热源，它可利用低压蒸汽、热水，甚至废汽、废热，耗电极少，只相当于同容量
离心式机的2%--9%。
(4) 变负荷容易，调节范围广(能在10%--100%范围内调节制冷量) 。
(5) 结构简单，运行方便。
2.3冷热电三联供案例分析
美国高通公司，是一家对环境管理有强烈责任的无线技术创新公司。
至1993年以来，高通已经完成了超过130个项目旨在提高能源效率项目和有针对性的减少温室气体的排放量。
公司在加州圣地亚哥拥有和运营2个热电联产项目。
高通至1995以来一直运行“P” 冷热电三联供厂。
“P” 冷热电三联供支持超过200多万平方英尺校园，其中包括高通的总部，演讲厅，餐厅，医疗中心，工程和研究办公室，实验室，数据中心，网络运营中心，卫星通讯枢纽，原型制造和三个停车库。
1995年，高通公司安装了一个2.4兆瓦的燃气轮机冷热电三联供系统，由三个800千瓦Saturn涡轮发电机组成。
800千瓦发电机组依靠天然气运行，如果天然气供应被中断，可以切换到储备的飞机燃料继续运行发电模式。
发电机余热被送到热回收机组，来生产蒸汽和热水用于驱动吸收式冷水机组。
在原燃气机组的基础上，在2005年开始校园扩建，高通增加了对冷热电三联供系统的依赖。
作为一部分扩张，高通增加了4.5兆瓦Solar Mercury 50燃气轮机和broad 1400吨吸收式制冷机，以支持日益增加现场供电需求和冷却需求。
“P”热电联产电厂可以节省50万美元每年营运成本。
通过热回收机组的热水供应设施每年节省额外100000美元。
现场发电还可以减少电力需求实用超过1400万千瓦时每年，又节约122000元。
冷热电三联供每年总计节约为775,000美元。
图2为冷热电三联供系统的效率以及排放量。
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-171-图2 热电联产系统与公用电网效率和排放比较
2007，高通第二个冷热电三联供系统安装，为“W”的热电厂，以支持新的一万平方英尺校园，由另一个数据中心，工程办公室，实验室，试验楼，自助餐厅，和停车场组成。
LEED金奖认证的校园需的电能求为8兆瓦，12000平方英尺的数据中心的应急电能需求为4MW。
系统包括带有余热回收锅炉第二个Solar Mercury50燃气轮机。
该系统可提供给建筑高达4.5兆瓦电能，并且机组余热产生的热水驱动1200冷吨特灵吸收式制冷机，为数据中心和建设供冷。
系统向校园建筑提供约85%电力和制冷负荷，明显的降低了二氧化碳（CO 2）和氮氧化物（NO x）排放。
总结
当冷热电三联供系统作为数据中心主用供电时，还不能完全替代UPS系统。
因为，冷热电三联供系统的正常运作是在能源供应的保障前提下的，若出现天然气等清洁能源供应问题，直接导致数据中心需求的冷负荷无法满足，可能会造成重大损失。
因此，还需加装传统电空调作为备用制冷机组，当冷热电三联供系统无法工作时，由外网市电来提供相应的电能，所以工作模式恢复至原来状态。
此外，设计系统时，需要为燃气轮机发电机组的设计专门机房空间，相应的清洁能源供应管道以及燃气轮机发电机组进、排气管路等等。
因此，在项目总投入方面会有较大的支出。
冷热电三联供系统相对较小的规模，有利于在通信楼宇里安装。
随着冷热电三联供技术的成熟，在燃气资源丰富的地区，数据中心使用冷热电三联供模式必将是有利成本节约、能源节省和环境保护的。
