0 引言
根據(jù)美國(guó)勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室2016年發(fā)布的《美國(guó)數(shù)據(jù)中心能源使用報(bào)告》，2014年美國(guó)數(shù)據(jù)中心的總用電量已達(dá)到700億kW·h，占美國(guó)總用電量的1.8%，2005年到2010年增加了近90%。面對(duì)這一嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)，美國(guó)在數(shù)據(jù)中心的節(jié)能方面做出了極大的努力，預(yù)計(jì)從2014年到2020年美國(guó)數(shù)據(jù)中心的用電量增幅可以控制在4%，即全年總用電量控制在730億kW·h。根據(jù)工業(yè)和信息化部、國(guó)家能源局、國(guó)家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局印發(fā)的《國(guó)家綠色數(shù)據(jù)中心試點(diǎn)工作方案》，我國(guó)數(shù)據(jù)中心年耗電量已超過(guò)全社會(huì)用電量的1.5%，2015年全社會(huì)用電量為55 500億kW·h，那么我國(guó)數(shù)據(jù)中心的年用電量應(yīng)該在832.5億kW·h左右，已經(jīng)超過(guò)美國(guó)數(shù)據(jù)中心的全年用電量，因此節(jié)能任務(wù)十分艱巨。
數(shù)據(jù)中心的特點(diǎn)為：全年不間斷運(yùn)行，電力負(fù)荷、冷負(fù)荷基本穩(wěn)定，用電量和用冷量超大。2013年2月13日工業(yè)和信息化部聯(lián)合國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、能源局等五部委出臺(tái)了《關(guān)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局的指導(dǎo)意見(jiàn)》（以下簡(jiǎn)稱《指導(dǎo)意見(jiàn)》），在《指導(dǎo)意見(jiàn)》中把數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模分為3類(lèi)：中小型數(shù)據(jù)中心（標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架數(shù)小于3 000個(gè)），大型數(shù)據(jù)中心（標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架數(shù)大于等于3 000個(gè)、小于10 000個(gè)之間）及超大型數(shù)據(jù)中心（標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架數(shù)大于等于10 000個(gè)）。按照YD/T 2542—2013《電信互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（IDC）總體技術(shù)要求》給出的數(shù)據(jù)中心平均運(yùn)行功率P劃分，單機(jī)架平均運(yùn)行功率，低密度為2 kW/架≤P＜3.5 kW/架，中密度為3.5 kW/架≤P≤8 kW/架，高密度為P＞8 kW/架。GB/T 32910.3—2016《數(shù)據(jù)中心 資源利用 第3部分：電能能效要求和測(cè)量方法》將國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心的能源效率EEUE（PUE）劃分為5級(jí)，分別為：1級(jí)（節(jié)能），1＜EEUE修正值≤1.6；2級(jí)（較節(jié)能），1.6＜EEUE修正值≤1.8；3級(jí)（合格），1.8＜EEUE修正值≤2；4級(jí)（較耗能），2＜EEUE修正值≤2.2；5級(jí)（高耗能），EEUE修正值＞2.2。
表1為按照上述分類(lèi)歸納的國(guó)內(nèi)不同類(lèi)型數(shù)據(jù)中心的耗電量范圍?？梢钥闯觯簩?duì)于大型數(shù)據(jù)中心，當(dāng)機(jī)架數(shù)為3 000個(gè)時(shí)，年耗電量最低為5 256萬(wàn)kW·h（小時(shí)耗電6 MW），最高超過(guò)4.63億kW·h（小時(shí)耗電52.8 MW）；當(dāng)機(jī)架數(shù)為10 000個(gè)時(shí)，年耗電量最低為1.752億kW·h（小時(shí)耗電20 MW），最高超過(guò)15.42億kW·h（小時(shí)耗電176 MW），目前國(guó)內(nèi)大數(shù)據(jù)中心電價(jià)按大工業(yè)用電收取，平均電價(jià)在0.51～0.91元/（kW·h）之間，即使荷載率在50%，數(shù)據(jù)中心僅僅電費(fèi)一項(xiàng)運(yùn)行費(fèi)用就十分驚人。
數(shù)據(jù)中心需要高可用性運(yùn)行，當(dāng)采用市電時(shí)，電力接入必須一用一備，用電需求成倍增加，因此對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)數(shù)據(jù)中心是用電超大用戶，很多城市或城區(qū)由于無(wú)法滿足其超高用電量而限制大型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)。為此，《指導(dǎo)意見(jiàn)》明確要求在同一城市不宜集中建設(shè)過(guò)多的超大型數(shù)據(jù)中心。
由于以下原因近年來(lái)已經(jīng)有越來(lái)越多的數(shù)據(jù)中心投資方、建設(shè)方開(kāi)始關(guān)注燃?xì)饫錈犭娙?lián)供（CCHP）系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用：1）節(jié)能減排的需要，國(guó)家近年來(lái)大力推廣燃?xì)釩CHP，即燃?xì)釩CHP系統(tǒng)的建設(shè)，出臺(tái)了一系列文件；2）非居民用天然氣的價(jià)格近年連續(xù)降價(jià)，國(guó)內(nèi)天然氣呈現(xiàn)供大于求狀況；3）多個(gè)市、區(qū)對(duì)建設(shè)大數(shù)據(jù)中心的用電量加以限制等。雖然國(guó)內(nèi)近年已有若干數(shù)據(jù)中心采用了燃?xì)釩CHP能源站為數(shù)據(jù)中心供電供冷，但是，目前大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心的投資方、建設(shè)方仍然對(duì)數(shù)據(jù)中心采用CCHP系統(tǒng)持懷疑態(tài)度，其主要原因是擔(dān)心CCHP系統(tǒng)缺乏可用性，經(jīng)濟(jì)性太差，顧慮地方政府對(duì)此不予支持，電網(wǎng)不允許并網(wǎng)且上網(wǎng)等，因此很有必要對(duì)CCHP系統(tǒng)是否適用于數(shù)據(jù)中心進(jìn)行深入探討和研究。
1 CCHP系統(tǒng)的可行性
1.1 政策支持
關(guān)于燃?xì)夥植际侥茉?，?guó)家近年出臺(tái)了一系列文件，規(guī)劃和推廣這一系統(tǒng)。2016年又有若干文件頒布，力促分布式能源和燃?xì)釩CHP的推廣和應(yīng)用。
2016年國(guó)家能源局研究制訂了《2016年能源工作指導(dǎo)意見(jiàn)》，其中提出了發(fā)布實(shí)施能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃、推動(dòng)出臺(tái)《關(guān)于深化石油天然氣體制改革的若干意見(jiàn)》、編制實(shí)施《京津冀能源協(xié)同發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》和《絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶能源發(fā)展規(guī)劃》、研究修訂《天然氣利用政策》、啟動(dòng)實(shí)施“互聯(lián)網(wǎng)＋”智慧能源行動(dòng)等。
2016年11月17日，國(guó)務(wù)院審議通過(guò)了根據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要制定的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，規(guī)劃要求：要深入推進(jìn)能源市場(chǎng)化改革，通過(guò)簡(jiǎn)政放權(quán)、放管結(jié)合、優(yōu)化服務(wù)和改革油氣礦權(quán)制度、理順電力輸配環(huán)節(jié)等，在深化能源國(guó)企改革的同時(shí)，積極支持民營(yíng)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入能源領(lǐng)域。完善鼓勵(lì)分布式能源發(fā)展的機(jī)制和政策，理順能源價(jià)格體系，還原能源商品屬性，充分發(fā)揮市場(chǎng)配置資源的決定性作用和更好發(fā)揮政府作用，構(gòu)建公平競(jìng)爭(zhēng)的能源市場(chǎng)體系。
2016年12月2日，國(guó)家能源局發(fā)布了《關(guān)于加快推進(jìn)天然氣利用的意見(jiàn)》（征求意見(jiàn)稿），提出了逐漸將天然氣培育為我國(guó)現(xiàn)代能源體系的主體能源，大力發(fā)展天然氣分布式能源，在大中城市的大型商業(yè)區(qū)及新型產(chǎn)業(yè)區(qū)加快發(fā)展天然氣分布式能源，在具有冷熱電需求的開(kāi)發(fā)區(qū)、工業(yè)聚集區(qū)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)、商業(yè)中心，全國(guó)一類(lèi)、二類(lèi)機(jī)場(chǎng)，交通樞紐以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心和醫(yī)院推廣建設(shè)天然氣CCHP項(xiàng)目。在管網(wǎng)未覆蓋區(qū)域開(kāi)展以LNG為氣源的分布式能源應(yīng)用試點(diǎn)。完善天然氣發(fā)電價(jià)格機(jī)制，細(xì)化完善天然氣分布式能源并網(wǎng)上網(wǎng)辦法，取消天然氣分布式項(xiàng)目的備用容量費(fèi)，其他行政性收費(fèi)參照光伏分布式能源項(xiàng)目執(zhí)行。完善配網(wǎng)價(jià)格，消除分布式直供的障礙。有序鼓勵(lì)在重慶市、江蘇省、上海市和河北省開(kāi)展天然氣體制改革試點(diǎn)，針對(duì)目前天然氣發(fā)展存在的問(wèn)題作出了具體的指示。
2016年12月15日，國(guó)務(wù)院發(fā)布了73號(hào)文件《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”國(guó)家信息化規(guī)劃的通知》（以下簡(jiǎn)稱《通知》）?！锻ㄖ分赋觯和茝V智能制造、綠色制造、能源互聯(lián)網(wǎng)、智慧物流等，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)一、二、三產(chǎn)業(yè)朝高端、智能、綠色的方向發(fā)展。積極推廣節(jié)能減排新技術(shù)在信息通信行業(yè)的應(yīng)用，加快推進(jìn)數(shù)據(jù)中心、基站等高耗能信息載體的綠色節(jié)能改造。到2018年，云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)原始創(chuàng)新能力顯著增強(qiáng)，新建大型云計(jì)算數(shù)據(jù)中心電能使用效率（PUE）值不高于1.5；到2020年，形成具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)體系，新建大型云計(jì)算數(shù)據(jù)中心PUE值不高于1.4。鑒于2015年國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心PUE平均水平僅為2.2，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)必須采取切實(shí)有效的節(jié)能措施方可達(dá)到，其中CCHP是一個(gè)重要舉措。
1.2 規(guī)模初成、技術(shù)可行
根據(jù)中國(guó)城市燃?xì)鈪f(xié)會(huì)分布式能源專(zhuān)業(yè)委員會(huì)組織編寫(xiě)的《天然氣分布式能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告2016》，截止到2015年底，我國(guó)天然氣分布式能源項(xiàng)目（單機(jī)規(guī)模≤50 MW，總裝機(jī)容量200 MW以下）總計(jì)288個(gè)，總裝機(jī)容量超過(guò)1 112萬(wàn)kW。天然氣分布式能源項(xiàng)目主要分布在上海、北京、長(zhǎng)沙、廣州、武漢等大中型城市，根據(jù)“十三五”規(guī)劃，到2020年底，全國(guó)將有一批天然氣分布式能源項(xiàng)目投入運(yùn)行，預(yù)計(jì)2020年各地規(guī)劃裝機(jī)容量將超過(guò)20 GW。
自2014年以來(lái)，燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)的理論研究、設(shè)計(jì)計(jì)算、配套設(shè)備、施工調(diào)試、運(yùn)行管理都逐漸走向成熟，并且形成了若干具備CCHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)能力的實(shí)體，為CCHP系統(tǒng)的可用性、經(jīng)濟(jì)性提供了保證。
1.3 經(jīng)濟(jì)性
CCHP系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性取決于初投資和運(yùn)行成本。
1.3.1 初投資
CCHP系統(tǒng)的初投資包括：1）土地費(fèi)用；2）土建費(fèi)用；3）內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)費(fèi)用；4）冷水系統(tǒng)費(fèi)用；5）水蓄冷系統(tǒng)費(fèi)用；6）脫硝費(fèi)用；7）通風(fēng)系統(tǒng)費(fèi)用；8）噪聲治理費(fèi)用；9）控制系統(tǒng)費(fèi)用；10）附屬設(shè)備費(fèi)用；11）燃?xì)饨尤胭M(fèi)用；12）備用市電接入費(fèi)用。
1.3.1.1 土建費(fèi)用
為數(shù)據(jù)中心配套的CCHP能源站需要獨(dú)立設(shè)置，與區(qū)域CCHP能源站不同，由于大型數(shù)據(jù)中心CCHP能源站的發(fā)電量一般在幾MW和幾十MW，為獲得更高的發(fā)電效率通常采用內(nèi)燃機(jī)，而不采用燃?xì)廨啓C(jī)＋余熱鍋爐＋汽輪機(jī)組合，所以占地面積相對(duì)要少，設(shè)計(jì)合理的話，可以做到1 m2/kW。各地提供給數(shù)據(jù)中心CCHP能源站用的土地價(jià)格差異懸殊，直接影響到數(shù)據(jù)中心的初投資，因此需要盡可能取得當(dāng)?shù)卣畬?duì)大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)的大力支持，在地價(jià)上獲得優(yōu)惠。CCHP能源站可視為工業(yè)廠房，建筑費(fèi)用可按《全國(guó)統(tǒng)一安裝工程預(yù)算定額》計(jì)算。
1.3.1.2 內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)和冷水系統(tǒng)費(fèi)用
數(shù)據(jù)中心CCHP系統(tǒng)所采用的主要設(shè)備具有以下特點(diǎn)：1）數(shù)據(jù)中心需要全年不間斷供電，且用電量極大，為了獲得更高的發(fā)電效率，燃機(jī)基本上采用發(fā)電效率很高的內(nèi)燃機(jī)，冷水機(jī)組則采用煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組；2）電制冷一般采用離心式冷水機(jī)組，如果數(shù)據(jù)中心不是滿負(fù)荷運(yùn)行，則一部分機(jī)組可以采用部分負(fù)荷下COP很高的磁懸浮離心式冷水機(jī)組；3）由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，進(jìn)口內(nèi)燃機(jī)的價(jià)格已經(jīng)從3 500～3 800元/kW降低到2 850～3 000元/kW，煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組的價(jià)格也明顯下降，降低到600元/kW左右。
為了提高數(shù)據(jù)中心的可用性，數(shù)據(jù)中心需要設(shè)置冗災(zāi)蓄冷水罐，在制冷機(jī)房冷水供給中斷的情況下可以供應(yīng)冷水15 min，以確保數(shù)據(jù)中心安全冷卻。計(jì)算蓄冷罐體積時(shí)，要考慮冷水管道內(nèi)所存儲(chǔ)的冷水量。為了便于長(zhǎng)距離運(yùn)輸，單個(gè)罐體的直徑不宜超過(guò)3.5 m，罐體的長(zhǎng)度不宜大于15 m，因此單個(gè)蓄冷水罐的體積不會(huì)超過(guò)150 m3。蓄冷水罐價(jià)格可以按0.9萬(wàn)元/m3估算。
由于內(nèi)燃機(jī)排放的煙氣氮氧化物濃度均超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值，因此CCHP能源站需要安裝脫硝系統(tǒng)，目前進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格高于國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，采用鐵基作為催化劑的國(guó)產(chǎn)脫硝系統(tǒng)各項(xiàng)性能參數(shù)可以滿足要求。內(nèi)燃機(jī)脫硝系統(tǒng)成本可以按30萬(wàn)元/kW估算。
以內(nèi)燃機(jī)作為燃機(jī)的CCHP能源站，燃?xì)馊紵蛙?chē)間降溫需要引入大量的室外空氣，其通風(fēng)系統(tǒng)和降噪系統(tǒng)需要正確設(shè)計(jì)計(jì)算，如果按照廠家目前提供的指標(biāo)，每MW的送排風(fēng)量高達(dá)6萬(wàn)m3/h，對(duì)CCHP系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性有較大影響。國(guó)內(nèi)消聲器的性能和價(jià)格差異明顯，每m消聲量應(yīng)以不低于Ａ聲級(jí)噪聲12 dB作為及格線，并以此對(duì)比不同公司產(chǎn)品的價(jià)格。
1.3.1.3 燃?xì)饨尤胭M(fèi)用
鑒于數(shù)據(jù)中心的超高可用性要求，CCHP能源站的燃?xì)夤┙o要求做到一用一備，一般要求主供和備用的燃?xì)庠醋圆煌墓庹?，?dāng)條件受限時(shí)，有的燃?xì)夤静捎弥鞴樘烊粴狻溆脼橐夯瘹夤薜姆桨浮?/p>
燃?xì)饨尤胭M(fèi)用包括：1）初裝費(fèi)，一般按年均日用氣量200元/m3計(jì)算。2）安裝費(fèi)，一般按年均日用氣量700元/m3計(jì)算；從CCHP能源站到天然氣門(mén)站需要鋪設(shè)室外管線，其工程費(fèi)用按《全國(guó)統(tǒng)一安裝工程預(yù)算定額》計(jì)算，天然氣室外管網(wǎng)一般采用地埋管形式，大型數(shù)據(jù)中心CCHP天然氣室外管網(wǎng)可以按照100萬(wàn)元/km估算。
如果自建液化天然氣站或讓當(dāng)?shù)厝細(xì)夤緟⑴c數(shù)據(jù)中心CCHP能源站投資，燃?xì)饨尤胭M(fèi)和室外天然氣管網(wǎng)工程費(fèi)用可以不予考慮。
1.3.1.4 備用市電接入費(fèi)用
數(shù)據(jù)中心的CCHP能源站，除了要求燃?xì)夤┙o做到一用一備外，還需要有一路市電備用，采用“并網(wǎng)不上網(wǎng)”模式，即只購(gòu)電，不售電。由于能源站與電網(wǎng)連接，電網(wǎng)公司出于對(duì)自身利益的保護(hù)，都要向CCHP能源站收取一定的電網(wǎng)接入費(fèi)，其中包括：電網(wǎng)改造費(fèi)、接網(wǎng)工程費(fèi)、容量備用費(fèi)、維護(hù)費(fèi)、儀表計(jì)費(fèi)以及折舊費(fèi)等。常用的計(jì)取方式主要有2種：一是初裝費(fèi)加上地區(qū)發(fā)電容量費(fèi)；二是初裝費(fèi)加上輸電容量費(fèi)。各地電網(wǎng)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)不一。除電網(wǎng)接入費(fèi)之外，還有供電外網(wǎng)工程費(fèi)，電網(wǎng)的架設(shè)有2種方式：一是直埋方式，可按100萬(wàn)元/km估算；二是架空方式，可按1000萬(wàn)元/km估算。
如果當(dāng)?shù)貙?shí)行峰谷差電價(jià)，在當(dāng)?shù)毓╇姴块T(mén)許可的情況下，數(shù)據(jù)中心的CCHP系統(tǒng)可以在谷電期間使用市電，其他時(shí)間自發(fā)電，其經(jīng)濟(jì)效益可以明顯提高。
1.3.2 運(yùn)行成本
CCHP的運(yùn)行成本包括：1）燃料費(fèi)；2）運(yùn)行費(fèi)；3）維護(hù)費(fèi)；4）設(shè)備折舊費(fèi)。
由于數(shù)據(jù)中心CCHP系統(tǒng)與傳統(tǒng)的CCHP系統(tǒng)有較大的不同，所以運(yùn)行成本有明顯的差異，具體表現(xiàn)在：1）全年8 760 h不間斷運(yùn)行；2）大型和超大型數(shù)據(jù)中心的電力負(fù)荷和冷負(fù)荷變化率很??；3）寒冷地區(qū)冬季CCHP系統(tǒng)可以采用自然冷卻技術(shù)，減少冷水機(jī)組的開(kāi)啟時(shí)間和供冷量；4）可以使用再生能源。
對(duì)國(guó)內(nèi)多個(gè)CCHP工程所進(jìn)行的經(jīng)濟(jì)分析表明，影響CCHP運(yùn)行成本最大的是天然氣價(jià)格，盡管?chē)?guó)內(nèi)非居民用天然氣價(jià)格近年有所下降，門(mén)站價(jià)格已經(jīng)較低，但是大部分城市供給CCHP能源站的天然氣價(jià)格仍然偏高。2017年國(guó)內(nèi)將有一系列天然氣新政策出臺(tái)，天然氣市場(chǎng)化加速，供大于求的局面仍然維持，天然氣的價(jià)格有望進(jìn)一步降低。
CCHP能源站的投資方最關(guān)心的是能源站的收支比例，即投資的回收期。在收支項(xiàng)目中，有一部分是相對(duì)固定的，與能源站所處地點(diǎn)無(wú)關(guān)，例如銀行的利率、設(shè)備的折舊率、設(shè)備的維修費(fèi)用等；另一部分則波動(dòng)較大。從收入來(lái)看，主要是售電和售冷收入，支出主要是燃料費(fèi)用和水費(fèi)。數(shù)據(jù)中心CCHP能源站的電價(jià)和冷價(jià)的高低主要取決于當(dāng)?shù)氐钠骄须妰r(jià)格，表2為2016年各?。ㄊ校┕I(yè)電價(jià)，如果能源站的電價(jià)高于或略低于當(dāng)?shù)厥须姷膬r(jià)格，就失去了采用CCHP的經(jīng)濟(jì)意義。
數(shù)據(jù)中心CCHP能源站的電和冷的定價(jià)主要取決于天然氣的價(jià)格。由表3可以看出，各省（區(qū)、市）非居民用天然氣基準(zhǔn)門(mén)站價(jià)格最高和最低相差十分懸殊，上海和廣東為2.18元/m3，而新疆只有1.15元/m3。
CCHP能源站最終的天然氣價(jià)格并不完全取決于天然氣基準(zhǔn)門(mén)站價(jià)格，還與當(dāng)?shù)厝細(xì)夤镜墓艿琅錃赓M(fèi)有關(guān)，例如天然氣基準(zhǔn)門(mén)站價(jià)格相同的上海和廣東，CCHP能源站的最終天然氣價(jià)格分別為2.91元/m3和2.7元/m3。而工業(yè)電價(jià)最高的上海和湖北，雖然天然氣基準(zhǔn)門(mén)站價(jià)格相差只有0.02元/m3，但是CCHP能源站最終的天然氣價(jià)格分別為2.91元/m3和2.372元/m3。所以數(shù)據(jù)中心是否采用CCHP系統(tǒng)，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐氖须妰r(jià)格、天然氣價(jià)格、售電價(jià)格和售冷價(jià)格，通過(guò)詳細(xì)的財(cái)務(wù)分析比較后決定。對(duì)于數(shù)據(jù)中心CCHP能源站的投資和建設(shè)，最近2年國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了2種現(xiàn)象：一是當(dāng)?shù)厝細(xì)夤就顿Y或參股數(shù)據(jù)中心的CCHP能源站的建設(shè)，例如北京中石油數(shù)據(jù)中心的能源站由北京燃?xì)饽茉窗l(fā)展有限公司投資2億元建設(shè)并運(yùn)營(yíng)，浙江德清中國(guó)聯(lián)通數(shù)據(jù)中心由浙能集團(tuán)所屬興源投資公司投資5億建設(shè)；二是國(guó)內(nèi)數(shù)家擁有天然氣資源、財(cái)力雄厚的企業(yè)，例如華信能源和新奧能源相繼加入包括數(shù)據(jù)中心在內(nèi)的CCHP工程的投資行列。這類(lèi)企業(yè)的進(jìn)入不僅僅是一種投資行為，因?yàn)檫@些企業(yè)掌握低價(jià)的天然氣資源，所以極大地提高了CCHP能源站的經(jīng)濟(jì)性。
1.3.3 經(jīng)濟(jì)分析
數(shù)據(jù)中心由于全年不間斷運(yùn)行，且負(fù)荷基本穩(wěn)定，所以其CCHP系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于區(qū)域和樓宇CCHP系統(tǒng)，回收期大幅度縮短。數(shù)據(jù)中心CCHP能源站在不考慮各地差異明顯的土地費(fèi)用的前提下，總投資可以控制在8 000～10 000元/kW。
表4為國(guó)內(nèi)5個(gè)城市大型數(shù)據(jù)中心CCHP能源站經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果。
2 CCHP的能源
可供CCHP系統(tǒng)使用的能源主要有：1）天然氣；2）液化天然氣（LNG）及冷能；3）可再生能源（生物質(zhì)、江湖水源、海水源）。
2.1 天然氣
我國(guó)天然氣利用水平不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，“十二五”期間天然氣平均消費(fèi)增長(zhǎng)12.4%，天然氣在一次能源消費(fèi)中的比例從2010年的4.4%提高到2016年的5.8%。我國(guó)逐步將天然氣培育成為現(xiàn)代能源體系的主體能源，到2020年，天然氣在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比達(dá)到8%～10%。大力發(fā)展天然氣分布式能源，在具有冷、熱、電需求的區(qū)域和建筑中推廣建設(shè)天然氣分布式能源項(xiàng)目已成為重要國(guó)策，其中數(shù)據(jù)中心是重點(diǎn)推廣的工程之一。
天然氣的價(jià)格是影響CCHP系統(tǒng)的首要因素，也是制約我國(guó)區(qū)域和樓宇CCHP發(fā)展的瓶頸，雖然數(shù)據(jù)中心由于全年持續(xù)不斷地穩(wěn)定運(yùn)行，其經(jīng)濟(jì)性明顯占優(yōu)，但是數(shù)據(jù)中心的投資方、建設(shè)方和運(yùn)維方依然高度關(guān)注我國(guó)天然氣價(jià)格的波動(dòng)。2017年我國(guó)天然氣的市場(chǎng)可能發(fā)生一系列變化。
1）國(guó)內(nèi)將取消天然氣門(mén)站價(jià)格，采取更加市場(chǎng)化價(jià)格監(jiān)督模式，目前CCHP的天然氣價(jià)格是由各城市門(mén)站價(jià)格加上各地燃?xì)夤镜墓艿琅錃赓M(fèi)構(gòu)成，由表3可以看出，目前天然氣基準(zhǔn)門(mén)站價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CCHP系統(tǒng)的購(gòu)氣價(jià)格，這是由于管道配氣費(fèi)過(guò)高造成，管道配氣費(fèi)包括：增容費(fèi)、計(jì)量費(fèi)、調(diào)峰費(fèi)、營(yíng)業(yè)稅金、附加利潤(rùn)等。國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)指出：“規(guī)范和控制配送氣的費(fèi)率水平是天然氣改革的重要目標(biāo)”。作為天然氣改革的重要舉措，各地區(qū)將建設(shè)天然氣交易中心，天然氣價(jià)格由交易中心眾多買(mǎi)賣(mài)雙方競(jìng)爭(zhēng)形成。2016年11月26日，中國(guó)首個(gè)天然氣交易中心——上海石油天然氣交易中心正式運(yùn)營(yíng)。CCHP系統(tǒng)用天然氣價(jià)格走向市場(chǎng)化，價(jià)格可望下降。
2）綜合比較我國(guó)天然氣市場(chǎng)需求和供給預(yù)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有的價(jià)格機(jī)制和價(jià)格政策下，自2017年起我國(guó)將出現(xiàn)天然氣供過(guò)于求的現(xiàn)象，2017年天然氣供應(yīng)量將超過(guò)市場(chǎng)需求量100億m3左右，2020年供應(yīng)量將超過(guò)市場(chǎng)需求量200億m3左右。
3）國(guó)內(nèi)天然氣的供給一直掌握在中石油、中石化和中海油（簡(jiǎn)稱“三桶油”）手中，在國(guó)家對(duì)“三桶油”加強(qiáng)管理的同時(shí)，上下游領(lǐng)域涌現(xiàn)出一批新的民營(yíng)能源公司。低油價(jià)環(huán)境下，政府鼓勵(lì)競(jìng)爭(zhēng)的改革措施，使民營(yíng)能源公司得以發(fā)展。其中上海華信能源、河北新奧能源、新疆廣匯能源、廣東九豐集團(tuán)均取得了LNG的進(jìn)口權(quán)，并相繼建立了各自的LNG碼頭。其中華信能源、新奧能源利用自己的天然氣資源已經(jīng)開(kāi)始投資CCHP項(xiàng)目。
4）除了五大電力集團(tuán)之外，國(guó)內(nèi)幾大央企近年來(lái)高調(diào)進(jìn)軍CCHP項(xiàng)目，為數(shù)據(jù)中心采用CCHP系統(tǒng)提供了可觀的資金，大大減少了數(shù)據(jù)中心巨額投資的負(fù)擔(dān)。
國(guó)家天然氣價(jià)格的調(diào)整及國(guó)內(nèi)天然氣的供大于求，給燃?xì)釩CHP系統(tǒng)開(kāi)辟了更大的應(yīng)用空間，民企進(jìn)軍LNG進(jìn)口領(lǐng)域，并利用自己的天然氣資源開(kāi)始投資CCHP項(xiàng)目，加上央企高調(diào)投資CCHP項(xiàng)目，為數(shù)據(jù)中心采用CCHP系統(tǒng)提供了充足的天然氣資源和雄厚的資金。
2.2 LNG
由于天然氣液化設(shè)施不斷擴(kuò)張以及LNG進(jìn)口價(jià)格不斷下降，LNG國(guó)際貿(mào)易持續(xù)發(fā)展。2015年世界LNG貿(mào)易量達(dá)到3 383億m3，占天然氣總貿(mào)易量的32.5%。我國(guó)LNG進(jìn)口發(fā)展迅速，2015年進(jìn)口1 843萬(wàn)ｔ（約258億m3），約占全部天然氣進(jìn)口總量的44.3%。2006—2015年間，我國(guó)LNG進(jìn)口年均增長(zhǎng)45.2%。
我國(guó)是目前LNG發(fā)展最強(qiáng)勁的國(guó)家之一，截止到2016年11月，我國(guó)已建、在建和新規(guī)劃的常規(guī)LNG接收終端（一期平均規(guī)模為300萬(wàn)t/a）和略小規(guī)模的?；修D(zhuǎn)站（一期平均規(guī)模100萬(wàn)t/a以下）總數(shù)為66個(gè)（不含臺(tái)灣）。一期投產(chǎn)后，這些接收站年接收能力總和為9 012.1萬(wàn)ｔ，向下游供氣1 243.67億m3；二期投產(chǎn)后，年接收能力超過(guò)18 897.8萬(wàn)ｔ，向下游供應(yīng)超過(guò)2 607.9億m3的天然氣。我國(guó)LNG接收站的接收能力已經(jīng)是進(jìn)口量的2倍多，可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)LNG進(jìn)口空間巨大。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)已建設(shè)的LNG衛(wèi)星站遍布全國(guó)。
目前國(guó)內(nèi)進(jìn)口LNG的現(xiàn)貨成本（包括現(xiàn)貨價(jià)格、運(yùn)費(fèi)、接收氣化成本、灌輸費(fèi)和城市配氣費(fèi)，不包含陸上運(yùn)輸成本）約為1.7元/m3，遠(yuǎn)低于國(guó)產(chǎn)LNG的售價(jià)，甚至低于東部地區(qū)的管道天然氣門(mén)站價(jià)格，因此存在巨大的套利空間。另外，由于LNG相比管道氣在貿(mào)易形式和條件上也更加靈活，LNG的競(jìng)爭(zhēng)力在不斷增強(qiáng)。
LNG的液體溫度為－162 ℃，氣化時(shí)需要將冷能釋放到海水或空氣中，這部分冷能如果不加以利用，不但是巨大的能源浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)造成環(huán)境污染，以上海小洋山LNG接收站為例，該接收站每年向周?chē)Ｓ蚺欧?71.4億kW·h冷量。以LNG作為數(shù)據(jù)中心CCHP系統(tǒng)的能源，同時(shí)回收其冷能，具有十分可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。國(guó)內(nèi)已有公司在數(shù)據(jù)中心的CCHP系統(tǒng)中嘗試這一應(yīng)用。另一方面，對(duì)于斥巨資建設(shè)、已經(jīng)投入使用的LNG接收港口的海水氣化裝置的冷水能否用于數(shù)據(jù)中心的供冷是另一個(gè)大課題，筆者已開(kāi)始這方面的應(yīng)用實(shí)踐。
2.3 可再生能源
可再生能源（生物質(zhì)、江湖水源、海水源）已經(jīng)作為一種重要能源開(kāi)始在數(shù)據(jù)中心中應(yīng)用，生物質(zhì)能源效率的計(jì)算方法也被列入國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)中心的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中。利用海水冷卻的芬蘭哈米納的谷歌數(shù)據(jù)中心、瑞典斯德哥爾摩數(shù)據(jù)中心，利用千島湖水冷卻的阿里巴巴數(shù)據(jù)中心均將能源利用效率（PUE）降低到一個(gè)可觀的水平，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。以可再生能源作為數(shù)據(jù)中心的能源除了需要有相應(yīng)的自然環(huán)境，也需要高科技支持，值得深入研究。
2.4 余熱
電廠、鋼廠、造紙廠、化工廠等大型工業(yè)企業(yè)往往存在大量余熱，其中蒸汽的品質(zhì)和價(jià)格非常適合作為數(shù)據(jù)中心的能源，采用蒸汽溴化鋰機(jī)組或蒸氣驅(qū)動(dòng)的離心式冷水機(jī)組可以大幅度降低數(shù)據(jù)中心電制冷的運(yùn)行費(fèi)用，值得推廣應(yīng)用。
3 工程實(shí)例
表5給出了部分已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)行和正在建設(shè)的采用CCHP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心工程。國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心采用CCHP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心發(fā)展較快，而且有更多的數(shù)據(jù)中心正在對(duì)是否采用CCHP系統(tǒng)進(jìn)行可行性研究。
4 關(guān)于燃?xì)?/span>CCHP的異議
對(duì)于燃?xì)釩CHP系統(tǒng)是否適合作為數(shù)據(jù)中心的能源系統(tǒng)，最近幾年在國(guó)內(nèi)存在諸多異議和疑慮，體現(xiàn)在以下幾方面。
1）“天然氣價(jià)格過(guò)高，數(shù)據(jù)中心不宜采用燃?xì)釩CHP系統(tǒng)”。目前國(guó)內(nèi)流行一種說(shuō)法，即“1 m3天然氣可發(fā)電4 kW·h”，如果天然氣的價(jià)格為3.2元/m3，每kW·h電的成本為0.8元/（kW·h），當(dāng)市電價(jià)格也為0.8元/（kW·h）甚至更低時(shí)，顯然采用投資額很高的燃?xì)釩CHP系統(tǒng)是不經(jīng)濟(jì)的。事實(shí)上并非如此，筆者認(rèn)為：①不能簡(jiǎn)單按“1 m3天然氣發(fā)電4 kW·h”來(lái)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，例如筆者最近完成的一個(gè)采用燃?xì)釩CHP系統(tǒng)的超大型數(shù)據(jù)中心，采用的是燃?xì)廨啓C(jī)＋雙壓余熱鍋爐＋汽輪機(jī)模式，1 m3天然氣的發(fā)電量為5.03 kW·h；②燃?xì)釩CHP系統(tǒng)的發(fā)電成本不能如此簡(jiǎn)單地計(jì)算；③燃?xì)釩CHP系統(tǒng)除了發(fā)電之外，余熱也得到了充分利用，數(shù)據(jù)中心所需要的冷量有相當(dāng)大一部分來(lái)源于利用余熱的溴化鋰機(jī)組；④如前所述，目前國(guó)內(nèi)天然氣的價(jià)格已經(jīng)明顯下浮，例如筆者所完成的武漢一個(gè)燃?xì)釩CHP系統(tǒng)，天然氣的價(jià)格為2.37元/m3，而市電價(jià)格為0.963元/（kW·h），數(shù)據(jù)中心采用燃?xì)釩CHP系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于采用市電的常規(guī)能源系統(tǒng)。
2）“內(nèi)燃機(jī)＋煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組效率偏低，采用市電的離心式冷水機(jī)組效率更高”。數(shù)據(jù)中心的燃?xì)釩CHP系統(tǒng)之所以普遍采用內(nèi)燃機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，有2個(gè)原因：其一是內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率高，目前國(guó)際上內(nèi)燃機(jī)的發(fā)電效率最高已經(jīng)達(dá)到46%，國(guó)內(nèi)使用較多的J624內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率為44.7%，可利用的內(nèi)燃機(jī)余熱，一部分是源于煙氣，一部分源于缸套水，余熱中煙氣比例最大，以J624內(nèi)燃機(jī)為例，總的能量輸入為9 850 kW，其中缸套水為670 kW；其二是目前市場(chǎng)上可用的原動(dòng)機(jī)規(guī)格有限，數(shù)據(jù)中心采用最多的為容量4 MW左右的原動(dòng)機(jī)，從性價(jià)比來(lái)說(shuō)，內(nèi)燃機(jī)最適合。如果僅就COP而言，目前效率最高的溴化鋰機(jī)組的COP也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于離心式冷水機(jī)組的COP，煙氣熱水型溴化鋰的煙氣部分的COP為1.45左右，缸套水部分為0.8左右，煙氣熱水型溴化鋰COP為1.14左右，而離心式冷水機(jī)組的COP已經(jīng)大于6，但是由于溴化鋰機(jī)組使用的是廢熱，如果天然氣價(jià)格在一個(gè)合理范圍內(nèi)，采用內(nèi)燃機(jī)＋煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組方案的數(shù)據(jù)中心的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于采用市電的常規(guī)能源系統(tǒng)，所以如果對(duì)數(shù)據(jù)中心的整個(gè)能源系統(tǒng)進(jìn)行比較，上述結(jié)論就不一定能夠成立。下面以一個(gè)數(shù)據(jù)中心工程為例加以說(shuō)明。表6為常規(guī)能源系統(tǒng)與燃?xì)釩CHP系統(tǒng)性能比較。
3）“采用帶自然冷卻的常規(guī)冷水機(jī)組的數(shù)據(jù)中心，其經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于采用燃?xì)釩CHP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心”。毋庸置疑，自然冷卻確實(shí)是數(shù)據(jù)中心行之有效的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，被國(guó)內(nèi)外技術(shù)界推崇，研究者眾多，且持樂(lè)觀態(tài)度。研究結(jié)果表明：海南省東方市的數(shù)據(jù)中心采用風(fēng)側(cè)自然冷卻后，PUE達(dá)到1.27；南京的數(shù)據(jù)中心采用風(fēng)側(cè)自然冷卻后，PUE達(dá)到1.22。事實(shí)上自然冷卻技術(shù)復(fù)雜，不但涉及到設(shè)備，系統(tǒng)、控制必須要有相應(yīng)配合，氣候條件更是有諸多限制，并非一蹴而就，目前是成功的少，無(wú)效的多。一項(xiàng)適用的技術(shù)不可能取代所有的其他技術(shù)，必須因地制宜，詳盡分析，擇優(yōu)選取，相輔相成，更不要說(shuō)燃?xì)釩CHP系統(tǒng)是國(guó)家大力推廣的節(jié)能減排重大戰(zhàn)略措施之一。
4）“提高冷水供水溫度，增大冷水機(jī)組的COP，可以使常規(guī)能源系統(tǒng)的效率高于燃?xì)釩CHP系統(tǒng)”。提高冷水供水溫度是目前國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)中心節(jié)能措施之一，其主要目的是延長(zhǎng)自然冷卻的使用時(shí)間，對(duì)于這一節(jié)能措施目前國(guó)內(nèi)外尚存在著較大爭(zhēng)議：一是當(dāng)數(shù)據(jù)中心的熱負(fù)荷不變時(shí)，提高冷水供水溫度將導(dǎo)致空調(diào)送風(fēng)量明顯加大，這樣不但風(fēng)機(jī)耗電量增加，噪聲也相應(yīng)增大；二是與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不符，GB 50174《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》報(bào)批稿給出的冷水供回水溫度分別為7 ℃/12 ℃和12 ℃/18 ℃；三是提高冷水供水溫度將導(dǎo)致服務(wù)器的環(huán)境溫度明顯提高，雖然可以控制在最高溫度限值65 ℃范圍內(nèi)，但是電子元件的壽命受到影響，諸多用戶不予接受。因此這一節(jié)能措施尚屬于研究課題，未能推廣使用。
數(shù)據(jù)中心的高速發(fā)展要求相關(guān)的科學(xué)研究必須跟上，與數(shù)據(jù)中心相關(guān)的多項(xiàng)研究成果應(yīng)運(yùn)而生，令人耳目一新，對(duì)于一項(xiàng)新的技術(shù)或產(chǎn)品在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用必須通過(guò)大量的實(shí)踐檢驗(yàn)方能被業(yè)界所接受，并得以大力推廣。燃?xì)釩CHP系統(tǒng)與很多新技術(shù)一樣，在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用方才起步，無(wú)論是可行性分析、設(shè)計(jì)計(jì)算、設(shè)備制造、施工調(diào)試，還是運(yùn)行管理均需要假以時(shí)日。
全文刊登于《暖通空調(diào)》雜志2017年第6期
作者：湖南大學(xué) 殷平
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