初探冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在A級(jí)數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用
初探冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在A級(jí)數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用
中石油（北京）科技開發(fā)有限公司宋泓明
中建（北京）國(guó)際設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司李炳華、王明友、楊智勇、鄒政達(dá)
摘要：冷熱電三聯(lián)供(CCHP)系統(tǒng)是一種建立在能量梯級(jí)利用概念基礎(chǔ)上,將供熱(采暖和供熱水)、制冷及發(fā)電過(guò)程有機(jī)結(jié)合在一起的總能系統(tǒng)。本文按照數(shù)據(jù)中心的用能特點(diǎn)，探討了三聯(lián)供系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心中應(yīng)用可行性。
關(guān)鍵詞：冷熱電三聯(lián)供 CCHP 數(shù)據(jù)中心 供配電系統(tǒng) 可靠性
冷熱電三聯(lián)供(CCHP)系統(tǒng)是一種建立在能量梯級(jí)利用概念基礎(chǔ)上,將供熱(采暖和供熱水)、制冷及發(fā)電過(guò)程有機(jī)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(duì)環(huán)境負(fù)面影響小，有利于局部電網(wǎng)安全，對(duì)天然氣和電網(wǎng)有削峰填谷的作用，因此很多發(fā)達(dá)國(guó)家將其作為國(guó)家能源體系的重要組成部分。從經(jīng)濟(jì)性考慮，燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)更適合于冷熱電負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定、常年需要供冷或者供熱的項(xiàng)目，而數(shù)據(jù)中心用電、和用冷負(fù)荷波動(dòng)小，常年需要供冷，符合三聯(lián)供系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，本文以某數(shù)據(jù)中心為例，針對(duì)三聯(lián)供系統(tǒng)在A級(jí)數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用中的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討。
1 冷熱電三聯(lián)供（CCHP）應(yīng)用概況
分布式能源(Distributed Energy System)是相對(duì)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（幾千瓦至50MW）、模塊化、分散式的方式布置在用戶附近，可獨(dú)立地輸出冷、熱、電能的系統(tǒng)，具有靠近用戶、梯級(jí)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(diǎn)，受到各國(guó)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(jiǎn)單、投資相對(duì)較低和經(jīng)濟(jì)上有競(jìng)爭(zhēng)力，已經(jīng)在國(guó)際上得到了迅速地推廣。
燃?xì)饫錈犭娙?lián)供，即CCHP（Combined Cooling, Heating andPower），是指以天然氣為主要燃料帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)或內(nèi)燃機(jī)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(guò)余熱回收利用設(shè)備（如余熱鍋爐或余熱直燃機(jī)等）向用戶冬季供暖；夏季通過(guò)驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)供冷；同時(shí)還可提供生活熱水，充分利用了排氣的熱量。經(jīng)過(guò)能源的梯級(jí)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(guó)外發(fā)展非常迅速。從上個(gè)世紀(jì)70 年代末期開始發(fā)展，到現(xiàn)在美國(guó)已經(jīng)有6000多座分布式能源站，僅大學(xué)校園就有200多個(gè)。英國(guó)只有5000多萬(wàn)人口，但是分布式能源站就有1000多座。英國(guó)女王的白金漢宮、首相的唐寧街10 號(hào)官邸，都采用了燃?xì)廨啓C(jī)分布式能源站。目前丹麥沒(méi)有一個(gè)火電廠不供熱，也沒(méi)有一個(gè)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?、熱、電?lián)產(chǎn)，使科學(xué)技術(shù)變成生產(chǎn)力。20多年來(lái)，丹麥國(guó)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(duì)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)?、電力的第三大公用事業(yè)，到2000年底已建冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)1413個(gè)，平均容量477kW，廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、辦公樓、賓館及其它一些綜合設(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(guó)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(tuán)指揮監(jiān)控中心、北京清華科技園A-02 （文津國(guó)際公寓）三聯(lián)供能源站、北京會(huì)議中心9#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(jī)場(chǎng)、上海舒雅健康休閑中心、廣東鋁業(yè)集團(tuán)、成都深蘭綠色能源站、廣州大學(xué)城等多項(xiàng)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(guó)目前最大的三聯(lián)供項(xiàng)目，是廣州大學(xué)城配套建設(shè)項(xiàng)目，為廣州大學(xué)城一期18萬(wàn)平方公里區(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(guó)最大的分布式能源站，規(guī)劃容量為4×78兆瓦。現(xiàn)在已向廣州大學(xué)城內(nèi)的10所大學(xué)及周圍用戶20萬(wàn)人提供全部生活熱水、空調(diào)冷凍水和部分電力（2）。目前，我國(guó)分布式能源裝機(jī)容量達(dá)到500萬(wàn)千瓦。能源局規(guī)劃到2011年我國(guó)擬建設(shè)1000個(gè)天然氣分布式能源項(xiàng)目；到2020年，在全國(guó)規(guī)模以上城市推廣使用分布式能源系統(tǒng)，裝機(jī)容量達(dá)到5000萬(wàn)千瓦，并擬建設(shè)10個(gè)左右各類典型特征的分布式能源示范區(qū)域。分布式能源發(fā)電容量占中國(guó)總電力裝機(jī)容量比例將從目前的不到1%增加到3%,年均增速23%(3)。
2 數(shù)據(jù)中心概況
擬建數(shù)據(jù)中心為符合我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的A級(jí)數(shù)據(jù)中心，總建筑面積為49000m2，設(shè)置4500臺(tái)機(jī)柜，機(jī)柜發(fā)熱量按照3.6kW/臺(tái)設(shè)計(jì)，機(jī)房面積為20250m2，輔助區(qū)面積為20250m2，公攤區(qū)面積8500m2。
采用eQuest軟件對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行負(fù)荷模擬計(jì)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(jī)的選型依據(jù)。
2.1 用電負(fù)荷
數(shù)據(jù)中心用電逐時(shí)負(fù)荷和全年耗電量如圖1、表1所示。
圖1 擬建數(shù)據(jù)中心逐時(shí)用電負(fù)荷
表 1 數(shù)據(jù)中心用電量
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年耗電量組成 |
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項(xiàng)目 |
年耗電量（MkWh） |
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空調(diào)附屬設(shè)備耗電 |
0.84 |
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冷卻塔耗電 |
4.48 |
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風(fēng)機(jī)耗電 |
45.12 |
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水泵及水泵輔助設(shè)備耗電 |
9.06 |
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主機(jī)房機(jī)柜等設(shè)備耗電 |
144.59 |
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建筑照明等常規(guī)設(shè)備耗電 |
3.19 |
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合計(jì) |
207.28 |
最大用電負(fù)荷出現(xiàn)在夏季的7月份，最大負(fù)荷24808.9kW；全年耗電量為207.28MkWh。
2.2 數(shù)據(jù)中心冷熱負(fù)荷
數(shù)據(jù)中心逐時(shí)冷熱負(fù)荷如圖2、圖3所示。
圖2擬建數(shù)據(jù)中心的逐時(shí)負(fù)荷
圖3擬建數(shù)據(jù)中心的逐時(shí)熱負(fù)荷
從圖2、圖3可以看出:最大用冷出現(xiàn)在夏季的6月份，最大負(fù)荷17617kW；最大用熱出現(xiàn)在2月份，最大負(fù)荷244.82kW。數(shù)據(jù)中心全年總需冷量147862385.3kWh,數(shù)據(jù)中心全年總需熱量219480.05kWh。
3 用電要求和系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 數(shù)據(jù)中心的供電和空調(diào)要求
我國(guó)2008年頒布執(zhí)行的《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50174對(duì)A級(jí)電子信息系統(tǒng)機(jī)房做嚴(yán)格的技術(shù)要求，如表2所示。
表2A級(jí)電子信息系統(tǒng)機(jī)房技術(shù)要求
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項(xiàng)目 |
技術(shù)要求 |
備注 |
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A級(jí) |
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環(huán)境要求 |
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主機(jī)房溫度（開機(jī)時(shí)） |
23℃±1℃ |
不得結(jié)露 |
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主機(jī)房相對(duì)濕度（開機(jī)時(shí)） |
40%~55% |
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主機(jī)房溫度（停機(jī)時(shí)） |
5℃~35℃ |
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主機(jī)房相對(duì)濕度（停機(jī)時(shí)） |
40%~70% |
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主機(jī)房與輔助區(qū)溫度變化率（開、停機(jī)時(shí)） |
＜5℃/h |
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輔助區(qū)溫度、相對(duì)濕度（開機(jī)時(shí)） |
18~28℃、35%~75% |
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輔助區(qū)溫度、相對(duì)濕度（停機(jī)時(shí)） |
5~35℃、20%~80% |
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不間斷電源系統(tǒng)電池溫度 |
15~25℃ |
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空氣調(diào)節(jié) |
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主機(jī)房和輔助區(qū)設(shè)置空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng) |
應(yīng) |
—— |
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不間斷電源系統(tǒng)電池室設(shè)置空調(diào)降溫系統(tǒng) |
宜 |
—— |
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主機(jī)房保持正壓 |
應(yīng) |
—— |
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冷凍機(jī)組、冷凍和冷卻水泵 |
N+X冗余（X=1~N） |
—— |
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機(jī)房專用空調(diào) |
N+X冗余（X=1~N）主機(jī)房中每個(gè)區(qū)域冗余X臺(tái) |
—— |
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主機(jī)房設(shè)置采暖散熱器 |
不應(yīng) |
—— |
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電氣技術(shù) |
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供電電源 |
兩個(gè)電源供電。兩個(gè)電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞 |
—— |
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變壓器 |
M（1+1）冗余（M=1、2、3……） |
用電量較大時(shí)設(shè)置專用變壓器供電 |
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后備柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng) |
N或N+X冗余（X=1~N） |
—— |
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后備柴油發(fā)電機(jī)的基本容量 |
應(yīng)包括不間斷電源系統(tǒng)的基本容量、空調(diào)和制冷設(shè)備的基本容量、應(yīng)急照明和消防等涉及生命安全的負(fù)荷容量 |
—— |
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柴油發(fā)電機(jī)的燃料存儲(chǔ)量 |
72小時(shí) |
—— |
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不間斷電源系統(tǒng)配置 |
2N或M（N+1）冗余（M=2、3、4……） |
—— |
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不間斷電源系統(tǒng)電池備用時(shí)間 |
15min柴油發(fā)電機(jī)作為后備電源時(shí) |
—— |
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空調(diào)系統(tǒng)配電 |
雙路電源（其中至少一路為應(yīng)急電源），末端切換。采用放射式配電系統(tǒng) |
—— |
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電子信息設(shè)備供電電源質(zhì)量要求 |
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穩(wěn)態(tài)電壓偏移范圍（%） |
±3 |
—— |
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穩(wěn)態(tài)頻率偏移范圍（Hz） |
±0.5 |
電池逆變工作方式 |
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輸出電壓波形失真度（%） |
≤5 |
電子信息設(shè)備正常工作時(shí) |
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允許斷電持續(xù)時(shí)間（ms） |
0~4 |
—— |
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不間斷電源系統(tǒng)輸入端THDI含量（%） |
＜15 |
3~39次諧波 |
3.2 供配電設(shè)計(jì)
A級(jí)數(shù)據(jù)中心供電要求有很高的可靠性，目前在我國(guó)還沒(méi)有采用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)作為主用電源的相關(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(jì)。目前國(guó)家沒(méi)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(shí)現(xiàn)，因此，數(shù)據(jù)中心的三聯(lián)供系統(tǒng)只能以獨(dú)立運(yùn)行方式，即發(fā)電機(jī)以孤島運(yùn)行模式工作。
3.2.1 燃?xì)馊?lián)供作為主電源可靠性分析
對(duì)可靠性要求很高的A級(jí)數(shù)據(jù)機(jī)房來(lái)說(shuō)，市電網(wǎng)絡(luò)與三聯(lián)供電站可靠性分析如表3。
表3市網(wǎng)與三聯(lián)供系統(tǒng)可靠性比較
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項(xiàng)目 |
市電 |
CCHP |
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一次能源 |
多樣、豐富 煤炭、油、天然氣、水電、太陽(yáng)能、風(fēng)能等都可以作為市網(wǎng)的一次能源。這個(gè)環(huán)節(jié)其可靠性高 |
較單一 原則上天然氣、油、煤炭均可，但考慮到環(huán)保及效率等因素，目前天然氣是首選。該環(huán)節(jié)可靠性不如市網(wǎng) |
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輸配電網(wǎng)絡(luò) |
復(fù)雜 發(fā)電廠要經(jīng)過(guò)升壓再進(jìn)行輸送，到目的地城市后要經(jīng)過(guò)數(shù)級(jí)降壓才給用戶使用。這個(gè)過(guò)程電能損耗約10%。 |
簡(jiǎn)單 發(fā)出的電直接給用戶使用，系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單。 該環(huán)節(jié)可靠性比市網(wǎng)高很多。 |
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綜合可靠性 |
相對(duì)較低 由于系統(tǒng)復(fù)雜，發(fā)電、供配電系統(tǒng)級(jí)數(shù)多，任何環(huán)節(jié)、任何設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)影響到系統(tǒng)的可靠性 |
相對(duì)較高 系統(tǒng)簡(jiǎn)單、層次少，只要有穩(wěn)定的一次能源，可靠性得以保證 |
3.2.2 燃?xì)馊?lián)供的使用條件
根據(jù)本工程的特點(diǎn)，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。
a 一次能源要穩(wěn)定、充足，價(jià)格要適中。很幸運(yùn)，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(jià)格也較合理。
b 關(guān)鍵設(shè)備CCHP要可靠、高效。此問(wèn)題在設(shè)備招標(biāo)時(shí)要嚴(yán)加把控。目前國(guó)際上有些高質(zhì)量的CCHP發(fā)電機(jī)組能滿足這項(xiàng)要求。
c 要有高水平的運(yùn)行、維護(hù)人員。系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)的水平關(guān)系到平均無(wú)故障時(shí)間這一參數(shù)，其直接影響到可靠性指標(biāo)。
近三十年的奧運(yùn)會(huì)和世界杯足球賽的經(jīng)驗(yàn)表明，滿足上述三個(gè)條件，重大國(guó)際比賽能采用獨(dú)立的發(fā)電機(jī)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(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)條件，即采用冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)。
3.2.3 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。
圖4 能源站三聯(lián)供供配電系統(tǒng)框圖
由于數(shù)據(jù)中心用電量大于制冷量，發(fā)電機(jī)選用發(fā)電效率較高的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)作為發(fā)電機(jī)組，CCHP為10kV機(jī)組；為保證數(shù)據(jù)中心的用電可靠性，發(fā)電機(jī)組分為兩組，每組6臺(tái)4300kW，設(shè)置在不同地理位置作為物理分割，兩路市電作為備用。每組發(fā)電機(jī)組可以做到4+2冗余，即一組內(nèi)的一臺(tái)發(fā)電機(jī)組如果在檢修或保養(yǎng)時(shí)，另一臺(tái)故障，剩余的同組內(nèi)其它四臺(tái)可以帶同組內(nèi)的全負(fù)荷；如果整組發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障，另一組發(fā)電機(jī)可以帶起100%用電負(fù)荷，從而滿足A級(jí)機(jī)房的兩路同時(shí)供電的用電要求，保證數(shù)據(jù)中心機(jī)房用電的可靠性。
3.3空調(diào)設(shè)計(jì)
3.3.1數(shù)據(jù)中心空調(diào)流程
空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5。
圖5 空調(diào)設(shè)計(jì)流程圖
本數(shù)據(jù)中心按照機(jī)房空調(diào)要求，空調(diào)系統(tǒng)采用采用2N配置，主用為煙氣溴冷機(jī)，電制冷作為備用，末端采用全空氣系統(tǒng)，機(jī)房?jī)?nèi)保持10Pa正壓，機(jī)房?jī)?nèi)新風(fēng)量保證每小時(shí)換氣一次。其他監(jiān)控室、輔助區(qū)和公攤區(qū)的業(yè)務(wù)管理及后勤用房、變配電室、電梯機(jī)房等房間可采用集中供冷供熱方式，冷熱源全部由三聯(lián)供能源站集中供冷系統(tǒng)包括電制冷機(jī)和吸收式冷溫水機(jī)組提供，冷熱源通過(guò)冷熱水管道輸送。
3.3.2 空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備操作方式
a 煙氣熱水型直燃機(jī)組
當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，首先利用發(fā)電機(jī)排出的余熱作為煙氣熱水型吸收式機(jī)組的熱源，提供全年供冷所需冷凍水。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(jī)的煙氣量，當(dāng)冷負(fù)荷較小時(shí)，部分煙氣通過(guò)煙道直接排放到大氣。另外從發(fā)電機(jī)出來(lái)的高溫缸套水進(jìn)入吸收式冷溫水機(jī)組的低發(fā)，經(jīng)換熱從空調(diào)機(jī)組出來(lái)后如溫度仍不能降低至發(fā)電機(jī)所要求的溫度，可以進(jìn)一步通過(guò)散熱器對(duì)其進(jìn)行冷卻。為保證在發(fā)電機(jī)組不工作或不能達(dá)到滿負(fù)荷工作，即沒(méi)有煙氣余熱可利用或煙氣供應(yīng)不足時(shí)，余熱吸收式機(jī)組仍可以提供冷負(fù)荷的供應(yīng)，本項(xiàng)目余熱機(jī)組選用帶有燃燒機(jī)的全補(bǔ)燃型機(jī)組，以保證冷負(fù)荷的供應(yīng)。另外在采暖季當(dāng)煙氣冷凝換熱器檢修時(shí)，直燃機(jī)組還可以作為熱源用于采暖供熱。
b 電制冷機(jī)組
當(dāng)市政管網(wǎng)燃?xì)獗磺袛鄷r(shí)，電制冷機(jī)組作為備用投入運(yùn)行，滿足數(shù)據(jù)中心空調(diào)要求。
c 冷卻塔
一臺(tái)煙氣溴冷機(jī)和一臺(tái)電制冷機(jī)共用一臺(tái)冷卻塔，若煙氣溴冷機(jī)工作，則冷卻塔與煙氣溴冷機(jī)連接，若電制冷機(jī)工作，則冷卻塔與電制冷機(jī)連接，冬季則利用冷卻塔免費(fèi)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(jì)效益。
4 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(jí)利用概念基礎(chǔ)上， 以天然氣為一次能源，產(chǎn)生冷、熱、電的聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)。提高了天然氣能源利用率，大量節(jié)省了一次能源。數(shù)據(jù)中心是負(fù)荷波動(dòng)較小，用電和用冷量大，常年需要供冷，符合CCHP的運(yùn)行特點(diǎn)，能夠提高CCHP的經(jīng)濟(jì)性。
（2）數(shù)據(jù)中心采用三聯(lián)供應(yīng)以用電負(fù)荷的容量作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，CCHP系統(tǒng)可以滿足A級(jí)數(shù)據(jù)機(jī)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。
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