LNG冷能利用IDC機(jī)房課題研究

萬 金,陳 曼,董博理,金淵明,姚珉芳,嚴(yán)藝敏

(1.中國五環(huán)工程有限公司,湖北 武漢 430223;2.上海液化天然氣有限責(zé)任公司,上海 200021)

近年來,國內(nèi)外對LNG冷能利用進(jìn)行了廣泛研究。日本是世界上LNG消費(fèi)量最大的國家,擁有超過40年的LNG冷卻技術(shù),且在多個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用,如空調(diào)系統(tǒng)、水處理、冷卻塔和儲(chǔ)存槽;韓國主要在食品冷凍冷藏和空氣分離方面應(yīng)用LNG冷能,能節(jié)約50%電力;印度將LNG冷能應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻,提高燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量;中國在LNG冷能利用方面起步較晚,但已有一些成功案例,如上海某LNG項(xiàng)目,利用LNG冷能進(jìn)行發(fā)電和大型儲(chǔ)罐的應(yīng)用,隨著項(xiàng)目所在地LNG站線項(xiàng)目的推進(jìn),給LNG冷能高效利用和示范應(yīng)用提供了有利條件,也有助于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)循環(huán)發(fā)展。

本文依托上海某LNG接收站一期和儲(chǔ)罐擴(kuò)建工程、站線擴(kuò)建項(xiàng)目,開展接收站冷能供冷方案研究和IDC機(jī)房LNG供冷關(guān)鍵技術(shù)研究,并得出LNG冷能利用IDC機(jī)房項(xiàng)目的研究方案。

利用LNG冷能為IDC機(jī)房供冷,可以大幅提高IDC機(jī)房的能源利用效率和降低運(yùn)營成本。傳統(tǒng)的空調(diào)制冷方式存在著傳熱效率低、局部熱點(diǎn)難以消除以及制冷系統(tǒng)能耗大等問題。而LNG冷能技術(shù)能夠高效地回收利用冷能,將其轉(zhuǎn)化為冷空氣,實(shí)現(xiàn)對IDC機(jī)房的供冷。同時(shí),LNG冷能技術(shù)具有安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢,是一種可持續(xù)發(fā)展的能源利用方式。通過利用LNG冷能為IDC機(jī)房供冷,可以有效降低機(jī)房溫度,提高設(shè)備運(yùn)行效率和壽命,減少能源消耗和碳排放,從而降低企業(yè)運(yùn)營成本,提高企業(yè)競爭力。因此,利用LNG冷能為IDC機(jī)房供冷具有重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 LNG冷能簡介

LNG冷能是將天然氣冷卻至極低溫度(約-162 ℃),使其從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。在液態(tài)狀態(tài)下,天然氣體積大大減小,便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸。同時(shí),LNG冷能可用于多種領(lǐng)域,如工業(yè)、能源生產(chǎn)和航運(yùn)等。在IDC機(jī)房中,LNG冷能被應(yīng)用于冷卻系統(tǒng),可降低IDC機(jī)房電能利用效率(PUE值),減少能耗,降低碳排放,從而推動(dòng)IDC機(jī)房的可持續(xù)發(fā)展。

LNG冷能在IDC機(jī)房降溫方面具有以下優(yōu)勢:高效冷卻能力、溫度極低、快速降溫設(shè)備;環(huán)保和節(jié)能、減少碳排放、降低環(huán)境影響;節(jié)省空間、體積小、優(yōu)化IDC機(jī)房布局;靈活性,可適用于不同規(guī)模和需求?？梢哉f,LNG冷能是一種可持續(xù)的、高效的IDC機(jī)房降溫解決方案。

本文所討論的IDC機(jī)房擬建設(shè)地點(diǎn)在上海某LNG接收站附近,附近還有相應(yīng)的燃?xì)獍l(fā)電廠項(xiàng)目,不僅有天然的冷熱交換資源以供IDC機(jī)房使用,也有配套的發(fā)電廠和市電提供穩(wěn)定可靠的用電負(fù)荷,為IDC機(jī)房的建設(shè)提供了天然的資源。

2 LNG供冷系統(tǒng)與IDC空調(diào)系統(tǒng)耦合技術(shù)

2.1 LNG供冷穩(wěn)定性

LNG供冷的穩(wěn)定性對于IDC機(jī)房建設(shè)具有重要意義。穩(wěn)定的LNG供冷系統(tǒng)能確保IDC機(jī)房內(nèi)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行溫度,降低設(shè)備過熱和故障的風(fēng)險(xiǎn),提高IDC機(jī)房的可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí),穩(wěn)定的供冷系統(tǒng)有助于保障數(shù)據(jù)安全。此外,LNG供冷的穩(wěn)定性還能提高IDC機(jī)房的能效水平,精確控制冷卻效果,避免不必要的能源浪費(fèi),降低運(yùn)營成本。

LNG接收站的供氣負(fù)荷隨季節(jié)變化。春秋季運(yùn)行IFV(中間介質(zhì)氣化器)1條線(滿負(fù)荷運(yùn)行),夏季運(yùn)行2條線(滿負(fù)荷運(yùn)行),冬季運(yùn)行3條線(按歷史數(shù)據(jù),受海水溫度影響,運(yùn)行負(fù)荷不飽滿工況的時(shí)間較短,本研究暫按冬季滿負(fù)荷運(yùn)行考慮)。全年可保證中間介質(zhì)氣化器至少1條線的穩(wěn)定冷能輸出(可用性99%)。

基于LNG站線擴(kuò)建項(xiàng)目全年至少IFV1條線穩(wěn)定外輸?shù)倪\(yùn)行要求,IDC機(jī)房規(guī)模可按IFV1條線的供冷量匹配建設(shè),IDC機(jī)房產(chǎn)生的熱能可作為接收站外輸供氣1條線的基本保障。

2.2 IDC機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)與LNG冷能耦合

由于IDC機(jī)房中計(jì)算機(jī)設(shè)備對機(jī)房的溫度有較高的要求,因此,對空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性要求也就較高?？紤]到LNG接收站全年檢修的需求和IDC機(jī)房對冷源高的可靠性,IDC機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)仍按其需求配置:當(dāng)LNG供冷時(shí),IDC機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn);當(dāng)LNG冷量負(fù)荷減少或斷供時(shí),其空調(diào)系統(tǒng)從低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)提高至滿負(fù)荷運(yùn)行,以滿足IDC機(jī)房需求。

傳統(tǒng)IDC機(jī)房從空調(diào)系統(tǒng)冷源的制冷形式上主要分為3種:單元式風(fēng)冷型空調(diào)系統(tǒng)、冷卻水空調(diào)系統(tǒng)、冷凍水空調(diào)系統(tǒng)。

為響應(yīng)國家節(jié)能減排相關(guān)要求和降低企業(yè)運(yùn)營成本,同時(shí)為便于合理利用LNG冷能等多重因素考慮,空調(diào)系統(tǒng)可采用冷凍水空調(diào)系統(tǒng)。這種方式制冷能夠與LNG冷能實(shí)現(xiàn)供冷耦合,一方面能滿足IDC機(jī)房的供冷的雙保險(xiǎn),另一方面能提供更好的節(jié)能效果。

采用LNG冷能為IDC機(jī)房供冷時(shí),IDC機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)配置不減少,僅運(yùn)行方式發(fā)生變化。同時(shí),在空調(diào)系統(tǒng)末端的供水系統(tǒng)、回水系統(tǒng)與LNG冷能的供冷系統(tǒng)之間增設(shè)管線或冷媒換熱器。是否設(shè)冷媒換熱器取決于冷媒介質(zhì),若冷媒介質(zhì)為水,則僅增加相應(yīng)的供水和回水系統(tǒng)即可。

由于LNG冷能和IFV設(shè)備的特點(diǎn)以及IDC機(jī)房對溫度的要求,直接供冷方式無法滿足穩(wěn)定性的需求,因此采用載冷劑循環(huán)的方式、間接向IDC機(jī)房供冷是比較合適的供冷方式。本研究中,LNG冷能為IDC機(jī)房提供的循環(huán)冷凍水的溫度,可按通用的供水溫度12 ℃、回水溫度18 ℃進(jìn)行。循環(huán)冷凍水接至空調(diào)冷凍水系統(tǒng)分集水器,與冷水機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行。根據(jù)機(jī)房末端空調(diào)負(fù)荷,合理調(diào)整LNG冷能和冷水機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷比例。冷熱耦合基本原理見圖1。

2.3 冷熱耦合運(yùn)行控制策略

(1) 正常的運(yùn)行控制策略。正常運(yùn)行工況下,LNG接收站滿負(fù)荷運(yùn)行的1條IFV線,采用循環(huán)冷凍水為IDC機(jī)房供冷。LNG冷能冷卻后的循環(huán)冷凍水經(jīng)循環(huán)水泵升壓后,送至IDC機(jī)房的末端空調(diào)使用,其空調(diào)回水作為熱源返回此LNG接收站入口,氣化LNG。

正常工況下,相應(yīng)LNG接收站IFV的冷量與對應(yīng)的IDC機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)熱量匹配。正常波動(dòng)時(shí),通過冷凍循環(huán)水給水系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(2) IDC機(jī)房負(fù)荷波動(dòng)、中斷對LNG接收站的影響。當(dāng)IDC機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)對接收站IFV冷量需求的負(fù)荷增大、偏離基準(zhǔn)工況較大時(shí),保持接收站IFV負(fù)荷基本穩(wěn)定,同時(shí)上調(diào)IDC機(jī)房自身的空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷滿足其自身對冷量的需求。

當(dāng)IDC機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)中對接收站IFV冷量需求的負(fù)荷降低、偏離基準(zhǔn)工況較大時(shí),將此LNG接收站IFV的負(fù)荷調(diào)節(jié)降低與之匹配,同時(shí)多出的負(fù)荷調(diào)節(jié)至其他負(fù)荷較低的IFV線,滿足接收站安全保供的需要。

當(dāng)IDC機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)對接收站IFV冷量需求中斷時(shí),停用該IFV線、調(diào)節(jié)切換至其他IFV線,或使用海水系統(tǒng)提供熱源,實(shí)現(xiàn)接收站安全保供。

(3) LNG接收站負(fù)荷波動(dòng)、中斷對IDC機(jī)房的影響。當(dāng)接收站IFV運(yùn)行負(fù)荷增大或減小的波動(dòng)較大時(shí),自動(dòng)變頻調(diào)節(jié)降低或提高IDC機(jī)房自身空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷,保證IDC機(jī)房的安全性和可靠性。

當(dāng)接收站IFV冷量中斷時(shí),自動(dòng)全量運(yùn)行IDC機(jī)房自身空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷,保證IDC機(jī)房的安全性和可靠性。

3 IDC機(jī)房PUE值測算與研究

3.1 IDC機(jī)房PUE值測算

IDC機(jī)房是現(xiàn)代科技發(fā)展的關(guān)鍵所在,為了應(yīng)對IDC機(jī)房的能耗挑戰(zhàn),需要采取各種措施,如優(yōu)化IDC機(jī)房設(shè)計(jì)、提高能源效率、采用節(jié)能技術(shù)、推廣可再生能源的應(yīng)用等,以實(shí)現(xiàn)IDC機(jī)房的可持續(xù)發(fā)展。

電能利用效率(PUE)是評定IDC機(jī)房能耗非常重要的評定指標(biāo),其數(shù)值為IDC機(jī)房內(nèi)所有用電設(shè)備消耗的總電能與所有電子信息設(shè)備消耗的總電能之比。在理想情況下,PUE值越低,表明電能利用效率越高(PUE值無限接近于1)。IDC機(jī)房內(nèi)用電負(fù)荷包括電子信息設(shè)備、末端空調(diào)、水冷機(jī)組、水泵和冷卻塔、辦公負(fù)荷、建筑負(fù)荷等。其中,辦公負(fù)荷、建筑負(fù)荷占比較低(3%左右),本階段PUE估算時(shí)暫不考慮。

根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》,本階段PUE采用下述公式計(jì)算:

IDC機(jī)房利用LNG為其提供冷量時(shí),將大大降低末端空調(diào)、水冷機(jī)組、水泵和冷卻塔的電能,而電子信息設(shè)備的總電能是不變,根據(jù)計(jì)算公式,LNG冷能利用率越高,空調(diào)系統(tǒng)耗電越少,電能使用效率PUE值越低。

基于可用LNG冷能36 755 kW(業(yè)主提供),在不同的機(jī)架規(guī)模(3 000～10 000)下,計(jì)算所得的PUE值見表1。

表1 計(jì)算所得的PNG值

關(guān)于上表的數(shù)據(jù),說明如下:

(1) IT設(shè)備設(shè)計(jì)功率按照每機(jī)架8.8 kW考慮。

(2) 空調(diào)額定制冷負(fù)荷(kW)=機(jī)架數(shù)×8.8+機(jī)架數(shù)×8×150×0.001

空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷主要分為兩個(gè)部分,其中,“機(jī)架數(shù)×8.8”為設(shè)備發(fā)熱量,“機(jī)架數(shù)×8×150×0.001”為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)估算得熱量。

系數(shù)“8”為平均單機(jī)架占地面積(含其他設(shè)施占地面積,單位為m2/架;系數(shù)“150”為單位面積熱指標(biāo),單位為W/m2;系數(shù)“0.001”為將單位W轉(zhuǎn)換為kW。

(3) 空調(diào)按照1級能效考慮,能效轉(zhuǎn)換系數(shù)3.6。

如使用傳統(tǒng)水冷空調(diào)供冷方式的IDC機(jī)房,空調(diào)按照1級能效考慮,同樣條件下的PUE值計(jì)算公式如下:

PUE值=(機(jī)架數(shù)×8.8+空調(diào)額定制冷負(fù)荷/3.6)/(機(jī)架數(shù)×8.8)=1.32

此情況下機(jī)房規(guī)模大小對PUE值影響很小,本文暫不考慮。

3.2 LNG冷能利用對于PUE值的影響

傳統(tǒng)IDC機(jī)房和LNG冷能利用IDG機(jī)房PUE值對比見圖2。從圖中可以看出,傳統(tǒng)水冷空調(diào)供冷的IDC機(jī)房,使用1級能效的空調(diào)機(jī)組,PUE測算仍為1.32,高于1.3(上海市對于新建IDC機(jī)房的最低要求)。

圖2 傳統(tǒng)IDC機(jī)房和LNG冷能利用IDG機(jī)房PUE值對比

使用LNG冷能的IDC機(jī)房,將大大降低IDC機(jī)房的PUE值。當(dāng)IDC機(jī)房規(guī)模定于4 000以上時(shí),可以將現(xiàn)有LNG站一條穩(wěn)定的IFV線全部冷量充分利用;同時(shí),隨著機(jī)架規(guī)模的增加,在現(xiàn)有可用冷量不變的情況下,IDC機(jī)房建設(shè)規(guī)模越大,所需冷能總量中LNG冷能占比越小,空調(diào)負(fù)荷越大,PUE值越大,電能利用效率最低。當(dāng)IDC機(jī)房規(guī)模為20 000機(jī)架時(shí),LNG冷能占比18%,此時(shí)PUE值為1.27,依然低于1.3的標(biāo)準(zhǔn)要求。由此可見,當(dāng)可用LNG冷能穩(wěn)定的情況下,IDC機(jī)房規(guī)模有很大的擴(kuò)展空間。

綜合考慮投資、LNG冷能利用效率、PUE值等指標(biāo),在LNG冷能量相對穩(wěn)定的前提下,建議將IDC機(jī)房規(guī)模定于4 000機(jī)架以上,后期也可以根據(jù)實(shí)際情況對IDC的機(jī)房規(guī)模進(jìn)行擴(kuò)建。

4 IDC市場調(diào)研與建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

4.1 市場需求

根據(jù)《中國IDC市場現(xiàn)狀深度調(diào)研與投資戰(zhàn)略預(yù)測報(bào)告(2023—2029年)》顯示,國家多部門都陸續(xù)印發(fā)了支持、指導(dǎo)和規(guī)范IDC機(jī)房的發(fā)展政策,推動(dòng)IDC行業(yè)規(guī)范化、健康化發(fā)展。近年來,我國IDC行業(yè)市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大,2021年,上海及周邊地區(qū)IDC業(yè)務(wù)總量已經(jīng)突破158.7億元,并且保持了良好的發(fā)展勢頭。未來隨著5G、AI技術(shù)的不斷進(jìn)步,上海政府針對IDC業(yè)務(wù)已經(jīng)采取了更為嚴(yán)苛的措施,包括優(yōu)化地理位置、實(shí)施全球PUE值評估,以及實(shí)施有效的環(huán)境保護(hù)措施。報(bào)告還指出,上海市IDC機(jī)房利用率高達(dá)80%以上,遠(yuǎn)高于全國的平均水平52.8%,也高于北京、廣州、深圳的70%。IDC利用率接近飽和,呈現(xiàn)“一柜難求”態(tài)勢。

4.2 建設(shè)要求

依照《臨港新片區(qū)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)建設(shè)專門計(jì)劃(2020—2025)》及《上海市IDC機(jī)房指導(dǎo)意見》,上海市的IDC機(jī)房建設(shè)必須滿足以下要求。

(1) 應(yīng)用服務(wù)高端。即IDC機(jī)房的建設(shè)應(yīng)符合上海的發(fā)展需求和產(chǎn)業(yè)政策,例如,服務(wù)于上?！拔鍌€(gè)中心”建設(shè)及上海市產(chǎn)業(yè)地圖重點(diǎn)聚焦的產(chǎn)業(yè)(如人工智能、大數(shù)據(jù)、集成電路、機(jī)器人、金融服務(wù)、都市現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)等)。

(2) 新增規(guī)模嚴(yán)控。新建的大型IDC機(jī)房的建設(shè)規(guī)模至少3 000臺(tái)機(jī)柜,每臺(tái)的最低能耗為6 kW,而且整體的能耗必須達(dá)到 18 MW,同時(shí),PUE 值必須被嚴(yán)格限定為 1.3以下。

(3) 資源利用高效。應(yīng)當(dāng)大力推廣應(yīng)用最新的節(jié)能技術(shù),如錯(cuò)峰儲(chǔ)存、余溫回收、天然冷卻、直流電源、太陽能和風(fēng)力發(fā)電,極大地改善數(shù)字化建筑的性能。

4.3 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》,符合下列情況之一的IDC機(jī)房應(yīng)為A級:電子信息系統(tǒng)運(yùn)行中斷將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失;電子信息系統(tǒng)運(yùn)行中斷將造成公共場所秩序嚴(yán)重混亂。A級IDC機(jī)房主要應(yīng)用行業(yè)有金融行業(yè)、國家氣象臺(tái)、國家級信息中心、重要的軍事指揮部門、交通指揮調(diào)度中心、廣播電臺(tái)、電視臺(tái)、應(yīng)急指揮中心、電力調(diào)度中心、大型工礦企業(yè)、郵電、通信、網(wǎng)上支付等。

符合下列情況之一的IDC機(jī)房應(yīng)為B級:電子信息系統(tǒng)運(yùn)行中斷將造成較大的經(jīng)濟(jì)損失;電子信息系統(tǒng)運(yùn)行中斷將造成公共場所秩序混亂。B級IDC機(jī)房主要應(yīng)用行業(yè)有一般企業(yè)、科研院所、高等院校、博物館、檔案館、會(huì)展中心、國際體育比賽場館、政府辦公樓等。

從上述規(guī)劃的內(nèi)容可以看出,上海市對于新建IDC機(jī)房的項(xiàng)目要求較高,另一方面,根據(jù)上海市的發(fā)展需求和產(chǎn)業(yè)政策,上海市未來的行業(yè)及產(chǎn)業(yè)需求也基本屬于A級IDC機(jī)房的標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)。因此,從長遠(yuǎn)發(fā)展的角度來看,隨著技術(shù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要,建議將LNG冷能利用IDC機(jī)房項(xiàng)目的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)定為A級。

5 結(jié)語

LNG冷能利用IDC機(jī)房項(xiàng)目在冷熱源的穩(wěn)定性、可靠性方面匹配度很高,技術(shù)方面切實(shí)可行,同時(shí)采用閉式循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行冷熱源耦合,對外部環(huán)境友好,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。利用LNG為IDC機(jī)房提供冷量時(shí),能大大降低空調(diào)的用電負(fù)荷,從而降低PUE值,節(jié)約能耗。另外,采用LNG冷能利用的IDC機(jī)房可大幅降低補(bǔ)水量、節(jié)約電耗。外部市場方面,項(xiàng)目所在地區(qū)IDC機(jī)房市場需求量大,建設(shè)要求和相關(guān)政策良好,投產(chǎn)后使用率較高,可在短時(shí)間內(nèi)取得較大收益,經(jīng)濟(jì)效益較好。由此可見,此課題研究在政策、市場需求、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面均是可行的。建議將IDC機(jī)房規(guī)模定在4 000機(jī)架,建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為A級。