LNG冷能利用IDC机房课题研究

万 金,陈 曼,董博理,金渊明,姚珉芳,严艺敏

(1.中国五环工程有限公司,湖北 武汉 430223;2.上海液化天然气有限责任公司,上海 200021)

近年来,国内外对LNG冷能利用进行了广泛研究。日本是世界上LNG消费量最大的国家,拥有超过40年的LNG冷却技术,且在多个领域都得到了广泛的应用,如空调系统、水处理、冷却塔和储存槽;韩国主要在食品冷冻冷藏和空气分离方面应用LNG冷能,能节约50%电力;印度将LNG冷能应用于燃气轮机进气冷却,提高燃气轮机发电量;中国在LNG冷能利用方面起步较晚,但已有一些成功案例,如上海某LNG项目,利用LNG冷能进行发电和大型储罐的应用,随着项目所在地LNG站线项目的推进,给LNG冷能高效利用和示范应用提供了有利条件,也有助于实现节能减排和促进经济循环发展。

本文依托上海某LNG接收站一期和储罐扩建工程、站线扩建项目,开展接收站冷能供冷方案研究和IDC机房LNG供冷关键技术研究,并得出LNG冷能利用IDC机房项目的研究方案。

利用LNG冷能为IDC机房供冷,可以大幅提高IDC机房的能源利用效率和降低运营成本。传统的空调制冷方式存在着传热效率低、局部热点难以消除以及制冷系统能耗大等问题。而LNG冷能技术能够高效地回收利用冷能,将其转化为冷空气,实现对IDC机房的供冷。同时,LNG冷能技术具有安全、环保、经济等优势,是一种可持续发展的能源利用方式。通过利用LNG冷能为IDC机房供冷,可以有效降低机房温度,提高设备运行效率和寿命,减少能源消耗和碳排放,从而降低企业运营成本,提高企业竞争力。因此,利用LNG冷能为IDC机房供冷具有重要的意义和应用价值。

LNG冷能是将天然气冷却至极低温度(约-162 ℃),使其从气态转变为液态。在液态状态下,天然气体积大大减小,便于存储和运输。同时,LNG冷能可用于多种领域,如工业、能源生产和航运等。在IDC机房中,LNG冷能被应用于冷却系统,可降低IDC机房电能利用效率(PUE值),减少能耗,降低碳排放,从而推动IDC机房的可持续发展。

LNG冷能在IDC机房降温方面具有以下优势:高效冷却能力、温度极低、快速降温设备;环保和节能、减少碳排放、降低环境影响;节省空间、体积小、优化IDC机房布局;灵活性,可适用于不同规模和需求。可以说,LNG冷能是一种可持续的、高效的IDC机房降温解决方案。

本文所讨论的IDC机房拟建设地点在上海某LNG接收站附近,附近还有相应的燃气发电厂项目,不仅有天然的冷热交换资源以供IDC机房使用,也有配套的发电厂和市电提供稳定可靠的用电负荷,为IDC机房的建设提供了天然的资源。

2.1 LNG供冷稳定性

LNG供冷的稳定性对于IDC机房建设具有重要意义。稳定的LNG供冷系统能确保IDC机房内设备的稳定运行温度,降低设备过热和故障的风险,提高IDC机房的可靠性和稳定性。同时,稳定的供冷系统有助于保障数据安全。此外,LNG供冷的稳定性还能提高IDC机房的能效水平,精确控制冷却效果,避免不必要的能源浪费,降低运营成本。

LNG接收站的供气负荷随季节变化。春秋季运行IFV(中间介质气化器)1条线(满负荷运行),夏季运行2条线(满负荷运行),冬季运行3条线(按历史数据,受海水温度影响,运行负荷不饱满工况的时间较短,本研究暂按冬季满负荷运行考虑)。全年可保证中间介质气化器至少1条线的稳定冷能输出(可用性99%)。

基于LNG站线扩建项目全年至少IFV1条线稳定外输的运行要求,IDC机房规模可按IFV1条线的供冷量匹配建设,IDC机房产生的热能可作为接收站外输供气1条线的基本保障。

2.2 IDC机房空调系统与LNG冷能耦合

由于IDC机房中计算机设备对机房的温度有较高的要求,因此,对空调系统的稳定性和可靠性要求也就较高。考虑到LNG接收站全年检修的需求和IDC机房对冷源高的可靠性,IDC机房空调系统仍按其需求配置:当LNG供冷时,IDC机房空调系统低负荷运转;当LNG冷量负荷减少或断供时,其空调系统从低负荷运行状态提高至满负荷运行,以满足IDC机房需求。

传统IDC机房从空调系统冷源的制冷形式上主要分为3种:单元式风冷型空调系统、冷却水空调系统、冷冻水空调系统。

为响应国家节能减排相关要求和降低企业运营成本,同时为便于合理利用LNG冷能等多重因素考虑,空调系统可采用冷冻水空调系统。这种方式制冷能够与LNG冷能实现供冷耦合,一方面能满足IDC机房的供冷的双保险,另一方面能提供更好的节能效果。

采用LNG冷能为IDC机房供冷时,IDC机房空调系统配置不减少,仅运行方式发生变化。同时,在空调系统末端的供水系统、回水系统与LNG冷能的供冷系统之间增设管线或冷媒换热器。是否设冷媒换热器取决于冷媒介质,若冷媒介质为水,则仅增加相应的供水和回水系统即可。

由于LNG冷能和IFV设备的特点以及IDC机房对温度的要求,直接供冷方式无法满足稳定性的需求,因此采用载冷剂循环的方式、间接向IDC机房供冷是比较合适的供冷方式。本研究中,LNG冷能为IDC机房提供的循环冷冻水的温度,可按通用的供水温度12 ℃、回水温度18 ℃进行。循环冷冻水接至空调冷冻水系统分集水器,与冷水机组并联运行。根据机房末端空调负荷,合理调整LNG冷能和冷水机组运行负荷比例。冷热耦合基本原理见图1。

2.3 冷热耦合运行控制策略

(1) 正常的运行控制策略。正常运行工况下,LNG接收站满负荷运行的1条IFV线,采用循环冷冻水为IDC机房供冷。LNG冷能冷却后的循环冷冻水经循环水泵升压后,送至IDC机房的末端空调使用,其空调回水作为热源返回此LNG接收站入口,气化LNG。

正常工况下,相应LNG接收站IFV的冷量与对应的IDC机房空调系统热量匹配。正常波动时,通过冷冻循环水给水系统流量调节阀进行调节。

(2) IDC机房负荷波动、中断对LNG接收站的影响。当IDC机房空调系统对接收站IFV冷量需求的负荷增大、偏离基准工况较大时,保持接收站IFV负荷基本稳定,同时上调IDC机房自身的空调系统负荷满足其自身对冷量的需求。

当IDC机房空调系统中对接收站IFV冷量需求的负荷降低、偏离基准工况较大时,将此LNG接收站IFV的负荷调节降低与之匹配,同时多出的负荷调节至其他负荷较低的IFV线,满足接收站安全保供的需要。

当IDC机房空调系统对接收站IFV冷量需求中断时,停用该IFV线、调节切换至其他IFV线,或使用海水系统提供热源,实现接收站安全保供。

(3) LNG接收站负荷波动、中断对IDC机房的影响。当接收站IFV运行负荷增大或减小的波动较大时,自动变频调节降低或提高IDC机房自身空调系统运行负荷,保证IDC机房的安全性和可靠性。

当接收站IFV冷量中断时,自动全量运行IDC机房自身空调系统运行负荷,保证IDC机房的安全性和可靠性。

3.1 IDC机房PUE值测算

IDC机房是现代科技发展的关键所在,为了应对IDC机房的能耗挑战,需要采取各种措施,如优化IDC机房设计、提高能源效率、采用节能技术、推广可再生能源的应用等,以实现IDC机房的可持续发展。

电能利用效率(PUE)是评定IDC机房能耗非常重要的评定指标,其数值为IDC机房内所有用电设备消耗的总电能与所有电子信息设备消耗的总电能之比。在理想情况下,PUE值越低,表明电能利用效率越高(PUE值无限接近于1)。IDC机房内用电负荷包括电子信息设备、末端空调、水冷机组、水泵和冷却塔、办公负荷、建筑负荷等。其中,办公负荷、建筑负荷占比较低(3%左右),本阶段PUE估算时暂不考虑。

根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》,本阶段PUE采用下述公式计算:

IDC机房利用LNG为其提供冷量时,将大大降低末端空调、水冷机组、水泵和冷却塔的电能,而电子信息设备的总电能是不变,根据计算公式,LNG冷能利用率越高,空调系统耗电越少,电能使用效率PUE值越低。

基于可用LNG冷能36 755 kW(业主提供),在不同的机架规模(3 000～10 000)下,计算所得的PUE值见表1。

表1 计算所得的PNG值

关于上表的数据,说明如下:

(1) IT设备设计功率按照每机架8.8 kW考虑。

(2) 空调额定制冷负荷(kW)=机架数×8.8+机架数×8×150×0.001

空调系统负荷主要分为两个部分,其中,“机架数×8.8”为设备发热量,“机架数×8×150×0.001”为建筑围护结构估算得热量。

系数“8”为平均单机架占地面积(含其他设施占地面积,单位为m2/架;系数“150”为单位面积热指标,单位为W/m2;系数“0.001”为将单位W转换为kW。

(3) 空调按照1级能效考虑,能效转换系数3.6。

如使用传统水冷空调供冷方式的IDC机房,空调按照1级能效考虑,同样条件下的PUE值计算公式如下:

PUE值=(机架数×8.8+空调额定制冷负荷/3.6)/(机架数×8.8)=1.32

此情况下机房规模大小对PUE值影响很小,本文暂不考虑。

3.2 LNG冷能利用对于PUE值的影响

传统IDC机房和LNG冷能利用IDG机房PUE值对比见图2。从图中可以看出,传统水冷空调供冷的IDC机房,使用1级能效的空调机组,PUE测算仍为1.32,高于1.3(上海市对于新建IDC机房的最低要求)。

图2 传统IDC机房和LNG冷能利用IDG机房PUE值对比

使用LNG冷能的IDC机房,将大大降低IDC机房的PUE值。当IDC机房规模定于4 000以上时,可以将现有LNG站一条稳定的IFV线全部冷量充分利用;同时,随着机架规模的增加,在现有可用冷量不变的情况下,IDC机房建设规模越大,所需冷能总量中LNG冷能占比越小,空调负荷越大,PUE值越大,电能利用效率最低。当IDC机房规模为20 000机架时,LNG冷能占比18%,此时PUE值为1.27,依然低于1.3的标准要求。由此可见,当可用LNG冷能稳定的情况下,IDC机房规模有很大的扩展空间。

综合考虑投资、LNG冷能利用效率、PUE值等指标,在LNG冷能量相对稳定的前提下,建议将IDC机房规模定于4 000机架以上,后期也可以根据实际情况对IDC的机房规模进行扩建。

4.1 市场需求

根据《中国IDC市场现状深度调研与投资战略预测报告(2023—2029年)》显示,国家多部门都陆续印发了支持、指导和规范IDC机房的发展政策,推动IDC行业规范化、健康化发展。近年来,我国IDC行业市场规模持续扩大,2021年,上海及周边地区IDC业务总量已经突破158.7亿元,并且保持了良好的发展势头。未来随着5G、AI技术的不断进步,上海政府针对IDC业务已经采取了更为严苛的措施,包括优化地理位置、实施全球PUE值评估,以及实施有效的环境保护措施。报告还指出,上海市IDC机房利用率高达80%以上,远高于全国的平均水平52.8%,也高于北京、广州、深圳的70%。IDC利用率接近饱和,呈现“一柜难求”态势。

4.2 建设要求

依照《临港新片区数据通信基础建设专门计划(2020—2025)》及《上海市IDC机房指导意见》,上海市的IDC机房建设必须满足以下要求。

(1) 应用服务高端。即IDC机房的建设应符合上海的发展需求和产业政策,例如,服务于上海“五个中心”建设及上海市产业地图重点聚焦的产业(如人工智能、大数据、集成电路、机器人、金融服务、都市现代绿色农业等)。

(2) 新增规模严控。新建的大型IDC机房的建设规模至少3 000台机柜,每台的最低能耗为6 kW,而且整体的能耗必须达到 18 MW,同时,PUE 值必须被严格限定为 1.3以下。

(3) 资源利用高效。应当大力推广应用最新的节能技术,如错峰储存、余温回收、天然冷却、直流电源、太阳能和风力发电,极大地改善数字化建筑的性能。

4.3 建设标准

根据GB50174—2017《数据中心设计规范》,符合下列情况之一的IDC机房应为A级:电子信息系统运行中断将造成重大的经济损失;电子信息系统运行中断将造成公共场所秩序严重混乱。A级IDC机房主要应用行业有金融行业、国家气象台、国家级信息中心、重要的军事指挥部门、交通指挥调度中心、广播电台、电视台、应急指挥中心、电力调度中心、大型工矿企业、邮电、通信、网上支付等。

符合下列情况之一的IDC机房应为B级:电子信息系统运行中断将造成较大的经济损失;电子信息系统运行中断将造成公共场所秩序混乱。B级IDC机房主要应用行业有一般企业、科研院所、高等院校、博物馆、档案馆、会展中心、国际体育比赛场馆、政府办公楼等。

从上述规划的内容可以看出,上海市对于新建IDC机房的项目要求较高,另一方面,根据上海市的发展需求和产业政策,上海市未来的行业及产业需求也基本属于A级IDC机房的标准行业。因此,从长远发展的角度来看,随着技术发展和经济建设的需要,建议将LNG冷能利用IDC机房项目的建设标准定为A级。

LNG冷能利用IDC机房项目在冷热源的稳定性、可靠性方面匹配度很高,技术方面切实可行,同时采用闭式循环水系统进行冷热源耦合,对外部环境友好,具有良好的经济效益和社会效益。利用LNG为IDC机房提供冷量时,能大大降低空调的用电负荷,从而降低PUE值,节约能耗。另外,采用LNG冷能利用的IDC机房可大幅降低补水量、节约电耗。外部市场方面,项目所在地区IDC机房市场需求量大,建设要求和相关政策良好,投产后使用率较高,可在短时间内取得较大收益,经济效益较好。由此可见,此课题研究在政策、市场需求、技术、经济等方面均是可行的。建议将IDC机房规模定在4 000机架,建设标准为A级。

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