亚热带大型数据中心无冷站碳中和一体化解决方案

亚热带大型数据中心无冷站碳中和一体化解决方案

侯桂兵

（广东省电信规划设计院有限公司 广州  510630）

Integrated carbon neutral solution without cold station in large data center in subtropical zone

HOUGUIBING

（GUANGDONG PLANNING AND DESIGNING  INSTITUTE OF TELECOMMUNICATIONS CO.,LTD  GUANGZHOU  510630）

摘要：着重探讨亚热带大型无冷站数据中心一体化供电解决方案，分析了建筑、暖通、电气和智能化对应的碳中和技术。以某数据中心工程为例介绍了亚热带无冷站大型数据中心一体化解决方案如何设计。

关键词：数据中心；一体化供电；无冷站

Abstract: The solution of integrated power supply for data center of large scale non-cold station in subtropical zone is discussed, and the corresponding carbon neutralization technology for building, HVAC, electric and intelligentized is analyzed. Taking a data center project as an example, this paper introduces how to design an integrated solution for a large data center without a cold station in subtropical zone.

Key words: Data Center; integrated power supply; Non cold station

中图分类号：TM76；TM727.2          文献标识码：A          文章编号：

0  引言

国家发改委、中央网信办、工信部、国家能源局门联合印发《贯彻落实碳达峰碳中和目标要求推动数据中心和5G等新型基础设施绿色高质量发展实施方案》 发改高技〔2021〕1742号 有序推动数据中心绿色高质量发展，发挥其“一业带百业”作用，助力实现碳达峰碳中和目标.目标到2025年数据中心运行电能利用效率和可再生能源利用率明显提升，新建大型、超大型1.3以下，国家枢纽节点进一步降到 1.25 以下，绿色低碳等级达到4A 级以上[1]。数据中心作为能耗大户，如何实现碳中和是中国双碳政策实现的重要一环，亚热带地区如何实现碳中和尤其关键。在“双碳”政策的驱动下，国务院和各地政府对数据中心提出了更严格的PUE要求，在新政策数据中心的设计方案如何实现低PUE，将成为设计成败的关键。

1数据中心能耗分析

根据国标《数据中心资源利用第3部分:电能能效要求和测量方法》中对能源利用效率（PUE）的定义：PUE = 数据中心总能耗/IT设备能耗，其中数据中心总能耗包括IT设备能耗和制冷、配电等系统的能耗，其值大于1，越接近1表明非IT设备耗能越少，即能效水平越好[2]。

根据以往数据中心的实施运维数据，PUE在1.4左右的数据中心项目数据中心的能源消耗中，供配电、制冷、照明等占比约为28%-30%，IT设备占比约为70%-72%。制冷设施的能耗占比约20%，供电和及其它能耗占比约10%，节能潜力主要在制冷和配电系统。

图1 数据中心能耗占比及节能潜力分析

由上图分析可知，数据中心将PUE的关键是制冷和供电方案的选择。

2亚热带数据中心低PUE实现路径

降低数据中心PUE是一个系统工程需要多专业协同配合，主要实现路径需从建筑、暖通、供电、智能化等方面综合考虑。

2.1建筑技术路径：绿色建筑

光伏建筑一体化，建筑幕墙采用光电幕墙，光电幕墙不但具有普通幕墙所有的性能，而且可以将光能转化为电能的功能，实现光伏建筑一体化，从而降低PUE。

设置种植屋面系统：通过屋面绿植可降低室内温度，节能降耗，同时保护建筑结构，使屋面结构的温度应力减少，延长建筑使用年限，减少屋面的渗漏几率。

2.2暖通技术路径：一体化制冷

根据不同的机房类型和区域定制一体化选择不同的制冷方案。

图2 一体化制冷示意图

建设高效、可靠、经济、节能的空调主系统，主要有以下几种解决思路：

（1）空调系统可采用氟泵多联循环自然冷却机组、间接蒸发冷却塔、蒸发冷却式冷水机组、磁悬浮离心变频主机等节能设备，增加自然冷却时间，实现节能降碳。

（2）冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机等采用变频控制，末端风柜采用EC风机，根据数据中心的负荷情况调整空调系统的运行能耗，始终处于高效节能的运行状态。采用AI控制系统，根据系统的负荷情况，自动调优自动加减载，实现空调系统运行节能。

（4）空调冷冻水采用18/25℃的高水温、大温差的冷冻水系统，在保证空调冷量的前提下减少了空调主机、冷冻水泵的能耗，减少了空调系统不必要的除湿能耗，真正实现节能降碳。

2.3电气技术路径：一体化供电

   采用一体化供电方案，系统将变压器、低压配电柜、无功补偿、UPS 及馈线柜、柜间铜排和监控系统等集成一体化，主要特点为：

1)产品一体化集成：设计、采购、交付共产定制交付简单；

2)产品预制化：预安装预测试，质量可控，工期大大缩减，安装省时、省力、省心、部署快速灵活；

3)部件模块化：热插拔，维护简单，融合高密化：1列 1 路电，占地建设约30%；

4)高效供电：建少中间转换环节的损耗，供电效率可达 96%以上；

5)全局可视可控：集中实时管控、AI 预警高温过载，安全可靠，器件寿命预测、开关实时在线整定，声音图像异常识别，AI 故障预警。

图3 一体化供电示意图

2.4智能化技术路径：数字孪生和AI智能控制调优 

图4 数字孪生和AI智能控制调优示意图

通过数字孪生技术和BIM建设一套3D可视化运维监控平台，实施监测实体的活动：机房的可用空间、空调的运行状态、UPS的实时功率、服务器的CPU利用率等，这些就是指标数据通过AI技术，自动寻优实现运维和控制智慧化，提高空调、电气等设备的使用效率和使用寿命，实现节能增效。

3工程案例分析

2.1工程概况

以深圳某数据中心为例，本工程总建筑面积为39650㎡，地上六层，建筑高度为30.8m，防火设计的建筑分类为丙类高层厂房建筑。本工程首层规划门厅、备消防控制室、安保值班室运营商接入间、IT机房、高压室、配电室、电池室、动力值班室等辅助用房， 二~六层规划IT机房、配电室、电池室、气瓶间等辅助用房， 屋面层规划电梯机房、电梯厅、排烟机房、水泵房、配电室、空调室外机等，总的规划机柜数为8338面，其中6kW机柜3604面、4.4kW机柜4718面、运营商机柜16面，总的IT负荷用电为39364kW，设计要求PUE为1.25以下，应急柴油发电机低仓布置，按数据中心A类机房设计。

2.2 建筑设计方案

本工程主要改造内容：建筑内部使用功能改为数据中心、外立面BIPV改造及屋面设备层改造。主要是完成机楼全部土建工程；完成楼板孔洞开孔及管线安装完成后的防火封堵工程包括空调、电气、通信等孔洞；部分孔洞暂未安装管线时的临时封堵工程；完成三部电梯的土建及安装工程；完成所有的设备基础工程。

2.3暖通设计方案

本工程采用节能型风冷冷媒空调系统，机房共设置260套蒸发冷型热管冷机空调机组，各系统划分如下：

 1）IT机房区域空调形式均采用"蒸发冷型热管冷机空调机组",每套室外机由1个主机泵柜和1个蒸发冷凝器（冷塔）组成。其中大楼东、西两侧小机房，单侧机房室内、外机跨楼层连接，室外机额定制冷量为160kW，共20台；其他机房每套空调室外机负担的每一个室内机位于同一机房内的不同封闭模块，首层MD01/MD02机房、2层MD05/MD10机房、3层MD15/MD20机房、4层MD25/MD30机房、5层MD35/MD40机房、6层MD44/MD48机房中，部分室外机额定制冷量为160kW，共28台；其余室外机额定制冷量为240kW共212台。所有机组均采用N+1备用，共计设置了260套蒸发冷型热管冷机空调机组室外机，其中48台为备用机组。

2）IT机房区域末端空调室内机均采用风冷列间空调的形式，机柜采用封闭热通道，每个封闭通道模块内的空调采用N+1备用。所有IT机房列间空调的净显冷量均为40KW，本项目采用23℃/37℃进出风工况。

3）本大楼1~6层的配电间，均采用带氟泵自然冷模块的风冷直膨房间级空调，送风气流组织形式为上送风，侧回风。

4）首层电池室空调采用带氟泵自然冷模块的风冷直膨房间级空调；2-6层电池室采用风冷直膨吊装型空调机组。电池间的空调均采用N+1备用。

  5）首层三个运营商接入间的空调形式采用带氟泵自然冷模块的风冷直膨房间级空调，N+1备用。

2.4电气设计方案

1、市电：本工程终期共接入6组12路市电电源，每组电源引入2路电源按2N配置。每套高压系统引入2路10000kVA市电，总的市电容量为60000kVA主用和60000kVA备用，市电采用单母线分段接线方式。

2、一体化供电系统：建设26组52套一体化供电系统，其中2000kVA一体化供电系统20套，25000kVA一体化供电系统32套，每组一体化供电系统设置2套，2套一体化电源互为备用，平时各带50%负载，每套一体化电源配置市电和UPS出线柜。本工程变压器深入负荷中心每层均设置变配电房，各变配电房内主要设备配置如下： 首层配电室L/R-01/02设置：2000kVA和2500kVA一体化供电系统各一套。2~5层配电室L/R-01/02设置：2000kVA和2500kVA一体化供电系统各一套。6层配电室L/R-01/02设置：2500kVA一体化供电系统各3套。

3、发电机系统：在低仓设置3组并机系统，每组并机系统设置13台10kV PRP功率1800kW的发电机组，每套并机系统采用12主用1台备用。

2.5智能化设计方案

本工程智能化系统设计包括:综合布线、信息发布系统、安全技术防范系统(包含视频监控系统、出入口控制系统、入侵报警系统、访客系统)、可视对讲系统、动环监控系统、建筑设备监控系统（含AI群控）、蓄电池监控系统、DCIM系统（包含3D可视化运维监控平台、巡检机器人）、ECC中控系统、大屏幕显示系统等。本工程安防监控室设置在首层监控中心。

本工程通过大数据AI群控、机器人巡检及基于3D可视化的数字孪生的那个等技术，实现集约化、智慧化节能运营。

2.6 PUE计算

本工程通过采用一体化供电系统、节能型风冷冷媒空调加氟泵热管多联系统、BIPV光伏、AI群控、机器人巡检等先进技术，实现碳中和节能降耗、全年设计PUE 1.249。

图5 PUE计算表

4结语

本文着重探讨亚热带地区无冷站数据中心碳中和解决方案，从建筑、暖通、电气和智能化各方面分析了对应的碳中和方案，通过深圳地区某数据中心具体实践，介绍了亚热带地区无冷站数据中心一体化解决方案如何设计。S

参考文献

[1]《贯彻落实碳达峰碳中和目标要求推动数据中心和5G等新型基础设施绿色高质量发展实施方案》 发改高技〔2021〕1742号

[2]中华人民共和国工业和信息化部．《数据中心资源利用第3部分:电能能效要求和测量方法》GBT32910.3-2016 [S]．北京：中国计划出版，2016