EPC模式下數(shù)據(jù)中心機(jī)房工程建設(shè)探討

EPC模式下數(shù)據(jù)中心機(jī)房工程建設(shè)探討摘要：通過實際工程案例的分析，對數(shù)據(jù)中心機(jī)房制冷系統(tǒng)、配電系統(tǒng)的配置要求進(jìn)行分析，對原施工圖設(shè)計與建設(shè)開發(fā)后優(yōu)化設(shè)計方案的進(jìn)行了一系列對比，力求在滿足系統(tǒng)可靠性的前提下，減低機(jī)房的能耗及發(fā)熱量，提高供電和制冷系統(tǒng)的效率，減少不必要的浪費關(guān)鍵詞：A級數(shù)據(jù)機(jī)房UptimeTierIV電氣系統(tǒng)風(fēng)冷系統(tǒng)水冷系統(tǒng)安全性A\B路物理隔離設(shè)計方式0引言信息化是時代發(fā)展的大趨勢,代表著先進(jìn)生產(chǎn)力。信息技術(shù)的發(fā)展，離不開后臺硬件的支撐。在時代發(fā)展的需求下，給數(shù)據(jù)機(jī)房的建設(shè)按下了快進(jìn)鍵。近年來，國內(nèi)興起了數(shù)據(jù)中心建設(shè)的熱潮。EPC工程總承包模式是指總包企業(yè)承攬整個建設(shè)工程的設(shè)計、采購、施工，并對所承包的建設(shè)工程的質(zhì)量、安全、工期、造價等全面負(fù)責(zé)，最終向建設(shè)單位提交一個符合合同約定、滿足使用功能、具備使用條件并經(jīng)竣工驗收合格的建設(shè)工程。1背景介紹本項目位于華北地區(qū)，是使用單位為適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)發(fā)展、大數(shù)據(jù)需求、與現(xiàn)有機(jī)房數(shù)據(jù)備份，提供企業(yè)競爭力、保證數(shù)據(jù)安全性為目標(biāo)而建立的數(shù)據(jù)機(jī)房。本機(jī)房為A級（最高級別）數(shù)據(jù)機(jī)房，即容錯性數(shù)據(jù)機(jī)房，在系統(tǒng)需要運行期間，其場地設(shè)備不應(yīng)因操作失誤、設(shè)備故障、外電源中斷、維護(hù)和檢修而導(dǎo)致電子信息系統(tǒng)運行中斷，對系統(tǒng)的安全性要求高，數(shù)據(jù)機(jī)房定位最終獲得國家A級機(jī)房認(rèn)證和UptimeTierIV設(shè)計認(rèn)證。該項目合同形式為EPC工程總承包模式，要求設(shè)備機(jī)房不間斷無故障運行，故安全性是應(yīng)遵循的首要原則；數(shù)據(jù)機(jī)房耗電量大，運營成本高，應(yīng)在安全性的前提下兼顧經(jīng)濟(jì)性原則；在EPC模式下，前期固化業(yè)主的需求，確定設(shè)計方案是重中之重。工程總體投資和風(fēng)險可控，業(yè)主確定方案和交付標(biāo)準(zhǔn)后，總承包方通過競爭性投標(biāo)報出總價，并在總價包干的基礎(chǔ)上充分進(jìn)行投資控制。下文針對本項目就數(shù)據(jù)中心的電氣系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)的特點及能耗指標(biāo)PUE等的設(shè)計進(jìn)行探討。2暖通系統(tǒng)特點及系統(tǒng)建議國標(biāo)A級機(jī)房設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中，制冷空調(diào)系統(tǒng)采用N+X冗余(X=1~N)設(shè)置，機(jī)房設(shè)備滿足在線維護(hù)功能，宜設(shè)置單點故障不影響系統(tǒng)運行及連續(xù)制冷需求。美標(biāo)TierIV級要求制冷空調(diào)系統(tǒng)不僅要滿足可在線維護(hù)的要求，還要具備容錯功能，在暖通方面美標(biāo)級高于國標(biāo)級。美標(biāo)TierIV級通過組件和分配路徑的冗余及物理分隔設(shè)置，使得制冷空調(diào)系統(tǒng)有能力允許任何有計劃的活動而不中斷數(shù)據(jù)處理設(shè)備的運行，也能承受一次非計劃故障的能力。制冷空調(diào)系統(tǒng)本身可以自動響應(yīng)一次錯誤，以免造成進(jìn)一步影響。TierIV級別的制冷空調(diào)系統(tǒng)的采用2N架構(gòu)，具備在線維護(hù)功能，單點故障不影響系統(tǒng)運行。制冷主機(jī)、末端精密空調(diào)、冷凍水管路在任一單次故障后仍有N，滿足容錯要求。并需要設(shè)置蓄冷裝置，滿足連續(xù)制冷需要。本工程要求數(shù)據(jù)中心機(jī)房按照滿足國家A級機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，滿足UptimeTierⅣ要求?？照{(diào)制冷系統(tǒng)按照2N容錯設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計以高安全性、高可靠性為前提，結(jié)合先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)性，具備易維護(hù)性和可擴(kuò)展性，采用自然冷卻、冷熱通道隔離、變頻、高溫冷凍水等綠色、節(jié)能技術(shù)，系統(tǒng)的年化PUE值可控制在不超過1.40，A路冷源為自然冷卻水系統(tǒng)，B路冷源為風(fēng)冷冷卻水系統(tǒng)。在滿足末端機(jī)房內(nèi)制冷量和模塊機(jī)房內(nèi)送風(fēng)溫度的情況下，選取高效的制冷設(shè)備，加長自然冷卻時間，優(yōu)化整體的制冷系統(tǒng)，使得整體能耗降低，減少了部分閥門的控制邏輯，減少系統(tǒng)故障率，維護(hù)更加簡單。風(fēng)冷設(shè)備同水冷系統(tǒng)設(shè)備選型一樣，在同樣的制冷量的條件下選取效率高的，減少相應(yīng)設(shè)備數(shù)量。表1制冷設(shè)備初設(shè)方案與施工圖方案選型對比水冷冷凍水系統(tǒng)（初設(shè)方案）設(shè)備類型參數(shù)數(shù)量變頻冷水機(jī)組0.4kV1000RT，12/18℃，33.5/39.5℃，COP5.9，冷凝側(cè)阻力90kPa，蒸發(fā)側(cè)阻力90kPa，輸入功率580kw。6冷卻塔700m3/h，33.5/39.5℃，夏季濕球溫度30.9℃，冬季濕球溫度6℃，水阻70kPa，輸入功率90kw。6板式換熱器換熱量3867kw；一次側(cè)流量652.1m3/h，水溫11/16.1℃，壓降50kPa；二次側(cè)流量610m3/h，水溫12/18℃，壓降50kPa。6冷卻水泵流量712m3/m3,揚(yáng)程34米，輸入功率75kw。6冷凍水一次泵流量529m3/h，揚(yáng)程26米，輸入功率55kw。6冷凍水二次泵流量515m3/h，揚(yáng)程18米，輸入功率37kw。6水冷冷凍水系統(tǒng)（施工圖）變頻冷水機(jī)組0.4kV1500RT，15/22℃，33.5/39.5℃，COP≥7.5，冷凝側(cè)阻力80kPa，蒸發(fā)側(cè)阻力80kPa，輸入功率704kw。4冷卻塔950m3/h，33.5/39.5℃，夏季濕球溫度30.9℃，冬季濕球溫度8℃，水阻70kPa，輸入功率45kw.4板式換熱器換熱量5276kw；一次側(cè)流量950m3/h，水溫13.5/18.5℃，壓降50kPa；二次側(cè)流量650m3/h，水溫15/22℃，壓降50kPa。4冷卻水泵流量950m3/m3,揚(yáng)程32米，輸入功率132kw。4冷凍水一次泵流量712m3/h，揚(yáng)程20米，輸入功率55kw。4冷凍水二次泵流量650m3/h，揚(yáng)程30米，輸入功率75kw。43電氣系統(tǒng)特點及系統(tǒng)建議在EPC設(shè)計階段我們梳理了電氣系統(tǒng)架構(gòu)及配電路由，原初設(shè)中模塊機(jī)房的配電與模塊機(jī)房（圖1,陰影部分為配電系統(tǒng)布置區(qū)域）設(shè)置不合理，配電路由錯綜復(fù)雜，對后期運營維護(hù)管理不方便，同時初步PUE值無法滿足小于1.4的要求。于是我們對IT模塊機(jī)房層提出了布局的方案調(diào)整，調(diào)整為配電在中間，模塊在兩側(cè)（圖2，陰影部分為配電系統(tǒng)布置區(qū)域），這樣使得IT系統(tǒng)的配電清晰化，同時縮短了UPS輸出路由，降低低壓線路損耗，保證了系統(tǒng)的可靠性。圖1原IT配電與模塊布置方案圖2施工圖調(diào)整后配電與模塊布置方案在IT系統(tǒng)負(fù)載下，每層每臺2500kVA變壓器下均設(shè)置4*600kVA的UPS電源和1*100kVA的UPS電源專供該樓層IT設(shè)備用電，共設(shè)置6組4*600kVA的UPS電源和6組1*100kVA的UPS電源，每兩組成對運行，互為熱備用（A/B路電源）。通過計算，每一個模塊機(jī)房的滿負(fù)載下為900KW，在一路市電停掉的情況下，單臺變壓器需滿足2個模塊機(jī)房下的所有負(fù)荷；即1800KW。施工圖優(yōu)化后最終選用變壓器容量2000KVA，UPS容量4*500KVA，降低非IT損耗，包括變壓器損耗、UPS逆變損耗、斷路器損耗、電力電纜損耗等。圖3初設(shè)IT系統(tǒng)配電方案系統(tǒng)圖圖4施工圖IT系統(tǒng)配電方案系統(tǒng)圖

在動力配電系統(tǒng)下，風(fēng)冷系統(tǒng)與水冷系統(tǒng)也是按2N的配電。筆者認(rèn)為制冷系統(tǒng)已經(jīng)是互為備用，況且配電做成了4N架構(gòu)，極其浪費。可以通過對制冷設(shè)備的重新選型（冷水機(jī)組，冷卻塔，風(fēng)冷設(shè)備）選取效率高的設(shè)備，同時減少了設(shè)備也減少了相關(guān)配電設(shè)施，使得數(shù)據(jù)機(jī)房整體系統(tǒng)下減少初投資和運行費用。表2動力配電系統(tǒng)優(yōu)化前后對比初設(shè)階段動力系統(tǒng)設(shè)備容量施工圖階段動力系統(tǒng)設(shè)備容量備注1-1FTR-1A-2A/1B-2B下（負(fù)載1660kw）：2*2000kVA（2N架構(gòu)）1-1FTR-2A-3A/2B-3B下（負(fù)載1870.8kw）：2*2000kVA（2N架構(gòu)）2臺水冷冷機(jī)2*580kw2臺水冷冷機(jī)2*704kw優(yōu)化減少中壓柜4臺，變壓器2臺，低壓柜26臺，末端ATS切換柜24臺。2臺冷卻塔2*120kw2臺冷卻塔2*45kw2臺冷卻水泵2*75kw2臺冷卻水泵2*132kw2臺冷凍水一次水泵2*55kw2臺冷凍水一次水泵2*55kw1-rFTR-1A-3A/1B-3B下（負(fù)載1758kw：2*2000kVA（2N架構(gòu)）1-1rFTR-1A-3A/1B-3B下（負(fù)載2800kw）：2*1600kVA（N架構(gòu)）3臺風(fēng)冷冷機(jī)3*502kw4臺風(fēng)冷冷機(jī)4*564kw優(yōu)化減少中壓柜4臺，變壓器2臺，低壓柜26臺，末端ATS切換柜24臺。3臺冷凍水一次水泵3*22kw4臺冷凍水一次水泵4*30kw5臺空調(diào)新風(fēng)機(jī)5*5.5kw12臺空調(diào)新風(fēng)機(jī)12*5.5kw3臺風(fēng)冷熱泵機(jī)組3*42kw8臺風(fēng)冷熱泵機(jī)組8*42kw筆者認(rèn)為對于機(jī)房后期運營中水冷系統(tǒng)為最節(jié)能的運行方式，所以對水冷系統(tǒng)進(jìn)行2N配電，風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行N*25%配電（夏季），風(fēng)冷系統(tǒng)2N進(jìn)行配電（過度季和冬季）。4方案對比的經(jīng)濟(jì)分析表3成本分析表優(yōu)化項成本變化備注IT模塊機(jī)房布局優(yōu)化調(diào)整節(jié)約800萬詳見圖1，圖2IT配電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整節(jié)約1500萬詳見圖3，圖4制冷設(shè)備的重新選型調(diào)整增加800萬詳見表1動力配電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整節(jié)約1500萬詳見表2柴油發(fā)電機(jī)隨之調(diào)整節(jié)約1000萬詳見表310KV配電系統(tǒng)隨之調(diào)整節(jié)約1500萬詳見表3項目初投資成本總計節(jié)約5500萬-通過以上方案優(yōu)化調(diào)整，不但沒有降低系統(tǒng)的可靠性，同時滿足A級機(jī)房與UptimeTierIV的標(biāo)準(zhǔn)，對機(jī)房整體的投資大大降低。通過對全年8760個小時的逐時計算，數(shù)據(jù)中心的能耗要求達(dá)到1.33（PUE＜1.4）。從機(jī)房長期運營故障率低，制冷維護(hù)簡單，故障修復(fù)時間短，平均無故障時間長等方面為也業(yè)主方提供了更好的增值服務(wù)，同時PUE值的降低每一年能節(jié)約運營電費400-500萬。5結(jié)束語上述對EPC模式下，以設(shè)計為主導(dǎo)對比制冷系統(tǒng)與配電系統(tǒng)的深化實施，最終實現(xiàn)了價值工程。筆者認(rèn)為采用EPC模式進(jìn)行大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)是切實可行的，能夠再控制投資預(yù)算的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)高等級高可靠性數(shù)據(jù)中心的快速交付，樹立行業(yè)競爭優(yōu)勢，贏得商業(yè)先機(jī)。參考文獻(xiàn)[1]中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司.工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊[M].4版.北京：中國電力出版社，2016.[2]中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院.18DX009數(shù)據(jù)中心工程設(shè)計與安裝[S].北京：中國計劃出版社.2018.[3]中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司.GB51348-2019民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社.2019.[4]中國建筑科學(xué)研究院.GB50189-2015公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社.