新基建形勢下數據中心園區多層動力中心設計研究

曾舒婭 孫立峰 郎艷麗

【摘要】? ? 在新基建形勢下，本文結合理論研究和實際工程經驗，通過研究特定場地內數據中心園區動力中心的建設需求，形成多層動力中心的設計方案。

【關鍵詞】? ? 數據中心? ? 多層動力中心? ? ?設計

一、研究背景

在國家推進新基建發展的形勢下，數據中心園區建設呈現出加速發展的趨勢，動力中心設計作為機房樓的“心臟”，也同樣受市場需求、通信工藝、結構方案、電源方案、綠色節能、環保措施等諸多因素的影響，呈現出前所未有的新態勢。在中國南方省份，土地資源稀缺，政府為提高土地的利用率，對規劃條件中的容積率、綠化率、停車位等技術經濟指標有著較高的要求，多層動力中心的建筑形式就此產生，對其設計研究具有極大的現實意義。

二、研究思路及基本原則

本文通過分析數據中心園區多層動力中心的建設特點情況，從建筑功能、防火分區、電源工藝、結構抗震等進行深入研究的基礎上，提出多層動力中心的設計策略。

2.1多層動力中心的特點

1.集中化建筑難點。當數據中心園區建設需求較大，場地規劃指標控制較嚴時，會出現動力中心集中建設的情況，這種方式存在著進排風處理難度大、防火分區劃分復雜、設備搬運空間緊湊等難度，需要找到一個契合點來進行有效組織。

2.結構技術難點大。南方某動力中心地面3層，3層均需放置柴油發電機，按每層16臺，共48臺計算。1）荷載大。油機設備較重， 2）結構計算層高高。油溝及設備安裝凈高需要造成層高高。3）振動及共振。油機運行期間有振動，并且數量多，避免油機振動及共振對建筑結構主體造成的安全隱患也是本工程的最難點。

3.電源工藝復雜。柴油發電機組設備尺寸較大大，單臺柴油發電機組最輕為16.5噸，多層動力中心的設計不但要重點考慮設置在一層以上的柴油發電機組安裝與后期維護的問題，還需要綜合考慮進排風面積的問題。

2.2研究思路

針對多層動力中心的建設特點進行研究，主要有幾個方面：

1.用地靈活性較高，可根據實際地形和建設強度考慮多層。2.進排風需求量大，建筑綜合考慮有效進風洞口的預留及有組織的排風。3.豎向排風較為復雜，防火分區劃分不同于一般平面，建筑需考慮豎向排風井道的防火分區。4.油機較多且集中，結構專業考慮足夠的荷載、避免共振。5.電源工藝復雜，建筑和電源專業通過對搬運路徑、進排風的研究，形成設計策略，解決難題。6.重點問題在技術、經濟、使用、維護、初始投資及全壽命投資等方面進行多方案比較，找出較優的解決方案。

三、數據中心園區多層動力中心設計

3.1充分利用地形

數據中心園區按建設分期進行劃分，主要依據地理位置的重要性、周邊道路的建設情況，市政設施的完善順序等綜合因素來進行確定。本工程一二期之間通過場地的高差設計景觀擋土墻和放坡進行空間上的相對隔離，通過兩條坡度稍大的消防車道進行銜接。功能分區：園區劃分為通信生產區、附屬配套區。通信生產區包含4棟機房樓、動力中心和西北角的地下儲油罐區。在建設規模、場地有限的條件下，兩期動力中心合建并集中布置于局址的中部，4棟數據機房樓兩兩成對排列布置，動力中心布置在機房樓中部，形成半封閉、高效安全的通信生產區。

3.2平面研究

柱網：依據油機設備的尺寸、進排風消音間尺寸、搬運通道寬度等工藝需求，動力中心開間設置為6m，進深為8.1m，10.8m兩個尺寸的組合。這樣的尺寸設計滿足進排風量的土建要求、后期搬運和維護的尺寸要求。

功能組成：動力中心平面布置以高壓油機為主要空間，兩側輔以儲油間、進風消音間。兩側長邊進風，中部設置排風消音間，升至屋頂排風。

3.3垂直方向上的布局

層高：動力中心一層至三層的層高可設置為6.3m，考慮上走線，滿足電源工藝要求，增加了凈高和結構的難度;由于場地高差大，剖面設計靈感來源于“附涯式”建筑，因此室內外高差北面為3.3.m，其余三側在臺地上為0.6m，在有限的場地里有效地消化了兩個臺地之間的高差。主要出入口設置于東、西兩面，保證了建筑為多層建筑，建筑高度為從室外地坪至屋面面層為19.5m。

層疊式排風井：層數越高排風越難。通過排風量的計算，若是多層排風都集中于一個垂直的排風井里，需要設置一個通高的風井，加大了平面進深，造成投資和地塊的浪費。建筑采取了層疊式的排風井設計，一層和二層的排風井合并為一個較大的排風井，直排到屋頂最高處，三層的排風井獨立出來，位于屋頂次高處，與一二層的排風互不干擾。一二層及其合并的排風井作為一個防火分區，三層及其獨立的排風井作為一個獨立的防火分區。詳見下圖1。

3.4結構安全性

荷載：多層動力中心油機荷載按活荷載考慮，并考慮振動影響系數。

共振的避免：設計中避免設備振動對主體結構影響理想的解決辦法主要有兩個：一是將設備基礎或支撐體系與主體構件脫開，各自形成獨立體系;二是采用擬真實驗結論應用與實際相結合，對設備采用隔震措施;采取了加強結構主體構造等辦法，減小了振動對主體安全及耐久性的影響。根據我院與北京交大的研究課題《油機動力減振研究》數據，油機發動機響應主要以25Hz和 50Hz頻率成分為主，通過合理設計可避開共振頻率。根據實踐經驗，結構主體或樓面梁板結構單元的自振頻率與油機振動頻率可做到避免共振。一般的動力中心樓板的固有頻率一階約為2Hz（一階）二階約為70～80Hz，均與油機頻率無法形成共振。針對項目的特點可采取以下措施：一是建筑結構的自振頻率，尤其是樓板的自振頻率，不宜與油機激勵頻率相同，當無法避免時，應當采取隔振措施，改變油機-樓板體系的動力特性。設置減震效果達95%的彈簧減震器;在油機基礎側面設置減震溝。二是加強結構的空間剛度，適當加大支撐結構的斷面和剛度，使其豎向的固有頻率提高與油機的干擾頻率遠離，避免接近和共振。加大支撐結構的剛度，可采用加大樓板厚度，加大樓層梁，柱斷面，以達到減少構件的變形和振動量;油機盡量布置在梁上，且梁跨度不宜過大。

四、油機上樓對設計的影響及應對

4.1電源工藝

柴油發電機組重量大，設置在一層以上時需要考慮吊裝問題。吊裝可以采取兩種方式，一種是直接采用吊車與人工配合的方式，另外是為臨時搭建吊裝平臺，吊車將發電機組吊至平臺后，經進風洞口運輸就位;選擇合適的吊車，以吊裝3層柴油發電機組為例：1.需要將17.5噸柴油發電機組吊裝至地面僅13m高度，柴油發電機組的外形尺寸為7.0m*2.2m*2.6m（長*寬*高），按工作半徑8m考慮，考慮鋼絲繩長約為2米，吊鉤距臂桿頭的安全距離為2m，臂桿頭部距地面的距離為19米左右，根據勾股定理，臂長約為20m。2.根據作業半徑8m，吊重17.5t，臂桿長20m的條件，選擇合適范圍內的吊車，一層的柴油發電機組運輸路線可以通過運輸門，直接運至相應機位，機組周邊空間滿足機組旋轉的要求;由于空間受限，本案例項目中只能保證中間6臺柴油發電機組可以直接通過進風間直接運輸至相應工位。

4.2進排風的處理

動力中心的進排風會直接影響柴油發電機組的輸出功率、燃油消耗率、熱氣流排放和柴油發電機組的使用壽命。對于常閉式循環水冷柴油發電機組，進排風的面積是否合理會直接影響機組的運行與壽命：通常進風口凈面積最小不低于機組散熱芯有效面積的1.5倍，對于排風口凈面積最小應不低于散熱器芯有效面積的1.4倍，通常進風側設置了固定百葉，所以在進風側需要考慮面折減，如采用的是45度的進風百葉，相應的面積需折減至70%;對于排風一般采用電動百葉，對于電動百葉，可以完全打開至水平狀態，可按不折減考慮。

五、結束語

由于受地塊開發強度、建設需求等綜合因素影響，多層動力中心將具有廣泛的適用性，目前國內以二層、三層為典型，做好多層動力中心設計和研究對實現低成本，高效率運營具有積極的現實意義。統籌考慮建設方需求，了解建筑、結構、電源等專業各種解決方案的技術特點，經濟效益;因時、因地，綜合平衡土建、工藝、配套等各專業的需求，從而設計出技術先進，經濟合理的多層動力中心。

參? 考? 文? 獻

[1] 《油機動力減振研究》北京：中國建筑工業出版社，2006