室外多層集裝箱式柴油發(fā)電機組方案在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用分析

朱發(fā)熙，李雅寧，張仁玉

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

數(shù)據(jù)中心是重要的基礎(chǔ)設(shè)施，主要用于傳遞、展示、計算以及存儲各種數(shù)據(jù)信息。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和快速數(shù)字化演變，數(shù)據(jù)中心行業(yè)在全世界蓬勃發(fā)展。由于短期內(nèi)數(shù)據(jù)中心的井噴建設(shè)，幾年前“一架難求”的局面基本消失，相反大部分數(shù)據(jù)中心的出租率明顯不高。要建設(shè)一個有競爭力的數(shù)據(jù)中心，不能只停留在安全性、可靠性以及PUE上，更為關(guān)鍵的是降低成本（包括建設(shè)成本和運營成本），提高靈活性，提升快速響應(yīng)客戶需求[1-3]。在整個數(shù)據(jù)中心建設(shè)投資中，電氣系統(tǒng)的投資占比約50%，而柴油發(fā)電機系統(tǒng)在電氣系統(tǒng)投資中占據(jù)很大的比重，約占整個電氣系統(tǒng)的25%[4]。

傳統(tǒng)的室內(nèi)型柴油發(fā)電機組在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中的弊端日漸顯現(xiàn)，一則需要先完成柴油發(fā)電機樓的土建后才能安裝柴油發(fā)電機設(shè)備，工期很長，難以滿足客戶快速交付的要求。二則柴油發(fā)電機樓本身會占用容積率和用地面積等指標(biāo)，降低了總IT機柜數(shù)量，影響經(jīng)濟收益[5]。鑒于此，室外型的柴油發(fā)電機組開始在數(shù)據(jù)中心內(nèi)受到歡迎，本文提出4層室外柴油發(fā)電機組布置方案，并通過模擬驗證了該方案的可行性。

1 室內(nèi)外柴油發(fā)電機方案對比分析

室內(nèi)外柴油發(fā)電機方案各具優(yōu)勢，室內(nèi)方案在運維、檢修的方便性、限制噪聲和固定資產(chǎn)保值方面具備一定優(yōu)勢，而室外方案在節(jié)約成本特別是初期土建成本、工期、分期便利性方面具備優(yōu)勢。早期的數(shù)據(jù)中心以室內(nèi)方案為主，但隨著行業(yè)競爭的加劇，為了避免初期投入過大并且能夠快速響應(yīng)客戶極速裝機的需求，室外方案越來越被廣泛采用。表1是室內(nèi)外柴油發(fā)電機方案的對比，本項目核心訴求是節(jié)約投資、極限提高單位建筑面積的IT機柜產(chǎn)出率，在意向客戶確定后能夠?qū)崿F(xiàn)快速裝機，因此本項目選擇室外集裝箱型柴油發(fā)電機的方案。

表1 室內(nèi)外柴油發(fā)電機方案對比

2 建設(shè)方案

2.1 項目概況

天津某數(shù)據(jù)中心園區(qū)用地總面積約190 000 m2，園區(qū)內(nèi)規(guī)劃了8棟數(shù)據(jù)中心單體、1棟研發(fā)辦公樓和1棟220 kV變電站。數(shù)據(jù)中心單體采用模塊化設(shè)計，每棟數(shù)據(jù)中心單層面積8 000 m2，共6層，其中一層主要是制冷機房和變配電房，標(biāo)準層主要是數(shù)據(jù)機房和電力電池室。單棟數(shù)據(jù)中心能布置5 680個8 kW機柜，園區(qū)整體按照《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》中的A級標(biāo)準建設(shè)。

2.2 柴油發(fā)電機系統(tǒng)方案

統(tǒng)籌考慮機架負荷、為機架配套的制冷負荷以及其他需要柴油發(fā)電機組保障的負荷，進行負荷統(tǒng)計，統(tǒng)計的結(jié)果詳見表2。依據(jù)表中的負荷統(tǒng)計結(jié)果，單棟數(shù)據(jù)中心總用電負荷為59 537 kW，其中需要柴油發(fā)電機保障的負荷為56 233 kW，需要設(shè)置6套高壓配電系統(tǒng)，每套高壓配電系統(tǒng)采用1套7臺柴油發(fā)電機并機的系統(tǒng)提供保障，柴油發(fā)電機的配置原則為N+1，單套高壓系統(tǒng)的供電系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 供電系統(tǒng)架構(gòu)圖

表2 單棟數(shù)據(jù)中心負荷統(tǒng)計表

單棟數(shù)據(jù)中心一共需要6套柴油發(fā)電機并機系統(tǒng)，每套并機系統(tǒng)配置7臺柴油發(fā)電機組，考慮到擴容的需要，另外預(yù)留3個柴油發(fā)電機位置，因此單棟數(shù)據(jù)中心一共配置45個柴油發(fā)電機機位，整個園區(qū)一共設(shè)置360個柴油發(fā)電機機位，單棟數(shù)據(jù)中心的室外柴油發(fā)電機布置詳如圖2所示。

圖2 單組室外柴油發(fā)電機組布置剖面圖

為了節(jié)省電纜，并同時降低室外管線壓力，本工程采用室外并機方案，每套并機系統(tǒng)設(shè)一個并機集裝箱，內(nèi)含全套的10 kV配電柜、直流電源以及并機總控柜等。圖2一層左側(cè)6個是并機集裝箱，其他均為室外集裝箱柴油發(fā)電機組，從室外集裝箱柴油發(fā)電機組到并機集裝箱的強弱電纜均采用橋架敷設(shè)，并機集裝箱的內(nèi)部布置圖詳見圖3。

圖3 并機集裝箱內(nèi)部布置圖

整個園區(qū)內(nèi)一共有8處室外集裝箱柴油發(fā)電機組布置集群，為了減少初投資，本項目柴油發(fā)電機的假負載系統(tǒng)考慮采用室外移動假負載方案，各柴油發(fā)電機組布置集群共用移動假負載。

2.3 柴油發(fā)電機平臺方案

室外柴油發(fā)電機平臺主要有鋼結(jié)構(gòu)和混凝土框架兩種方案，其優(yōu)缺點對比如表3所示。

表3 柴油發(fā)電機平臺方案對比

考慮到本項目位于8度地震區(qū)，且混凝土框架方案在造價、抗振動能力以及運維上均具有優(yōu)勢，因此本項目的室外柴發(fā)平臺選擇混凝土框架方案。

3 仿真分析

3.1 建立模型

根據(jù)室外柴油發(fā)電機的布置特點，以兩棟數(shù)據(jù)中心所需的柴油發(fā)電機機組作為一個整體建立計算模型，模型如圖4所示。計算的基礎(chǔ)條件如下，環(huán)境溫度為36.9 ℃，環(huán)境風(fēng)速為南風(fēng)2.4 m/s（夏季最不利工況），機組冷卻通風(fēng)量為3 141 m3/min，機組燃燒空氣量為154 m3/min，散熱量為1 500 kW，排煙量為393 m3/min，排煙溫度為579 ℃，排煙管直徑為450 mm，進風(fēng)面積為9.6 m2，排風(fēng)面積為8.16 m2。

圖4 雙排室外柴油發(fā)電機組計算模型

3.2 仿真結(jié)果分析

基于前面建立的計算模型和外部約束條件，采用計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）手段對氣流組織進行模擬。從圖5的柴油發(fā)電機平均進口溫度示意圖可以看出，柴油發(fā)電機進風(fēng)溫度均在45 ℃以下，進風(fēng)溫度最高為43.5 ℃。

圖5 柴油發(fā)電機平均進口溫度示意

從圖6的氣流組織流線圖可以看出，兩組面對面布置的柴油發(fā)電機機組的進風(fēng)、排風(fēng)和排煙路徑清晰，相互不交叉。單組柴油發(fā)電機機組的排風(fēng)有部分回流到進風(fēng)，但回流量不大，在容許的范圍內(nèi)，對柴油發(fā)電機組的正常運行基本無影響。

圖6 柴油發(fā)電機組進排風(fēng)排煙流線

從圖7可見，四層柴發(fā)排風(fēng)對旁邊布置的三層柴發(fā)的進風(fēng)產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致進風(fēng)溫度異常升高，但升高后的進風(fēng)溫度低于45 ℃，最高為42.8 ℃。

圖7 局部柴油發(fā)電機組進排風(fēng)排煙流線

從圖8和圖9風(fēng)速的速度分布圖可以看出，柴油發(fā)電機進風(fēng)口平均風(fēng)速為5 m/s左右，排風(fēng)口平均風(fēng)速為6 m/s左右，各層氣流組織相對平穩(wěn)，無異常紊流。

圖8 進風(fēng)立面速度分布

圖9 排風(fēng)立面速度分布

從圖10和圖11的溫度分布圖可以看出，進風(fēng)溫度最不利位置為二層中間部位，此處設(shè)備受一層三層同時影響，回流影響相對較大。三層（最高層）上面溫度局部變高，是由于旁邊四層柴發(fā)排風(fēng)導(dǎo)致的。但所有柴發(fā)進風(fēng)平均溫度均在45 ℃以下，滿足設(shè)備運行要求。柴發(fā)排風(fēng)溫度基本分布在60～70 ℃，最高71.4 ℃，柴發(fā)進排風(fēng)溫差為27.9 ℃，與理論計算值基本一致。

圖10 進風(fēng)立面溫度分布

圖11 排風(fēng)立面溫度分布

4 結(jié) 論

本文在天津某數(shù)據(jù)中心采用室外布置4層集裝箱式柴油發(fā)電機組的方案，并采用了仿真軟件對案例進行仿真，結(jié)果表明室外4層集裝箱式柴油發(fā)電機組技術(shù)上是可行的。考慮到室外柴油發(fā)電機方案可以節(jié)約投資、提高單位建筑面積的IT機柜產(chǎn)出率，便于分期和能夠快速交付等特性，因此多層室外柴油發(fā)電機集約化布置方案在數(shù)據(jù)中心中有推廣意義。