數(shù)據(jù)中心供能設(shè)計標準分析

彭剛平，康慧

（中國華電科工集團有限公司，北京100070）

0 引言

數(shù)據(jù)中心這個概念在20 世紀50 年代末被提出時，僅用來存放計算機系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)以及電力設(shè)備等組件［1］，既不能做分布式運算，也無法向外提供服務(wù)。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的爆發(fā)式增長和百度、騰訊、阿里巴巴等互聯(lián)網(wǎng)公司的興起，個人電腦（PC）端對網(wǎng)絡(luò)的要求不斷提高，有效促進了數(shù)據(jù)中心的發(fā)展。

現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心是信息系統(tǒng)的中心，通過網(wǎng)絡(luò)向公眾以及企業(yè)提供信息服務(wù)［2］，成為了企業(yè)管理信息技術(shù)（IT）的基礎(chǔ)設(shè)施，是提供應用服務(wù)的重要平臺。隨著云計算、大數(shù)據(jù)等更先進技術(shù)的發(fā)展，建設(shè)新一代數(shù)據(jù)中心成為企業(yè)的熱點話題。

從工程角度來說，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)要經(jīng)過設(shè)計、施工、測試、驗收以及后期維護5 個階段［3］，涉及建筑、環(huán)境、結(jié)構(gòu)、消防、供配電、空調(diào)、計算機應用等多個專業(yè)，工作內(nèi)容繁重。因此，一個好的設(shè)計方案是建設(shè)數(shù)據(jù)中心的首要步驟。

設(shè)計標準涉及工程項目的建設(shè)標準、技術(shù)要求、投資等內(nèi)容，是工程項目建設(shè)的基礎(chǔ)性文件，需進行調(diào)研、分析、梳理、理解。在準備數(shù)據(jù)中心設(shè)計的初期，既要把握好業(yè)主的需求，更要深刻理解、分析標準的各項指標，才能做好數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃設(shè)計。

1 現(xiàn)行設(shè)計標準概述

我國與數(shù)據(jù)中心供能有關(guān)的現(xiàn)行設(shè)計標準有4個，中國華電集團有限公司（以下簡稱華電集團）《天然氣分布式能源項目工程設(shè)計導則》（2017 年版）、GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》、GB 51131—2016《燃氣冷熱電聯(lián)供工程技術(shù)規(guī)范》和DL∕T 5508—2015《分布式供能站設(shè)計規(guī)范》，具體性質(zhì)與內(nèi)容見表1。

表1 與數(shù)據(jù)中心供能有關(guān)的我國現(xiàn)行設(shè)計標準Tab.1 Current design standards related to data center energy supply in China

1.1 《天然氣分布式能源項目工程設(shè)計導則》

《天然氣分布式能源項目工程設(shè)計導則》介紹了天然氣分布式能源工程的負荷估算、冷熱用戶選擇、機組選型、運行策略、外部接口關(guān)系等；用于樓宇式和區(qū)域式分布式供能系統(tǒng)的設(shè)計。

為了更詳細地說明天然氣分布式能源工程的設(shè)計方法，華電集團還配套編制了《燃氣分布式供能系統(tǒng)設(shè)計手冊》，由中國電力出版社于2019 年7月公開出版發(fā)行。

1.2 《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》

（1）GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》以下簡稱50174 規(guī)范，是根據(jù)住建部《關(guān)于發(fā)印2011 年工程建設(shè)標準規(guī)范制訂、修訂計劃的通知》（建標〔2011〕17 號）的要求，由中國電子工程設(shè)計院會同有關(guān)單位在原國家標準GB 50174—2008《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》的基礎(chǔ)上修訂、編制完成的［2，4-5］。

（2）50174 規(guī)范于2018 年1 月1 日實施，完全取代了GB 50174—2008《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》。

（3）50174 規(guī)范包括技術(shù)內(nèi)容和附錄2 個部分。主要技術(shù)內(nèi)容包括總則、術(shù)語、分級與性能要求、選址及設(shè)備布置、環(huán)境要求、建筑與結(jié)構(gòu)、空氣調(diào)節(jié)、電氣、電磁屏蔽、網(wǎng)絡(luò)與布線系統(tǒng)、智能化系統(tǒng)、給水排水、消防與安全共13 章，涉及范圍由2008 版的主機房擴大至整個數(shù)據(jù)中心。

（4）50174 規(guī)范修訂的主要內(nèi)容有：根據(jù)目前各行業(yè)對數(shù)據(jù)中心的要求和規(guī)模差別較大的情況，增加了A 級數(shù)據(jù)中心的定義范圍，增加了對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和災備數(shù)據(jù)中心的設(shè)計要求，將第11 章“監(jiān)控與安全防范”更名為“智能化系統(tǒng)”，以適應我國電子信息發(fā)展需要。

（5）50174 規(guī) 范 的 第8.4.4，13.2.1，13.2.4，13.3.1，13.4.1條為強制性條文，必須嚴格執(zhí)行。

50174 規(guī)范是我國數(shù)據(jù)中心的現(xiàn)行設(shè)計標準，供電子行業(yè)的設(shè)計單位使用，相比電力行業(yè)標準DL∕T 5508—2015《分布式供能站設(shè)計規(guī)范》更通用。

2 與供能有關(guān)的通用內(nèi)容

2.1 數(shù)據(jù)中心的構(gòu)成

數(shù)據(jù)中心是集中放置電子信息設(shè)備、提供運行環(huán)境的建筑場所，可以是1棟或幾棟建筑物，也可以是1 棟建筑物的一部分，數(shù)據(jù)中心由以下4 部分區(qū)域構(gòu)成［6］。

（1）主機房區(qū)（computer room），數(shù)據(jù)處理設(shè)備安裝和運行的建筑空間，包括服務(wù)器機房、網(wǎng)絡(luò)機房、存儲機房等功能區(qū)域。

（2）輔助區(qū)（auxiliary area），用于電子信息設(shè)備和軟件的安裝、調(diào)試、維護、運行監(jiān)控和管理的場所，包括進線間、測試機房、總控中心、消防和安防控制室、拆包區(qū)、備件庫、打印室、維修室等區(qū)域。

（3）支持區(qū)（support area），為主機房、輔助區(qū)提供動力支持和安全保障的區(qū)域，包括變配電室、柴油發(fā)電機房、電池室、空調(diào)機房、動力站房、不間斷電源系統(tǒng)用房、消防設(shè)施用房等。

（4）行政管理區(qū)（administrative area），用于日常行政管理及客戶管理托管設(shè)備的場所，包括辦公室、門廳、值班室、盥洗室、更衣間和用戶工作室等。

輔助區(qū)、支持區(qū)的面積之和可為主機房面積的1.5～2.5 倍。用戶工作室使用面積可按4～5 m2∕人計算，其中，軟∕硬件管理人員辦公室等長期有工作人員值班的區(qū)域，使用面積可按5～7 m2∕人計算。

2.2 數(shù)據(jù)中心的分級

2.2.1 按影響程度分級

根據(jù)數(shù)據(jù)中心的使用性質(zhì)、數(shù)據(jù)丟失或網(wǎng)絡(luò)中斷在經(jīng)濟或社會上造成的損失或影響程度確定所屬級別，可劃分為A，B，C 3級［7-8］。

（1）A 級。符合下列情況之一的數(shù)據(jù)中心應為A 級：電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成重大的經(jīng)濟損失；電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成公共場所秩序嚴重混亂。

（2）B 級。符合下列情況之一的數(shù)據(jù)中心應為B 級：電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成較大的經(jīng)濟損失；電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成公共場所秩序混亂。

（3）C 級。不屬于A 級或B 級的數(shù)據(jù)中心應為C級。2.2.2 按機架的數(shù)量分類

按照機架的數(shù)量可以將數(shù)據(jù)中心分為3類。

（1）超大型是指標準機架規(guī)模＞10 000個的。

（2）大型是指標準機架規(guī)模為3 000～10 000個的。

（3）中小型是指標準機架規(guī)模＜3 000個的。

2.3 數(shù)據(jù)中心的耗能特點

（1）數(shù)據(jù)中心是典型的高能耗行業(yè)［9］。通常一個標準機架平均耗電為2.5～4.0 kW，較大機架平均耗電約5 kW，大機架平均耗電約11 kW。那么一個有10 000 個標準機架的超大型數(shù)據(jù)中心年耗電量為2.2億～3.5億kW·h。

（2）能源成本占比高。數(shù)據(jù)中心的用電成本占運營總成本的70%左右（其中，IT 設(shè)備用電和制冷設(shè)備用電各占一半），運行維護費用和人工成本分別占20%和10%左右。數(shù)據(jù)中心4年的用電成本可以建設(shè)一個同等規(guī)模的數(shù)據(jù)中心。

（3）供能可靠性要求高。一般情況至少需要2路電源，一用一備，另外還要有1路緊急備用電源。

2.4 災備數(shù)據(jù)中心

災備數(shù)據(jù)中心是在災難發(fā)生時，接替生產(chǎn)系統(tǒng)運行、進行數(shù)據(jù)處理和支持關(guān)鍵業(yè)務(wù)功能繼續(xù)運作的場所。在同城或異地建立的災備數(shù)據(jù)中心，設(shè)計宜與主用數(shù)據(jù)中心等級相同［10］。

2.5 總控中心（ECC）

ECC 為數(shù)據(jù)中心各系統(tǒng)提供集中監(jiān)控、指揮調(diào)度、技術(shù)支持和應急演練的平臺，也可稱為監(jiān)控中心。

3 與供冷有關(guān)的內(nèi)容分析

3.1 對空調(diào)冷凍水供回水管路布置的要求

數(shù)據(jù)中心空調(diào)的冷凍水供回水管路宜采用環(huán)形管網(wǎng)或雙供雙回方式［11］。為保證供水連續(xù)性，避免單點故障，冷凍水供回水管路宜采用環(huán)形管網(wǎng)（如圖1所示）；當冷凍水系統(tǒng)采用雙冷源時，冷凍水供回水管路可采用雙供雙回方式（如圖2所示）。

圖1 采用環(huán)形管網(wǎng)方式的冷凍水供回水管路Fig.1 Chilled water supply and return pipeline taking circular network

圖2 采用雙供雙回方式的雙冷源冷凍水供回水管路Fig.2 Chilled water supply and return pipeline with double cooling sources taking dual supply and dual return mode

3.2 對空調(diào)制冷系統(tǒng)的要求

不同級別數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷系統(tǒng)要求見表2。

3.3 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計節(jié)能措施

（1）空調(diào)系統(tǒng)應根據(jù)當?shù)貧夂驐l件，充分利用自然冷源。

（2）大型數(shù)據(jù)中心宜采用水冷式或風冷式冷水機組空調(diào)系統(tǒng)：水冷式冷水機組的空調(diào)系統(tǒng)在冬季可利用室外冷卻塔作為冷源；風冷式冷水機組的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時應采用自然冷卻技術(shù)［12］。

（3）空調(diào)系統(tǒng)可采用電制冷與自然冷卻相結(jié)合的方式［13］。

（4）數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時，應分別計算自然冷卻和余熱回收的經(jīng)濟效益，應采用經(jīng)濟效益最好的節(jié)能設(shè)計方案。

表2 數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷系統(tǒng)要求Tab.2 Requirements on data center air conditioning and refrigeration system

4 與供電有關(guān)的內(nèi)容

4.1 《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》

4.1.1 相關(guān)條文

2.0.2 雙重電源（duplicate supply）：一個負荷的電源是由2 個電路提供的，這2 個電路就安全供電而言被認為是互相獨立的。

2.0.5 備用電源（stand-by electric source）：當正常電源斷電時，由于非安全原因用來維持電氣裝置或其某些部分所需的電源。

3.0.2 一級負荷：中斷供電將造成安全事故、重大經(jīng)濟損失、重大政治影響的電力用戶負荷；應由雙重電源供電，當某一電源發(fā)生故障時，另一電源應運行供電。

4.1.2 條文解釋

3.0.2 采用的“雙重電源”一詞引用了IEC 60050—1985《國際電工詞匯》第601 章中術(shù)語第601-02-19 條“duplicate supply”。因地區(qū)大電力網(wǎng)在主網(wǎng)電壓上部是并網(wǎng)的，用電單位無論從電網(wǎng)取幾回路電源進線，也無法得到嚴格意義上的2 個獨立電源。所以這里指的雙重電源可以是分別來自不同電網(wǎng)的電源，或來自同一電網(wǎng)但在運行時電路互相之間的聯(lián)系很弱，或者來自同一個電網(wǎng)但其間的電氣距離較遠，一個電源系統(tǒng)任意一處出現(xiàn)異常運行或發(fā)生短路故障時另一個電源仍能不中斷供電，這樣的電源都可視為雙重電源［14］。

一級負荷的供電應由雙重電源供電，而且不能同時損壞，只有滿足這2個基本條件，才可能維持其中一個電源繼續(xù)供電。雙重電源可一用一備，亦可同時工作，各供一部分負荷。

盡管從電網(wǎng)無法得到嚴格意義上的2個獨立電源，但是燃氣分布式電源是嚴格意義上的“獨立于市電網(wǎng)”的獨立電源。

4.2 《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》

4.2.1 相關(guān)條文

8.1.12 A 級數(shù)據(jù)中心應由雙重電源供電，并應設(shè)置備用電源。備用電源宜采用獨立于正常電源的柴油發(fā)電機組，也可采用供電網(wǎng)絡(luò)中獨立于正常電源的專用饋電線路。當正常電源發(fā)生故障時，備用電源應能承擔數(shù)據(jù)中心正常運行所需要的用電負荷。

8.1.13 B 級數(shù)據(jù)中心宜由雙重電源供電，當只有一路電源時，柴油發(fā)電機組作為備用電源。

8.1.18 同城災備數(shù)據(jù)中心與主用數(shù)據(jù)中心的供電電源不應來自同一個城市變電站。采用分布式能源供電的數(shù)據(jù)中心，備用電源可采用市電或柴油發(fā)電機。

獨立于正常電源的專用饋電線路可以作為數(shù)據(jù)中心的備用電源。

4.2.2 條文解釋

8.1.12 備用電源是保障A 級數(shù)據(jù)中心正常運行的必要條件，獨立于正常電源的發(fā)電機組和供電網(wǎng)絡(luò)中獨立于正常電源的專用饋電線路都可以作為備用電源。由于柴油發(fā)電機組在可操作性上優(yōu)于其他備用電源，故大部分數(shù)據(jù)中心將其作為備用電源［15］。

8.1.13 B級數(shù)據(jù)中心比A級數(shù)據(jù)中心在電源可靠性方面降低了要求，當B 級數(shù)據(jù)中心由雙重電源供電時，不需要再設(shè)置備用電源。

8.1.18 從電源可靠性和安全性角度考慮，同城災備數(shù)據(jù)中心與主用數(shù)據(jù)中心的電源應來自不同的變電站。

分布式能源包括燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)、太陽能、風能等，數(shù)據(jù)中心應鼓勵采用分布式能源［16-17］。A 級數(shù)據(jù)中心采用分布式能源供電時，可采用市電或柴油發(fā)電機作為備用電源。

鼓勵采用分布式能源作為數(shù)據(jù)中心的主用電源，這里的分布式能源是指燃氣分布式。

5 結(jié)論

（1）我 國 于2018 年1 月1 日 實 施GB50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》，肯定了分布式供能。

（2）燃氣分布式電源是嚴格意義上的“獨立于市電網(wǎng)”的獨立電源。新GB 50174規(guī)范允許采用燃氣分布式電源可以作為數(shù)據(jù)中心的主要電源。

（3）主機房的環(huán)境溫度要求有所降低，對空調(diào)供回水溫度放寬（7～21 ℃）。按此新標準，空調(diào)冷負荷將有所下降（約10%）。