EPC模式下数据中心机房工程建设探讨

EPC模式下数据中心机房工程建设探讨摘要：通过实际工程案例的分析，对数据中心机房制冷系统、配电系统的配置要求进行分析，对原施工图设计与建设开发后优化设计方案的进行了一系列对比，力求在满足系统可靠性的前提下，减低机房的能耗及发热量，提高供电和制冷系统的效率，减少不必要的浪费关键词：A级数据机房UptimeTierIV电气系统风冷系统水冷系统安全性A\B路物理隔离设计方式0引言信息化是时代发展的大趋势,代表着先进生产力。信息技术的发展，离不开后台硬件的支撑。在时代发展的需求下，给数据机房的建设按下了快进键。近年来，国内兴起了数据中心建设的热潮。EPC工程总承包模式是指总包企业承揽整个建设工程的设计、采购、施工，并对所承包的建设工程的质量、安全、工期、造价等全面负责，最终向建设单位提交一个符合合同约定、满足使用功能、具备使用条件并经竣工验收合格的建设工程。1背景介绍本项目位于华北地区，是使用单位为适应网络、信息技术发展、大数据需求、与现有机房数据备份，提供企业竞争力、保证数据安全性为目标而建立的数据机房。本机房为A级（最高级别）数据机房，即容错性数据机房，在系统需要运行期间，其场地设备不应因操作失误、设备故障、外电源中断、维护和检修而导致电子信息系统运行中断，对系统的安全性要求高，数据机房定位最终获得国家A级机房认证和UptimeTierIV设计认证。该项目合同形式为EPC工程总承包模式，要求设备机房不间断无故障运行，故安全性是应遵循的首要原则；数据机房耗电量大，运营成本高，应在安全性的前提下兼顾经济性原则；在EPC模式下，前期固化业主的需求，确定设计方案是重中之重。工程总体投资和风险可控，业主确定方案和交付标准后，总承包方通过竞争性投标报出总价，并在总价包干的基础上充分进行投资控制。下文针对本项目就数据中心的电气系统、制冷系统的特点及能耗指标PUE等的设计进行探讨。2暖通系统特点及系统建议国标A级机房设计标准中，制冷空调系统采用N+X冗余(X=1~N)设置，机房设备满足在线维护功能，宜设置单点故障不影响系统运行及连续制冷需求。美标TierIV级要求制冷空调系统不仅要满足可在线维护的要求，还要具备容错功能，在暖通方面美标级高于国标级。美标TierIV级通过组件和分配路径的冗余及物理分隔设置，使得制冷空调系统有能力允许任何有计划的活动而不中断数据处理设备的运行，也能承受一次非计划故障的能力。制冷空调系统本身可以自动响应一次错误，以免造成进一步影响。TierIV级别的制冷空调系统的采用2N架构，具备在线维护功能，单点故障不影响系统运行。制冷主机、末端精密空调、冷冻水管路在任一单次故障后仍有N，满足容错要求。并需要设置蓄冷装置，满足连续制冷需要。本工程要求数据中心机房按照满足国家A级机房标准设计，满足UptimeTierⅣ要求。空调制冷系统按照2N容错设计。系统设计以高安全性、高可靠性为前提，结合先进性与经济性，具备易维护性和可扩展性，采用自然冷却、冷热通道隔离、变频、高温冷冻水等绿色、节能技术，系统的年化PUE值可控制在不超过1.40，A路冷源为自然冷却水系统，B路冷源为风冷冷却水系统。在满足末端机房内制冷量和模块机房内送风温度的情况下，选取高效的制冷设备，加长自然冷却时间，优化整体的制冷系统，使得整体能耗降低，减少了部分阀门的控制逻辑，减少系统故障率，维护更加简单。风冷设备同水冷系统设备选型一样，在同样的制冷量的条件下选取效率高的，减少相应设备数量。表1制冷设备初设方案与施工图方案选型对比水冷冷冻水系统（初设方案）设备类型参数数量变频冷水机组0.4kV1000RT，12/18℃，33.5/39.5℃，COP5.9，冷凝侧阻力90kPa，蒸发侧阻力90kPa，输入功率580kw。6冷却塔700m3/h，33.5/39.5℃，夏季湿球温度30.9℃，冬季湿球温度6℃，水阻70kPa，输入功率90kw。6板式换热器换热量3867kw；一次侧流量652.1m3/h，水温11/16.1℃，压降50kPa；二次侧流量610m3/h，水温12/18℃，压降50kPa。6冷却水泵流量712m3/m3,扬程34米，输入功率75kw。6冷冻水一次泵流量529m3/h，扬程26米，输入功率55kw。6冷冻水二次泵流量515m3/h，扬程18米，输入功率37kw。6水冷冷冻水系统（施工图）变频冷水机组0.4kV1500RT，15/22℃，33.5/39.5℃，COP≥7.5，冷凝侧阻力80kPa，蒸发侧阻力80kPa，输入功率704kw。4冷却塔950m3/h，33.5/39.5℃，夏季湿球温度30.9℃，冬季湿球温度8℃，水阻70kPa，输入功率45kw.4板式换热器换热量5276kw；一次侧流量950m3/h，水温13.5/18.5℃，压降50kPa；二次侧流量650m3/h，水温15/22℃，压降50kPa。4冷却水泵流量950m3/m3,扬程32米，输入功率132kw。4冷冻水一次泵流量712m3/h，扬程20米，输入功率55kw。4冷冻水二次泵流量650m3/h，扬程30米，输入功率75kw。43电气系统特点及系统建议在EPC设计阶段我们梳理了电气系统架构及配电路由，原初设中模块机房的配电与模块机房（图1,阴影部分为配电系统布置区域）设置不合理，配电路由错综复杂，对后期运营维护管理不方便，同时初步PUE值无法满足小于1.4的要求。于是我们对IT模块机房层提出了布局的方案调整，调整为配电在中间，模块在两侧（图2，阴影部分为配电系统布置区域），这样使得IT系统的配电清晰化，同时缩短了UPS输出路由，降低低压线路损耗，保证了系统的可靠性。图1原IT配电与模块布置方案图2施工图调整后配电与模块布置方案在IT系统负载下，每层每台2500kVA变压器下均设置4*600kVA的UPS电源和1*100kVA的UPS电源专供该楼层IT设备用电，共设置6组4*600kVA的UPS电源和6组1*100kVA的UPS电源，每两组成对运行，互为热备用（A/B路电源）。通过计算，每一个模块机房的满负载下为900KW，在一路市电停掉的情况下，单台变压器需满足2个模块机房下的所有负荷；即1800KW。施工图优化后最终选用变压器容量2000KVA，UPS容量4*500KVA，降低非IT损耗，包括变压器损耗、UPS逆变损耗、断路器损耗、电力电缆损耗等。图3初设IT系统配电方案系统图图4施工图IT系统配电方案系统图

在动力配电系统下，风冷系统与水冷系统也是按2N的配电。笔者认为制冷系统已经是互为备用，况且配电做成了4N架构，极其浪费。可以通过对制冷设备的重新选型（冷水机组，冷却塔，风冷设备）选取效率高的设备，同时减少了设备也减少了相关配电设施，使得数据机房整体系统下减少初投资和运行费用。表2动力配电系统优化前后对比初设阶段动力系统设备容量施工图阶段动力系统设备容量备注1-1FTR-1A-2A/1B-2B下（负载1660kw）：2*2000kVA（2N架构）1-1FTR-2A-3A/2B-3B下（负载1870.8kw）：2*2000kVA（2N架构）2台水冷冷机2*580kw2台水冷冷机2*704kw优化减少中压柜4台，变压器2台，低压柜26台，末端ATS切换柜24台。2台冷却塔2*120kw2台冷却塔2*45kw2台冷却水泵2*75kw2台冷却水泵2*132kw2台冷冻水一次水泵2*55kw2台冷冻水一次水泵2*55kw1-rFTR-1A-3A/1B-3B下（负载1758kw：2*2000kVA（2N架构）1-1rFTR-1A-3A/1B-3B下（负载2800kw）：2*1600kVA（N架构）3台风冷冷机3*502kw4台风冷冷机4*564kw优化减少中压柜4台，变压器2台，低压柜26台，末端ATS切换柜24台。3台冷冻水一次水泵3*22kw4台冷冻水一次水泵4*30kw5台空调新风机5*5.5kw12台空调新风机12*5.5kw3台风冷热泵机组3*42kw8台风冷热泵机组8*42kw笔者认为对于机房后期运营中水冷系统为最节能的运行方式，所以对水冷系统进行2N配电，风冷系统进行N*25%配电（夏季），风冷系统2N进行配电（过度季和冬季）。4方案对比的经济分析表3成本分析表优化项成本变化备注IT模块机房布局优化调整节约800万详见图1，图2IT配电系统优化调整节约1500万详见图3，图4制冷设备的重新选型调整增加800万详见表1动力配电系统优化调整节约1500万详见表2柴油发电机随之调整节约1000万详见表310KV配电系统随之调整节约1500万详见表3项目初投资成本总计节约5500万-通过以上方案优化调整，不但没有降低系统的可靠性，同时满足A级机房与UptimeTierIV的标准，对机房整体的投资大大降低。通过对全年8760个小时的逐时计算，数据中心的能耗要求达到1.33（PUE＜1.4）。从机房长期运营故障率低，制冷维护简单，故障修复时间短，平均无故障时间长等方面为也业主方提供了更好的增值服务，同时PUE值的降低每一年能节约运营电费400-500万。5结束语上述对EPC模式下，以设计为主导对比制冷系统与配电系统的深化实施，最终实现了价值工程。笔者认为采用EPC模式进行大型数据中心建设是切实可行的，能够再控制投资预算的基础上，实现高等级高可靠性数据中心的快速交付，树立行业竞争优势，赢得商业先机。参考文献[1]中国航空规划设计研究总院有限公司.工业与民用供配电设计手册[M].4版.北京：中国电力出版社，2016.[2]中国建筑标准设计研究院.18DX009数据中心工程设计与安装[S].北京：中国计划出版社.2018.[3]中国建筑东北设计研究院有限公司.GB51348-2019民用建筑电气设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社.2019.[4]中国建筑科学研究院.GB50189-2015公共建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社.