數據中心供能設計標準分析

彭剛平，康慧

（中國華電科工集團有限公司，北京100070）

0 引言

數據中心這個概念在20 世紀50 年代末被提出時，僅用來存放計算機系統、存儲系統以及電力設備等組件［1］，既不能做分布式運算，也無法向外提供服務。近年來，隨著互聯網的爆發式增長和百度、騰訊、阿里巴巴等互聯網公司的興起，個人電腦（PC）端對網絡的要求不斷提高，有效促進了數據中心的發展。

現代數據中心是信息系統的中心，通過網絡向公眾以及企業提供信息服務［2］，成為了企業管理信息技術（IT）的基礎設施，是提供應用服務的重要平臺。隨著云計算、大數據等更先進技術的發展，建設新一代數據中心成為企業的熱點話題。

從工程角度來說，數據中心的建設要經過設計、施工、測試、驗收以及后期維護5 個階段［3］，涉及建筑、環境、結構、消防、供配電、空調、計算機應用等多個專業，工作內容繁重。因此，一個好的設計方案是建設數據中心的首要步驟。

設計標準涉及工程項目的建設標準、技術要求、投資等內容，是工程項目建設的基礎性文件，需進行調研、分析、梳理、理解。在準備數據中心設計的初期，既要把握好業主的需求，更要深刻理解、分析標準的各項指標，才能做好數據中心的規劃設計。

1 現行設計標準概述

我國與數據中心供能有關的現行設計標準有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計導則》（2017 年版）、GB 50174—2017《數據中心設計規范》、GB 51131—2016《燃氣冷熱電聯供工程技術規范》和DL∕T 5508—2015《分布式供能站設計規范》，具體性質與內容見表1。

表1 與數據中心供能有關的我國現行設計標準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計導則》

《天然氣分布式能源項目工程設計導則》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、外部接口關系等；用于樓宇式和區域式分布式供能系統的設計。

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

1.2 《數據中心設計規范》

（1）GB 50174—2017《數據中心設計規范》以下簡稱50174 規范，是根據住建部《關于發印2011 年工程建設標準規范制訂、修訂計劃的通知》（建標〔2011〕17 號）的要求，由中國電子工程設計院會同有關單位在原國家標準GB 50174—2008《電子信息系統機房設計規范》的基礎上修訂、編制完成的［2，4-5］。

（2）50174 規范于2018 年1 月1 日實施，完全取代了GB 50174—2008《電子信息系統機房設計規范》。

（3）50174 規范包括技術內容和附錄2 個部分。主要技術內容包括總則、術語、分級與性能要求、選址及設備布置、環境要求、建筑與結構、空氣調節、電氣、電磁屏蔽、網絡與布線系統、智能化系統、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據中心。

（4）50174 規范修訂的主要內容有：根據目前各行業對數據中心的要求和規模差別較大的情況，增加了A 級數據中心的定義范圍，增加了對網絡系統和災備數據中心的設計要求，將第11 章“監控與安全防范”更名為“智能化系統”，以適應我國電子信息發展需要。

（5）50174 規 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，必須嚴格執行。

50174 規范是我國數據中心的現行設計標準，供電子行業的設計單位使用，相比電力行業標準DL∕T 5508—2015《分布式供能站設計規范》更通用。

2 與供能有關的通用內容

2.1 數據中心的構成

數據中心是集中放置電子信息設備、提供運行環境的建筑場所，可以是1棟或幾棟建筑物，也可以是1 棟建筑物的一部分，數據中心由以下4 部分區域構成［6］。

（1）主機房區（computer room），數據處理設備安裝和運行的建筑空間，包括服務器機房、網絡機房、存儲機房等功能區域。

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

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

（4）行政管理區（administrative area），用于日常行政管理及客戶管理托管設備的場所，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、支持區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域，使用面積可按5～7 m2∕人計算。

2.2 數據中心的分級

2.2.1 按影響程度分級

根據數據中心的使用性質、數據丟失或網絡中斷在經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據中心應為A 級：電子信息系統運行中斷將造成重大的經濟損失；電子信息系統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據中心應為B 級：電子信息系統運行中斷將造成較大的經濟損失；電子信息系統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 級的數據中心應為C級。2.2.2 按機架的數量分類

按照機架的數量可以將數據中心分為3類。

（1）超大型是指標準機架規模＞10 000個的。

（2）大型是指標準機架規模為3 000～10 000個的。

（3）中小型是指標準機架規模＜3 000個的。

2.3 數據中心的耗能特點

（1）數據中心是典型的高能耗行業［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據中心年耗電量為2.2億～3.5億kW·h。

（2）能源成本占比高。數據中心的用電成本占運營總成本的70%左右（其中，IT 設備用電和制冷設備用電各占一半），運行維護費用和人工成本分別占20%和10%左右。數據中心4年的用電成本可以建設一個同等規模的數據中心。

（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 災備數據中心

災備數據中心是在災難發生時，接替生產系統運行、進行數據處理和支持關鍵業務功能繼續運作的場所。在同城或異地建立的災備數據中心，設計宜與主用數據中心等級相同［10］。

2.5 總控中心（ECC）

ECC 為數據中心各系統提供集中監控、指揮調度、技術支持和應急演練的平臺，也可稱為監控中心。

3 與供冷有關的內容分析

3.1 對空調冷凍水供回水管路布置的要求

數據中心空調的冷凍水供回水管路宜采用環形管網或雙供雙回方式［11］。為保證供水連續性，避免單點故障，冷凍水供回水管路宜采用環形管網（如圖1所示）；當冷凍水系統采用雙冷源時，冷凍水供回水管路可采用雙供雙回方式（如圖2所示）。

圖1 采用環形管網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 對空調制冷系統的要求

不同級別數據中心空調制冷系統要求見表2。

3.3 空調系統設計節能措施

（1）空調系統應根據當地氣候條件，充分利用自然冷源。

（2）大型數據中心宜采用水冷式或風冷式冷水機組空調系統：水冷式冷水機組的空調系統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系統設計時應采用自然冷卻技術［12］。

（3）空調系統可采用電制冷與自然冷卻相結合的方式［13］。

（4）數據中心空調系統設計時，應分別計算自然冷卻和余熱回收的經濟效益，應采用經濟效益最好的節能設計方案。

表2 數據中心空調制冷系統要求Tab.2 Requirements on data center air conditioning and refrigeration system

4 與供電有關的內容

4.1 《供配電系統設計規范》

4.1.1 相關條文

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 章中術語第601-02-19 條“duplicate supply”。因地區大電力網在主網電壓上部是并網的，用電單位無論從電網取幾回路電源進線，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的電源，或來自同一電網但在運行時電路互相之間的聯系很弱，或者來自同一個電網但其間的電氣距離較遠，一個電源系統任意一處出現異常運行或發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”的獨立電源。

4.2 《數據中心設計規范》

4.2.1 相關條文

8.1.12 A 級數據中心應由雙重電源供電，并應設置備用電源。備用電源宜采用獨立于正常電源的柴油發電機組，也可采用供電網絡中獨立于正常電源的專用饋電線路。當正常電源發生故障時，備用電源應能承擔數據中心正常運行所需要的用電負荷。

8.1.13 B 級數據中心宜由雙重電源供電，當只有一路電源時，柴油發電機組作為備用電源。

8.1.18 同城災備數據中心與主用數據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據中心，備用電源可采用市電或柴油發電機。

獨立于正常電源的專用饋電線路可以作為數據中心的備用電源。

4.2.2 條文解釋

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

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

8.1.18 從電源可靠性和安全性角度考慮，同城災備數據中心與主用數據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供系統、太陽能、風能等，數據中心應鼓勵采用分布式能源［16-17］。A 級數據中心采用分布式能源供電時，可采用市電或柴油發電機作為備用電源。

鼓勵采用分布式能源作為數據中心的主用電源，這里的分布式能源是指燃氣分布式。

5 結論

（1）我 國 于2018 年1 月1 日 實 施GB50174—2017《數據中心設計規范》，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”的獨立電源。新GB 50174規范允許采用燃氣分布式電源可以作為數據中心的主要電源。

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