室外多層集裝箱式柴油發電機組方案在數據中心的應用分析

朱發熙，李雅寧，張仁玉

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

數據中心是重要的基礎設施，主要用于傳遞、展示、計算以及存儲各種數據信息。隨著經濟社會的發展和快速數字化演變，數據中心行業在全世界蓬勃發展。由于短期內數據中心的井噴建設，幾年前“一架難求”的局面基本消失，相反大部分數據中心的出租率明顯不高。要建設一個有競爭力的數據中心，不能只停留在安全性、可靠性以及PUE上，更為關鍵的是降低成本（包括建設成本和運營成本），提高靈活性，提升快速響應客戶需求[1-3]。在整個數據中心建設投資中，電氣系統的投資占比約50%，而柴油發電機系統在電氣系統投資中占據很大的比重，約占整個電氣系統的25%[4]。

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

1 室內外柴油發電機方案對比分析

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

表1 室內外柴油發電機方案對比

2 建設方案

2.1 項目概況

天津某數據中心園區用地總面積約190 000 m2，園區內規劃了8棟數據中心單體、1棟研發辦公樓和1棟220 kV變電站。數據中心單體采用模塊化設計，每棟數據中心單層面積8 000 m2，共6層，其中一層主要是制冷機房和變配電房，標準層主要是數據機房和電力電池室。單棟數據中心能布置5 680個8 kW機柜，園區整體按照《數據中心設計規范》中的A級標準建設。

2.2 柴油發電機系統方案

統籌考慮機架負荷、為機架配套的制冷負荷以及其他需要柴油發電機組保障的負荷，進行負荷統計，統計的結果詳見表2。依據表中的負荷統計結果，單棟數據中心總用電負荷為59 537 kW，其中需要柴油發電機保障的負荷為56 233 kW，需要設置6套高壓配電系統，每套高壓配電系統采用1套7臺柴油發電機并機的系統提供保障，柴油發電機的配置原則為N+1，單套高壓系統的供電系統架構見圖1。

圖1 供電系統架構圖

表2 單棟數據中心負荷統計表

單棟數據中心一共需要6套柴油發電機并機系統，每套并機系統配置7臺柴油發電機組，考慮到擴容的需要，另外預留3個柴油發電機位置，因此單棟數據中心一共配置45個柴油發電機機位，整個園區一共設置360個柴油發電機機位，單棟數據中心的室外柴油發電機布置詳如圖2所示。

圖2 單組室外柴油發電機組布置剖面圖

為了節省電纜，并同時降低室外管線壓力，本工程采用室外并機方案，每套并機系統設一個并機集裝箱，內含全套的10 kV配電柜、直流電源以及并機總控柜等。圖2一層左側6個是并機集裝箱，其他均為室外集裝箱柴油發電機組，從室外集裝箱柴油發電機組到并機集裝箱的強弱電纜均采用橋架敷設，并機集裝箱的內部布置圖詳見圖3。

圖3 并機集裝箱內部布置圖

整個園區內一共有8處室外集裝箱柴油發電機組布置集群，為了減少初投資，本項目柴油發電機的假負載系統考慮采用室外移動假負載方案，各柴油發電機組布置集群共用移動假負載。

2.3 柴油發電機平臺方案

室外柴油發電機平臺主要有鋼結構和混凝土框架兩種方案，其優缺點對比如表3所示。

表3 柴油發電機平臺方案對比

考慮到本項目位于8度地震區，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勢，因此本項目的室外柴發平臺選擇混凝土框架方案。

3 仿真分析

3.1 建立模型

根據室外柴油發電機的布置特點，以兩棟數據中心所需的柴油發電機機組作為一個整體建立計算模型，模型如圖4所示。計算的基礎條件如下，環境溫度為36.9 ℃，環境風速為南風2.4 m/s（夏季最不利工況），機組冷卻通風量為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，進風面積為9.6 m2，排風面積為8.16 m2。

圖4 雙排室外柴油發電機組計算模型

3.2 仿真結果分析

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（Computational Fluid Dynamics，CFD）手段對氣流組織進行模擬。從圖5的柴油發電機平均進口溫度示意圖可以看出，柴油發電機進風溫度均在45 ℃以下，進風溫度最高為43.5 ℃。

圖5 柴油發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電機機組的進風、排風和排煙路徑清晰，相互不交叉。單組柴油發電機機組的排風有部分回流到進風，但回流量不大，在容許的范圍內，對柴油發電機組的正常運行基本無影響。

圖6 柴油發電機組進排風排煙流線

從圖7可見，四層柴發排風對旁邊布置的三層柴發的進風產生一定影響，導致進風溫度異常升高，但升高后的進風溫度低于45 ℃，最高為42.8 ℃。

圖7 局部柴油發電機組進排風排煙流線

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

圖8 進風立面速度分布

圖9 排風立面速度分布

從圖10和圖11的溫度分布圖可以看出，進風溫度最不利位置為二層中間部位，此處設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排風導致的。但所有柴發進風平均溫度均在45 ℃以下，滿足設備運行要求。柴發排風溫度基本分布在60～70 ℃，最高71.4 ℃，柴發進排風溫差為27.9 ℃，與理論計算值基本一致。

圖10 進風立面溫度分布

圖11 排風立面溫度分布

4 結 論

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