京津冀地區(qū)某大數(shù)據(jù)園區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施綠色節(jié)能技術(shù)路線分析

張 淵，林武雋，申清華，趙夢(mèng)麟

（中國(guó)電信股份有限公司北京分公司，北京 100032）

0 引 言

2021年4月北京市經(jīng)濟(jì)和信息化局發(fā)布了《北京市數(shù)據(jù)中心統(tǒng)籌發(fā)展實(shí)施方案（2021-2023年）》,在方案中提出“以綠色化、智能化、集約化的模式推進(jìn)北京市數(shù)據(jù)中心統(tǒng)籌發(fā)展，新建、擴(kuò)建和改造后的計(jì)算型云數(shù)據(jù)中心PUE≤1.3”的要求，同時(shí)提出“京津冀區(qū)域整體通盤考慮，因地制宜引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心發(fā)展與區(qū)域的資源基礎(chǔ)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)水平相適應(yīng)，推動(dòng)分區(qū)分類梯度布局、統(tǒng)籌發(fā)展”的意見[1]。可見，京津冀地區(qū)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)綠色、節(jié)能數(shù)據(jù)中心必將迎來歷史性的發(fā)展機(jī)遇。

1 大數(shù)據(jù)園區(qū)簡(jiǎn)介

京津冀三省地處我國(guó)華北地區(qū)，三地地緣相近、人緣相親、文化同源。2014年2月，黨中央首次提出“京津冀協(xié)同發(fā)展”重大國(guó)家戰(zhàn)略。為積極響應(yīng)國(guó)家京津冀協(xié)同發(fā)展的重大戰(zhàn)略部署，加強(qiáng)三地?cái)?shù)據(jù)中心協(xié)同建設(shè)，推進(jìn)中國(guó)電信云計(jì)算產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，中國(guó)電信集團(tuán)在天津市境內(nèi)新征工業(yè)用地規(guī)劃建設(shè)大數(shù)據(jù)園區(qū)如圖1所示。該大數(shù)據(jù)園區(qū)已于2020年年初開工建設(shè)，計(jì)劃2022年全部建成。園區(qū)規(guī)劃總建筑面積37萬(wàn)m2，包含12棟數(shù)據(jù)中心機(jī)樓，規(guī)劃?rùn)C(jī)架安裝數(shù)量約4.2萬(wàn)個(gè)，可容納50萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器。

圖1 大數(shù)據(jù)園區(qū)平面示意圖

大數(shù)據(jù)園區(qū)積極推行節(jié)能先進(jìn)技術(shù)路線，設(shè)計(jì)年均PUE值在1.3以下，并力爭(zhēng)更低，達(dá)到本地區(qū)先進(jìn)水平。注重綠色節(jié)能和環(huán)保，在節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材、節(jié)地、保護(hù)環(huán)境等方面作充分設(shè)計(jì)，并做好綠色采購(gòu)和綠色運(yùn)營(yíng)管理，協(xié)同提高資源利用率和能源利用效率，減少碳排放[2]。在基礎(chǔ)設(shè)施方面，大數(shù)據(jù)園區(qū)通過推進(jìn)綠色節(jié)能的供電技術(shù)和暖通空調(diào)技術(shù)，盡可能降低供配電和機(jī)房制冷等輔助性能源消耗。后面章節(jié)將對(duì)大數(shù)據(jù)園區(qū)采用的節(jié)能技術(shù)路線進(jìn)行具體對(duì)比分析。

2 綠色節(jié)能供電技術(shù)分析

2.1 優(yōu)先采用“一路市電+240 V高壓直流”供電技術(shù)

由于當(dāng)前數(shù)據(jù)中心的市電電源通常采用兩路不同高壓電源，其市電供電可靠性已相當(dāng)高，同時(shí)數(shù)據(jù)中心配置有安全可靠的后備發(fā)電機(jī)。因此，中國(guó)電信近幾年一直在滿足設(shè)備供電可靠性要求的前提下，引導(dǎo)客戶接受并使用“一路市電+240 V高壓直流”技術(shù)。經(jīng)中國(guó)電信實(shí)踐驗(yàn)證，240 V高壓直流技術(shù)較模塊化UPS技術(shù)初期投資減少40%，運(yùn)行損耗減少5%，使用后故障率和維護(hù)費(fèi)用也大大降低，詳細(xì)比較見表1。

表1 240 V高壓直流和UPS比較

當(dāng)前，BAT等互聯(lián)網(wǎng)頭部客戶已普遍接受高壓直流供電，因此大數(shù)據(jù)園區(qū)的客戶在無明確要求時(shí)，優(yōu)先采用一路市電+240 V高壓直流供電[3]。

2.2 非晶合金變壓器取代硅鋼變壓器

目前，數(shù)據(jù)中心行業(yè)使用的變壓器主要有非晶合金變壓器和普通硅鋼變壓器。變壓器損耗主要包括空載損耗（鐵損）和負(fù)載損耗（銅損）。變壓器出廠后，空載損耗即為確定值。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，采用非晶合金制作鐵心的變壓器比硅鋼片制作鐵心變壓器的空載損耗下降70%左右，見表2。

表2 普通干式變壓器和非晶合金變壓器空載損耗比較表

以2 500 kVA變壓器為例，單臺(tái)非晶合金變壓器年節(jié)電量約為13 543 kWh，10年可節(jié)省電費(fèi)約13.5萬(wàn)元。因此，園區(qū)將全部采用非晶合金變壓器。

2.3 有源濾波補(bǔ)償取代電容補(bǔ)償

機(jī)房設(shè)備如UPS、空調(diào)、變壓器、變頻器、整流、逆變?cè)O(shè)備都會(huì)產(chǎn)生諧波。在沒有安裝濾波器時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大諧波電流，致使電能質(zhì)量下降。諧波會(huì)帶來很多危害：使用電設(shè)備效率降低，影響電力測(cè)量的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致電纜發(fā)熱，載流量下降，影響系統(tǒng)安全運(yùn)行等[4]。

綜合分析，有源濾波器補(bǔ)償在功能性、補(bǔ)償效果、安全性、占地空間等方面上明顯優(yōu)于電容補(bǔ)償（見表3），故園區(qū)內(nèi)低壓配電系統(tǒng)計(jì)劃全部采用有源濾波補(bǔ)償。

表3 有源濾波器補(bǔ)償和電容補(bǔ)償比較

2.4 部分機(jī)房智能小母線取代列頭柜

智能小母線技術(shù)在中國(guó)電信內(nèi)蒙園區(qū)和貴州園區(qū)已大量應(yīng)用且取得較好效果，大數(shù)據(jù)園區(qū)部分機(jī)樓擬采用智能小母線取代列頭柜給機(jī)柜供電。相比于列頭柜，智能小母線雖然初期投資較高，但增加了安裝機(jī)柜的空間和供電可靠性，同時(shí)減少線纜供電損耗，且顯著增加維護(hù)便利性（見表4）。

表4 智能小母線和傳統(tǒng)列頭柜比較

3 綠色節(jié)能暖通技術(shù)分析

3.1 冷卻塔冬季供冷

園區(qū)采用開式冷卻塔冬季供冷，冷卻塔冬季供冷的方式是利用冷凍水側(cè)自然冷卻的技術(shù)，即冷水機(jī)組每套設(shè)置一臺(tái)節(jié)能板式換熱器；利用冷卻塔自然冷卻供冷。當(dāng)室外濕球溫度低于冷凍水供水溫度約5 ℃時(shí)，冷水機(jī)組可完全停止運(yùn)行，利用室外冷卻塔作為冷源，采用自然冷卻方式供冷，冷卻水作為一次側(cè)冷源，通過板式換熱器對(duì)空調(diào)冷凍水降溫后供給空調(diào)系統(tǒng)使用[5]。武清地區(qū)全年約有超過半年的時(shí)間可采用自然冷卻，采用自然冷卻技術(shù)可以大大降低運(yùn)行成本和系統(tǒng)的PUE值。

3.2 頂層機(jī)房采用間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組（AHU）

蒸發(fā)冷卻技術(shù)具有耗電、耗水量少的優(yōu)點(diǎn)，目前已在我國(guó)中西部地區(qū)廣泛應(yīng)用。風(fēng)測(cè)間接蒸發(fā)冷卻是指通過非直接接觸式換熱器將直接蒸發(fā)冷卻得到的濕空氣（二次空氣）的冷量傳遞給待處理空氣（一次空氣），實(shí)現(xiàn)空氣等濕降溫的過程，其技術(shù)優(yōu)劣勢(shì)見表5。間接蒸發(fā)冷卻可確保室內(nèi)外僅傳熱不傳質(zhì)，機(jī)房?jī)?nèi)的濕度及空氣品質(zhì)不受室外空氣的影響。

表5 蒸發(fā)冷卻和水冷空調(diào)系統(tǒng)對(duì)比圖

園區(qū)計(jì)劃對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)機(jī)樓頂層空間較為富裕的機(jī)房安裝間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組給服務(wù)器降溫，以進(jìn)一步提升PUE水平和節(jié)能減排效果。

3.3 合理配置空調(diào)末端

當(dāng)前數(shù)據(jù)中心空調(diào)末端配置形式主要有房間級(jí)、行級(jí)和機(jī)柜級(jí)3種。其中房間級(jí)空調(diào)適用于單機(jī)柜功率低于5 kW的數(shù)據(jù)機(jī)房，超過5.5 kW功率的機(jī)柜，房間級(jí)空調(diào)將無法滿足散熱需求，3種配置形式比較表見表6。

表6 空調(diào)末端配置形式對(duì)比表

通過3種末端供冷形式的對(duì)比，同時(shí)結(jié)合大數(shù)據(jù)園區(qū)對(duì)客戶提供差異化、定制化產(chǎn)品的政策，擬對(duì)低功率機(jī)架（5.5 kW及以下）采用房間級(jí)精密空調(diào)，中功率機(jī)柜（5.5～8 kW）采用行間空調(diào)，高功率（8 kW及以上）采用熱管背板。

3.4 封閉熱通道

封閉冷通道情況下，機(jī)房區(qū)是一個(gè)熱池，空調(diào)回風(fēng)溫度不能大于32 ℃；若優(yōu)化為封閉熱通道，熱池大大減小，空調(diào)回風(fēng)溫度可以提升至35 ℃。由于熱通道封閉可以有效提升熱通道溫度，提高空調(diào)換熱效率，總體而言，采用熱通道封閉會(huì)比采用冷通道封閉更節(jié)能，兩者對(duì)比見表7。

表7 封閉冷通道和熱通道對(duì)比

對(duì)于有多個(gè)客戶的數(shù)據(jù)機(jī)房，大數(shù)據(jù)園區(qū)傾向采用封閉冷通道的方案，對(duì)于單個(gè)客戶機(jī)房，且客戶接受的前提下，優(yōu)先采用封閉熱通道。

4 結(jié) 論

作為地處京津冀都市圈重要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算與應(yīng)用的核心節(jié)點(diǎn)，大數(shù)據(jù)園區(qū)擔(dān)負(fù)著為京津冀數(shù)字產(chǎn)業(yè)和智能制造發(fā)展提供高效存儲(chǔ)與計(jì)算能力，以及承接北京非首都功能疏解的重任。中國(guó)電信希望高標(biāo)準(zhǔn)打造大數(shù)據(jù)中心，高質(zhì)量建設(shè)標(biāo)桿產(chǎn)業(yè)園。中國(guó)電信建設(shè)和運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)通過積極推動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施綠色節(jié)能技術(shù)推廣應(yīng)用，確保數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)年均PUE值在1.3以下，達(dá)到本地區(qū)先進(jìn)水平，對(duì)其他新建大中型數(shù)據(jù)中心降低PUE具有指導(dǎo)和參考意義。下一步，建設(shè)團(tuán)隊(duì)按照既定技術(shù)路線完成基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)、建設(shè)、驗(yàn)收和交付各個(gè)環(huán)節(jié)，盡早實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)能力，全力以赴塑造行業(yè)典范工程，助力京津冀協(xié)同發(fā)展。