宋天琦

上海航天智慧能源研究院；上海航天能源股份有限公司

科技發(fā)展使數(shù)據(jù)中心正成為一種越來越具發(fā)展前景的產(chǎn)業(yè)。同時，作為高能耗型建筑，其供能系統(tǒng)與新興天然氣分布式能源站應用的結合也引起了廣泛的關注。然而，數(shù)據(jù)中心對高可靠性和高可用性的追求及其對評級的需求，難免使最終設計引入天然氣分布式能源站的供能系統(tǒng)方案略顯臃腫。為使此類方案得以進一步優(yōu)化和合理精簡，本文結合天然氣分布式能源技術特點，對數(shù)據(jù)中心主流評級體系進行分析研究與歸納，以促進此類方案的優(yōu)化。

1 數(shù)據(jù)中心評級標準體系概述

當今世界已有多家機構發(fā)布了數(shù)據(jù)中心的評級標準體系，如TUI、ASHRAE、TGG、AFCOM、TIA、ISO、BICSI、EN等。但目前我國國內(nèi)參考較多且較為認可的主要有兩個標準：ANSI/TIA-942-B和GB50174，且均于今年推出了新版本。本文對兩套數(shù)據(jù)中心標準規(guī)范的最新版，ANSI/TIA-942-B-2017和GB50174-2017進行分析研究。

ANSI/TIA-942-B-2017是美國國家標準學會電信產(chǎn)業(yè)協(xié)會推出的一套數(shù)據(jù)中心標準規(guī)范，引用了Uptime Institute的四個級別：Tier I、Tier II、Tier III、Tier IV，級別要求從I到IV依次升高。GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》則是我國國標GB50174-2008《電子計算機機房設計規(guī)范》的升級版，其中列出數(shù)據(jù)中心的三個級別C、B、A，級別要求從C到A依次升高。

鑒于評級對于數(shù)據(jù)中心商業(yè)價值的巨大影響，若要對數(shù)據(jù)中心的供能系統(tǒng)進行改變創(chuàng)新，不僅需要探討改變的技術可行性，還要顧及主流數(shù)據(jù)中心評級標準體系對各級數(shù)據(jù)中心的要求。

2 天然氣分布式能源與數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)的契合度分析

數(shù)據(jù)中心的能耗主體為其IT設備，其電負荷和冷負荷比例接近1。用于數(shù)據(jù)中心的天然氣分布式能源站通常也能實現(xiàn)約44%左右的發(fā)電效率和約46%左右的余熱利用效率，當采用COP在1左右的溴化鋰吸收式制冷機組時，其供電供冷比例也接近于1，兩者供電供冷比例相當?？杀ＷC能源利用的充分性和穩(wěn)定性。

另一方面，數(shù)據(jù)中心對可用性高標準的追求，也使得實現(xiàn)能源站優(yōu)良經(jīng)濟性的超長時間運行條件成為可能。

3 數(shù)據(jù)中心評級標準體系研究分析

天然氣分布式能源融入數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)，主要是影響到其供電系統(tǒng)、供冷系統(tǒng)。因此，雖然數(shù)據(jù)中心的評級內(nèi)容涉及各個專業(yè)，本文僅對其中與供電、供冷系統(tǒng)關聯(lián)較大的內(nèi)容進行分析研究。

如果主電網(wǎng)十分可靠,或數(shù)據(jù)中心處理的數(shù)據(jù)敏感性要求較低、或不嚴格要求數(shù)據(jù)的實時可讀取性,則數(shù)據(jù)中心設施的有效性百分比將降低，它們會被歸類為Tier I、Tier II或GB-C級。但當前趨勢下，新建數(shù)據(jù)中心的級別趨向更高級別發(fā)展。因此本文的討論也側(cè)重于Tier III、Tier IV以及GB-B、GB-A級。

4 供電系統(tǒng)相關要求

常規(guī)數(shù)據(jù)中心的供能系統(tǒng)能量輸入，幾乎全部依靠電力。只有一些數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)在設計時會引入一些自然冷卻技術，然而其設備的自耗能源仍多以電能為主。典型的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)由中壓配電、變壓器、低壓配電、不間斷電源、末端配電以及發(fā)電機組等設備組成。不間斷電源的作用主要是應對市電中斷、發(fā)電機啟動前的能量供應，確保用電負載的持續(xù)供電。發(fā)電機組的主要作用則是市電中斷時立即啟動為負載提供持續(xù)、穩(wěn)定的電力供應。數(shù)據(jù)中心在獲取市電、配UPS同時，會為一些電源要求較高的用戶配置柴油發(fā)電機組作為備用電源，以保證供電系統(tǒng)的可靠性和可用性。

數(shù)據(jù)中心所擁有的提供持續(xù)電源和應急電源的設備數(shù)量以及這些環(huán)節(jié)的設計方案是決定它們屬于哪一等級的重要因素。結合數(shù)據(jù)中心典型供電系統(tǒng)模型和標準中的各級要求，分析整理結果見表1：

新建設的數(shù)據(jù)中心通常都會達到Tier IV、Tier III級別或GB-A、GB-B級別。由表1可見，在這種級別要求下，數(shù)據(jù)中心需采用雙路市電（自同一或不同變壓器），同時配置1到2組備用持續(xù)電源。傳統(tǒng)配置中，備用持續(xù)電源均采用柴油發(fā)電機組。當引入天然氣分布式能源站時，首先便是改變了其持續(xù)電源的配置狀況。

應急備用電源UPS部分的配置，則受天然氣分布式能源站引入的影響相對間接。兩個標準對其的具體要求參見表2?？筛鶕?jù)不同等級的數(shù)據(jù)中心設計對該部分的可用性和可靠性規(guī)劃選擇不同的供配電系統(tǒng)UPS方案。

表1 不同等級數(shù)據(jù)中心對供電系統(tǒng)的要求及典型應用舉例

表2 不同等級數(shù)據(jù)中心對UPS系統(tǒng)的要求

表3 不同等級數(shù)據(jù)中心對制冷設備的電氣功能要求

表4 不同等級數(shù)據(jù)中心對制冷系統(tǒng)的功能要求

此外，與供電系統(tǒng)相關的還有對數(shù)據(jù)中心主要終端用電設備（如IT設備、電制冷機等）采用單源型或雙源型的要求。GB50174-2017中沒有就此明確列出，但ANSI/TIA-942-B-2017對此進行了具體說明，參見表3：

5 供冷系統(tǒng)相關要求

就數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)而言，雖然蒸發(fā)冷卻和液體冷卻技術在加速發(fā)展，但當前，以水為載冷劑帶自然冷卻的冷凍水機組的應用還是大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的主要選擇。它具有集中冷源、能耗較低、技術成熟穩(wěn)定等特點，應用深入人心。冷凍水供冷系統(tǒng)，使數(shù)據(jù)中心的供冷系統(tǒng)與天然氣分布式能源的余熱制冷融合成為可能。

總結兩個標準中對數(shù)據(jù)中心的供冷系統(tǒng)及其設備配置的要求，見表3和表4。

可見，大型數(shù)據(jù)中心的供冷系統(tǒng)主要設備（如冷水機組、泵等）的配置數(shù)量只要達到N+1臺即可。對于Tier IV和GB-A級別的大中型數(shù)據(jù)中心，應采用雙供雙回。此外，常規(guī)采用的電冷機具有雙路供電接口，推及天然氣分布式能源的溴化鋰余熱制冷機組也宜設計雙路熱源管路匯入機組入口。

6 結語

針對現(xiàn)有的引入天然氣分布式能源站的數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)實例，其除去分布式能源站后的部分與未引入分布式能源站之前并無區(qū)別，均存在優(yōu)化和精簡的空間。望本文結合天然氣分布式能源站應用的評級標準的歸納解讀可給今后數(shù)據(jù)中心帶有天然氣分布式能源站的供能系統(tǒng)方案的設計提供一些新的思路和便利。