郭方圓

（上海普平數(shù)據(jù)服務(wù)有限公司，上海 200032）

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)2030年數(shù)據(jù)中心的用電量達(dá)到社會(huì)總用電量的1.5%～2%，而數(shù)據(jù)中心的制冷空調(diào)系統(tǒng)用電量占整個(gè)數(shù)據(jù)中心的30%～50%，制冷空調(diào)系統(tǒng)用電產(chǎn)生的碳排放量巨大[1]，故優(yōu)化制冷空調(diào)系統(tǒng)對(duì)減少能源消耗起著關(guān)鍵性的作用。

目前，數(shù)據(jù)中心的主要制冷模式為風(fēng)冷，冷源采用集中式冷凍水系統(tǒng)，空調(diào)末端采用房間級(jí)精密空調(diào)，主要配置為冷卻塔+板換+冷機(jī)+末端空調(diào)，如果負(fù)載率達(dá)到80%以上，PUE值能保持在1.3左右；經(jīng)過技術(shù)人員多年的研究、探討及小規(guī)模實(shí)踐，證實(shí)浸沒式液冷和冷板式液冷適用于數(shù)據(jù)中心，并能大大降低PUE值使其保持在1.1內(nèi)，對(duì)于能耗指標(biāo)的降低做出了巨大的貢獻(xiàn)。

以上海某數(shù)據(jù)中心風(fēng)冷改液冷的實(shí)際案例，結(jié)合成熟的價(jià)值工程的理論方法，對(duì)比風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)與浸沒式液冷的制冷模式的設(shè)計(jì)PU E和對(duì)應(yīng)之成本，從浸沒式液冷的建設(shè)成本（CAPEX）和運(yùn)營成本（OPEX）角度提出費(fèi)用優(yōu)化的方法。

1 工程概述

1.1 施工項(xiàng)目背景

本工程為上海某數(shù)據(jù)中心DC01，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共計(jì)2層，樓高16.1 m，建筑面積23 000 m2，總IT負(fù)載14 MW。原設(shè)計(jì)，一層集中設(shè)計(jì)10 kV配電間、冷凍機(jī)房、配電室、消控室、運(yùn)營商接入間；二層為8個(gè)包間及其輔助用房，制冷模式采用風(fēng)冷，冷源采用集中式冷凍水系統(tǒng)。因客戶需求變動(dòng)，需將其中1個(gè)包間C05共1750 kW體量的IT負(fù)載改變制冷模式，由原來的風(fēng)冷改成浸沒式液冷模式。

浸沒式液冷包含HVDC的配電、列頭的配電、CDU設(shè)備、管線及支架、tank設(shè)備、CDU一次側(cè)的管道、CDU二次側(cè)的管道、樓板的承載、弱電工程、自控系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)工作，相對(duì)應(yīng)常規(guī)的風(fēng)冷制冷模式，根據(jù)以上內(nèi)容，結(jié)合圖紙及技術(shù)資料，進(jìn)行全方位的價(jià)格分析，比對(duì)兩者成本差異。

1.2 浸沒式液冷難點(diǎn)

（1）資料的不完備：相比國內(nèi)所有數(shù)據(jù)中心，歷史數(shù)據(jù)中心用液冷技術(shù)所承載的tank數(shù)量基本保持在6～8個(gè)，還處于試施工和運(yùn)行階段，而本次承載的規(guī)模較大，tank數(shù)量為84臺(tái)，故未有非常完善的技術(shù)資料來支撐出圖和計(jì)算成本。

（2）多元化溝通：從技術(shù)熟悉—技術(shù)深入探討—方案圖紙—施工圖紙—工作界面—工程量清單—成本談判—定標(biāo)—施工—竣工驗(yàn)收等環(huán)節(jié)，與客戶、合作伙伴、同事從技術(shù)層面、施工層面、成本層面進(jìn)行全方面的溝通及探討研究，溝通任務(wù)量巨大，溝通質(zhì)量以及信息的暢通性如何保證也成為難點(diǎn)。

（3）專業(yè)性強(qiáng)：一是樓板承重，浸沒式液冷是將服務(wù)器整體直接浸沒在液體中，依靠流動(dòng)的工程液體吸收服務(wù)器的發(fā)熱量，故tank裝的氟化液的單體質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)柜，需對(duì)樓板進(jìn)行荷載測算并進(jìn)行樓板加固處理；二是綜合管線的布置，列頭柜到tank的布線、配電箱到CDU的布線、CDU一次側(cè)的管道、CDU二次側(cè)的管道及弱電、自控等管線的整體布局；三是CDU集成化產(chǎn)品，包含1臺(tái)不銹鋼板式換熱器、一臺(tái)冷卻液循環(huán)泵、一套冷卻液循環(huán)過濾裝置、閥門、管道、排氣裝置、壓力傳感器、溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器等自控儀表、強(qiáng)電接線盒、弱電接線盒、接地用接線柱及與之配套的外框和支腳等；四是CDU與tank的精度要求，大大提升了成本，均為預(yù)制化產(chǎn)品，法蘭、閥門、管道、軟連接必須滿足法蘭日標(biāo)要求、不銹鋼管無縫鏈接、閥桿和閥體不銹鋼材質(zhì)、進(jìn)口軟連接等苛刻的要求。

1.3 數(shù)據(jù)分析及一般假設(shè)

通過對(duì)數(shù)據(jù)中心C05包間液冷和風(fēng)冷制冷技術(shù)的比對(duì)，發(fā)現(xiàn)兩種模式的差異點(diǎn)較多，為能更好地進(jìn)行PUE及建設(shè)成本的對(duì)比，假定在液冷施工工藝完全成熟的情況下，風(fēng)冷和液冷的施工進(jìn)度、施工質(zhì)量能保持同步，并以客戶服務(wù)器的一次側(cè)為成本測算的分界點(diǎn)為前提，再結(jié)合成熟的價(jià)值工程的理論方法比較風(fēng)冷和浸沒式液冷兩種模式。

本次通過研究分析本案例中的所有資料，包括但不限于液冷圖紙、技術(shù)文件等，對(duì)本項(xiàng)目所使用的浸沒式液冷制冷模式從技術(shù)角度、施工角度、成本角度等方面進(jìn)行技術(shù)溝通、施工界面安排、成本對(duì)比，得出最優(yōu)成本方案，并與之功能做對(duì)比，得出價(jià)值系數(shù)，并從價(jià)值系數(shù)中的功能值和成本值入手，提出如何實(shí)現(xiàn)價(jià)值最優(yōu)的解決方案。

2 液冷模式實(shí)例分析

價(jià)值工程（Value Engineering），也稱價(jià)值分析（Value Analysis），是對(duì)產(chǎn)品或勞務(wù)的功能進(jìn)行充分的成本分析，從而找出提高產(chǎn)品或勞務(wù)功能降低成本的有效且可行的方法。價(jià)值工程的主要原則就是用最低的總成本滿足所需要的功能。價(jià)值工程（V）主要是指產(chǎn)品或勞務(wù)的功能（F）（功能指的是產(chǎn)品的用途或作用）與產(chǎn)品或勞務(wù)的成本（C）（成本指的是滿足產(chǎn)品的所需要的功能所付出的周期成本）的對(duì)比值，即V=F/C。

價(jià)值分析是個(gè)相對(duì)比較復(fù)雜的過程，研究者會(huì)利用經(jīng)驗(yàn)分析法、ABC分析法及百分比分析法選定研究對(duì)象，而本文主要通過經(jīng)驗(yàn)分析法選定數(shù)據(jù)中心的重要指標(biāo)PUE作為研究對(duì)象，用04評(píng)分法進(jìn)行PUE值得功能評(píng)分，并通過成本精準(zhǔn)測算，進(jìn)而得出價(jià)值指數(shù)。

首先，確定研究對(duì)象的功能值（F）：組織技術(shù)部的技術(shù)總監(jiān)、暖通技術(shù)負(fù)責(zé)人、弱電技術(shù)負(fù)責(zé)人、施工項(xiàng)目經(jīng)理、運(yùn)維總監(jiān)、運(yùn)維經(jīng)理、運(yùn)維值班員等7人，完全獨(dú)立地對(duì)設(shè)計(jì)PUE實(shí)際所達(dá)到的功能（Fa、Fb）進(jìn)行打分，計(jì)算總分和平均分，從而得出功能值，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 功能測算表

其次，確定研究對(duì)象的成本值（C）：根據(jù)施工工作界面，對(duì)液冷涉及的4個(gè)標(biāo)段機(jī)電總包工程（CDU一次側(cè)工程、弱電工程、CDU二次側(cè)工程及甲供設(shè)備）分別進(jìn)行成本測算及核對(duì)，為了方便成本計(jì)量，將4個(gè)標(biāo)段的總成本換算成成本指標(biāo)（元/kW），用于評(píng)價(jià)研究對(duì)象的成本值，如表2所示。

表2 成本測算表

最后，確定價(jià)值：價(jià)值（V）=功能（F）/成本（C），計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 價(jià)值測算表

從功能測算表可以得出液冷的制冷模式功能值（即PUE值越低，功能值得分越高）非常高，高出風(fēng)冷模式100%，功能性能完美，但其成本值過高，比風(fēng)冷模式高出267%，導(dǎo)致價(jià)值數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1。為了實(shí)現(xiàn)價(jià)值數(shù)趨向于1，則在保持功能值（即PUE）絕對(duì)優(yōu)勢的情況下，如何降低成本值將作為液冷技術(shù)的改進(jìn)方向。

3 液冷方案優(yōu)化改進(jìn)

3.1 數(shù)據(jù)中心全生命周期成本

數(shù)據(jù)中心作為互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)于像第三方數(shù)據(jù)中心供應(yīng)商而言，全生命周期成本包括建設(shè)成本（CAPEX）和運(yùn)營成本（OPEX），而運(yùn)營成本（OPEX）又分租電分離模式和包租包電模式。假設(shè)項(xiàng)目類型屬于包租包電模式，并在固定的IT負(fù)載量下（假設(shè)1750 kW），電費(fèi)0.6元/度，在不同的PUE下，測算每年的電費(fèi)價(jià)格，如表4所示。通過上述分析，采用液冷在包租包電模式下電費(fèi)有較大幅度的節(jié)約，并與國家號(hào)召的打造綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心相匹配。從成本角度分析，液冷技術(shù)雖然在建設(shè)成本（CA PEX）的投資中費(fèi)用有所上升，但結(jié)合2～3年的運(yùn)營成本（OPE X）價(jià)值數(shù)趨于1，達(dá)到功能與成本的平衡，所以基于建設(shè)成本（CAPEX）和運(yùn)營成本（OPEX）的兩者綜合考慮，利用液冷技術(shù)的制冷措施，在提高功能值的同時(shí)，也能有效控制成本。

表4 電費(fèi)測算表

3.2 基于建設(shè)成本（CAPEX） 液冷技術(shù)價(jià)值優(yōu)化改進(jìn)

3.2.1 規(guī)模化投產(chǎn)運(yùn)營

近幾十年在很長的一段時(shí)間內(nèi)，早期數(shù)字信息需求量小，之前主要運(yùn)用在電信的IDC服務(wù)器托管企業(yè)或政府單位的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，單機(jī)柜容量主要以4 kW以下機(jī)柜為主，限制了液冷技術(shù)的有效發(fā)展；其次，與風(fēng)冷技術(shù)相比，液冷技術(shù)在系統(tǒng)部署、制冷原理以及技術(shù)方向等方面存在較大的研發(fā)及應(yīng)用困難[3]。近兩年，隨著業(yè)務(wù)量需求的日益劇增，單機(jī)柜趨于10 kW以上，甚至20 kW以上，高功率的機(jī)柜的散熱量極具加大，制冷面積不斷加大，導(dǎo)致相同面積高密度機(jī)柜的產(chǎn)出率大大降低，而且提高制冷要求，利用傳統(tǒng)的風(fēng)冷制冷模式，不管從產(chǎn)出率還是成本方面，都不是最好的選擇。由此，液冷技術(shù)開始慢慢運(yùn)用在數(shù)據(jù)中心，但由于技術(shù)的壁壘，局限于個(gè)別互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的研發(fā)和實(shí)踐階段，但隨著時(shí)間的推移，液冷技術(shù)逐步會(huì)趨于成熟化和規(guī)?；?jīng)濟(jì)價(jià)值會(huì)日益顯現(xiàn)。

3.2.2 技術(shù)優(yōu)化

（1）CDU到tank間的管道連接，產(chǎn)品材料及施工工藝要求極高，如使用的管道（要求：無縫、預(yù)制成段）及其配套的閥門（要求：日標(biāo)）、法蘭（要求：日標(biāo)）、軟連接、三通、彎頭等均要求為316不銹鋼材質(zhì)，CDU內(nèi)用的液體循環(huán)泵需采用協(xié)磁（ASSOMA）原裝進(jìn)口品牌，并進(jìn)行高精度的預(yù)制組裝，而隨著液冷技術(shù)的不斷革新，產(chǎn)品材料及施工工藝是否能優(yōu)化，比如管道是否能從無縫不銹鋼管變成有縫鍍鋅鋼管，或者預(yù)制成品能變成現(xiàn)場直接焊接產(chǎn)品，又或者進(jìn)口產(chǎn)品能慢慢用國產(chǎn)品牌替換等，從而在滿足tank運(yùn)行需求的同時(shí)能有效降低成本，提高價(jià)值（V）。

（2）承重要求高，tank是承載液體、服務(wù)器及配套設(shè)施的大容器，它所要求的濕荷載為4T，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于機(jī)柜的荷載。對(duì)于改造建筑，一般情況建筑荷載只有1T左右，那采取何種加固措施的性價(jià)比最高，就需要通過加固多方案討論及成本測算，得出最優(yōu)加固方案，從而降低成本投入；而對(duì)于新建建筑，則可以采用性價(jià)比高的抗壓材料做為結(jié)構(gòu)材料，并合理安排tank的放置位置，較少配筋率及混凝土的使用量，從而降低成本，提高價(jià)值（V）。

（3）服務(wù)器浸沒的液體，據(jù)目前了解，該液體的價(jià)格等同于黃金價(jià)格，極其昂貴。如果優(yōu)化和選擇冷卻液，也需進(jìn)一步的研究，該液體直接與服務(wù)器接觸，就必須保證該液體與服務(wù)器是絕緣的，還必須從環(huán)保性能、穩(wěn)定性能、電化學(xué)反映、pH值、液體濃度、微生物總數(shù)指標(biāo)、導(dǎo)熱系數(shù)、散熱能力等方面全面研究測試，結(jié)合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，選出性價(jià)比高的冷卻液，從而可大幅度的降低后期運(yùn)維成本。

4 結(jié)束語

本文運(yùn)用價(jià)值方法僅對(duì)浸沒式液冷與風(fēng)冷的技術(shù)PUE功能和成本差異進(jìn)行簡單的分析比較，液冷屬于高功能產(chǎn)品，為了得到更合理的價(jià)值數(shù)，本文最后提出三方面的改進(jìn)措施，一是從建設(shè)成本（CAPEX）和運(yùn)營成本（OPEX）兩方面成本整體考慮，加入運(yùn)營成本（OPEX）的液冷攤銷成本情況；二是荷載方面，針對(duì)不同的建筑提出不同的荷載方案來優(yōu)化成本；三是從建設(shè)成本（CAPEX）把控方向考慮，從技術(shù)優(yōu)化角度，通過現(xiàn)實(shí)的技術(shù)要求及實(shí)際運(yùn)用的液體材料分析，提出優(yōu)化方案，最終給出液冷制冷技術(shù)的可行性?！?/p>