結(jié)合天然氣分布式能源站的應(yīng)用解讀數(shù)據(jù)中心評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

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(shí)，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(yīng)用的結(jié)合也引起了廣泛的關(guān)注。然而，數(shù)據(jù)中心對(duì)高可靠性和高可用性的追求及其對(duì)評(píng)級(jí)的需求，難免使最終設(shè)計(jì)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(jìn)一步優(yōu)化和合理精簡(jiǎn)，本文結(jié)合天然氣分布式能源技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)中心主流評(píng)級(jí)體系進(jìn)行分析研究與歸納，以促進(jìn)此類方案的優(yōu)化。

1 數(shù)據(jù)中心評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)體系概述

當(dāng)今世界已有多家機(jī)構(gòu)發(fā)布了數(shù)據(jù)中心的評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)體系，如TUI、ASHRAE、TGG、AFCOM、TIA、ISO、BICSI、EN等。但目前我國(guó)國(guó)內(nèi)參考較多且較為認(rèn)可的主要有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：ANSI/TIA-942-B和GB50174，且均于今年推出了新版本。本文對(duì)兩套數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的最新版，ANSI/TIA-942-B-2017和GB50174-2017進(jìn)行分析研究。

ANSI/TIA-942-B-2017是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)電信產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)推出的一套數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，引用了Uptime Institute的四個(gè)級(jí)別：Tier I、Tier II、Tier III、Tier IV，級(jí)別要求從I到IV依次升高。GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》則是我國(guó)國(guó)標(biāo)GB50174-2008《電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》的升級(jí)版，其中列出數(shù)據(jù)中心的三個(gè)級(jí)別C、B、A，級(jí)別要求從C到A依次升高。

鑒于評(píng)級(jí)對(duì)于數(shù)據(jù)中心商業(yè)價(jià)值的巨大影響，若要對(duì)數(shù)據(jù)中心的供能系統(tǒng)進(jìn)行改變創(chuàng)新，不僅需要探討改變的技術(shù)可行性，還要顧及主流數(shù)據(jù)中心評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)各級(jí)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(shè)備，其電負(fù)荷和冷負(fù)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(shí)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(dāng)采用COP在1左右的溴化鋰吸收式制冷機(jī)組時(shí)，其供電供冷比例也接近于1，兩者供電供冷比例相當(dāng)。可保證能源利用的充分性和穩(wěn)定性。

另一方面，數(shù)據(jù)中心對(duì)可用性高標(biāo)準(zhǔn)的追求，也使得實(shí)現(xiàn)能源站優(yōu)良經(jīng)濟(jì)性的超長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行條件成為可能。

3 數(shù)據(jù)中心評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)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(píng)級(jí)內(nèi)容涉及各個(gè)專業(yè)，本文僅對(duì)其中與供電、供冷系統(tǒng)關(guān)聯(lián)較大的內(nèi)容進(jìn)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(yán)格要求數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可讀取性,則數(shù)據(jù)中心設(shè)施的有效性百分比將降低，它們會(huì)被歸類為Tier I、Tier II或GB-C級(jí)。但當(dāng)前趨勢(shì)下，新建數(shù)據(jù)中心的級(jí)別趨向更高級(jí)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(jí)。

4 供電系統(tǒng)相關(guān)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(shè)計(jì)時(shí)會(huì)引入一些自然冷卻技術(shù)，然而其設(shè)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(jī)組等設(shè)備組成。不間斷電源的作用主要是應(yīng)對(duì)市電中斷、發(fā)電機(jī)啟動(dòng)前的能量供應(yīng)，確保用電負(fù)載的持續(xù)供電。發(fā)電機(jī)組的主要作用則是市電中斷時(shí)立即啟動(dòng)為負(fù)載提供持續(xù)、穩(wěn)定的電力供應(yīng)。數(shù)據(jù)中心在獲取市電、配UPS同時(shí)，會(huì)為一些電源要求較高的用戶配置柴油發(fā)電機(jī)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(yīng)急電源的設(shè)備數(shù)量以及這些環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方案是決定它們屬于哪一等級(jí)的重要因素。結(jié)合數(shù)據(jù)中心典型供電系統(tǒng)模型和標(biāo)準(zhǔn)中的各級(jí)要求，分析整理結(jié)果見表1：

新建設(shè)的數(shù)據(jù)中心通常都會(huì)達(dá)到Tier IV、Tier III級(jí)別或GB-A、GB-B級(jí)別。由表1可見，在這種級(jí)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(shí)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(jī)組。當(dāng)引入天然氣分布式能源站時(shí)，首先便是改變了其持續(xù)電源的配置狀況。

應(yīng)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(duì)間接。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其的具體要求參見表2?？筛鶕?jù)不同等級(jí)的數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)對(duì)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(jí)數(shù)據(jù)中心對(duì)供電系統(tǒng)的要求及典型應(yīng)用舉例

表2 不同等級(jí)數(shù)據(jù)中心對(duì)UPS系統(tǒng)的要求

表3 不同等級(jí)數(shù)據(jù)中心對(duì)制冷設(shè)備的電氣功能要求

表4 不同等級(jí)數(shù)據(jù)中心對(duì)制冷系統(tǒng)的功能要求

此外，與供電系統(tǒng)相關(guān)的還有對(duì)數(shù)據(jù)中心主要終端用電設(shè)備（如IT設(shè)備、電制冷機(jī)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(duì)此進(jìn)行了具體說明，參見表3：

5 供冷系統(tǒng)相關(guān)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(shù)在加速發(fā)展，但當(dāng)前，以水為載冷劑帶自然冷卻的冷凍水機(jī)組的應(yīng)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(shù)成熟穩(wěn)定等特點(diǎn)，應(yīng)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(jié)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)數(shù)據(jù)中心的供冷系統(tǒng)及其設(shè)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(shè)備（如冷水機(jī)組、泵等）的配置數(shù)量只要達(dá)到N+1臺(tái)即可。對(duì)于Tier IV和GB-A級(jí)別的大中型數(shù)據(jù)中心，應(yīng)采用雙供雙回。此外，常規(guī)采用的電冷機(jī)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(jī)組也宜設(shè)計(jì)雙路熱源管路匯入機(jī)組入口。

6 結(jié)語

針對(duì)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(shí)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(jiǎn)的空間。望本文結(jié)合天然氣分布式能源站應(yīng)用的評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)提供一些新的思路和便利。