上海郵電設(shè)計(jì)咨詢研究院有限公司 唐婷婷

近年來(lái)可再生能源發(fā)電在能源結(jié)構(gòu)中的比重逐年增長(zhǎng)，加劇了電網(wǎng)峰谷調(diào)節(jié)、安全穩(wěn)定運(yùn)行的難度，致使電網(wǎng)原有的調(diào)節(jié)手段和方式更加難以為繼。同時(shí)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，地區(qū)電網(wǎng)局部區(qū)域重過(guò)載與高可靠供電保障需求間的矛盾日益突出，數(shù)據(jù)中心作為能耗大戶，推動(dòng)其運(yùn)行過(guò)程中節(jié)能減排對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略具有重要意義。

1 項(xiàng)目概況及電氣節(jié)能設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目規(guī)劃用地是位于某地開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)的災(zāi)備數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目，總建筑面積5.8萬(wàn)m2，涉及數(shù)據(jù)中心樓、動(dòng)力樓和信息樓。數(shù)據(jù)中心共設(shè)置12個(gè)模塊機(jī)房，每個(gè)機(jī)房模塊規(guī)劃6kW IT 機(jī)柜164個(gè)、共計(jì)984kW。機(jī)房實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)理念，采用“機(jī)柜模塊化、配電模塊化、機(jī)房模塊化”的總體原則，將機(jī)房、電力室布局歸納為標(biāo)準(zhǔn)化模型，形成可批量復(fù)制的模塊化機(jī)房，按需靈活部署，以此提高數(shù)據(jù)中心的整體運(yùn)營(yíng)效率，實(shí)現(xiàn)快速部署、彈性擴(kuò)展和綠色節(jié)能。

數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目建設(shè)節(jié)能目標(biāo)按照整體規(guī)劃、分布實(shí)施的原則。電氣系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗的關(guān)鍵之一，不僅需從建筑設(shè)計(jì)總體上采取合理的保溫、空間布局，還應(yīng)做好供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、UPS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)、精密空調(diào)區(qū)分設(shè)計(jì)、照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)能源系統(tǒng)監(jiān)測(cè)等配合，從而推進(jìn)項(xiàng)目整體達(dá)到節(jié)能環(huán)保政策要求[1]。

1.1 供配電設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備負(fù)荷統(tǒng)計(jì)及分析，高壓供電引自園區(qū)內(nèi)變電站不同變壓器，共引四路10kV，每?jī)陕肥须婋娫椿槿哂?。后備電源采?0kV 中壓柴發(fā)機(jī)組并機(jī)方式，與市電10kV 側(cè)進(jìn)行切換，經(jīng)變壓器后向低壓用電設(shè)備進(jìn)行供電。高低壓配電室的規(guī)劃布置靠近負(fù)荷中心，在充分考慮可靠性、可擴(kuò)充性、便于維護(hù)的前提下，減小供電半徑、節(jié)能節(jié)資。采用10kV 中壓柴發(fā)機(jī)組與0.4kV 低壓柴發(fā)機(jī)組相比，電壓提升電流減小有利于組成大容量并機(jī)系統(tǒng)，且降低供電線路損耗，同時(shí)對(duì)于后級(jí)為10kV 設(shè)備（冷水主機(jī)）也便于直接提供供電保障，且柴發(fā)并機(jī)系統(tǒng)設(shè)備可根據(jù)IT 設(shè)備上架規(guī)劃進(jìn)行分期建設(shè)。

對(duì)大容量負(fù)荷、重要負(fù)荷采用放射式配電方式，對(duì)小負(fù)荷、分散型負(fù)荷配電則采用樹(shù)干式配電方式。冷機(jī)機(jī)組設(shè)備、機(jī)房末端空調(diào)負(fù)荷等一級(jí)負(fù)荷由配電系統(tǒng)不同的母線段采取放射式供電，并在末端切換。照明、電力、消防用電負(fù)荷分別自成配電系統(tǒng)。同時(shí)，在變壓器低壓母線側(cè)裝設(shè)無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償后功率因數(shù)達(dá)到0.95以上。無(wú)功補(bǔ)償容量根據(jù)實(shí)際需求計(jì)算量配置，利于節(jié)省初期投資。

1.2 UPS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)計(jì)與建設(shè)應(yīng)以IT 設(shè)備不間斷運(yùn)行為首要任務(wù)，以可擴(kuò)充性為未來(lái)發(fā)展目標(biāo)。本項(xiàng)目基于UPS 兩種冗余輸出方法：一是兩臺(tái)塔式UPS外部并聯(lián)的傳統(tǒng)方案，但功率固定、無(wú)法擴(kuò)容，且維修難度大、時(shí)間長(zhǎng)；一種為模塊化、熱插拔、功能模塊雙總線設(shè)計(jì)方式，可根據(jù)IT 設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用該方式可提高輸出功率，可用性與可維護(hù)性極高。

數(shù)據(jù)中心基于對(duì)項(xiàng)目未來(lái)3～6年的發(fā)展需要預(yù)留了可擴(kuò)容空間。本項(xiàng)目采用模塊化UPS 主機(jī)設(shè)計(jì)，不僅可減少初期投資，還可合理控制投產(chǎn)后用電能耗，對(duì)可持續(xù)發(fā)展策略更好的執(zhí)行。模塊化UPS 主機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每套系統(tǒng)由功率模塊、監(jiān)控模塊、靜態(tài)開(kāi)關(guān)組成，其中功率模塊可并聯(lián)、平均分擔(dān)負(fù)載，如遇故障自動(dòng)退出系統(tǒng)、由其它功率模塊來(lái)承擔(dān)負(fù)載，既能水平擴(kuò)展、又能垂直擴(kuò)展。所有的模塊可實(shí)現(xiàn)熱拔插、可實(shí)現(xiàn)在線更換，是安全的電源保護(hù)方案?？梢钥闯?，采用模塊化UPS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)可適應(yīng)不斷變化的需求，與環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性相符[2]。

1.3 空調(diào)配電設(shè)計(jì)

空調(diào)設(shè)備末端采用帶群組控制的精密空調(diào)制冷系統(tǒng)。由于數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用占數(shù)據(jù)中心整體運(yùn)行費(fèi)用比例很高，故數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目建成并達(dá)到設(shè)計(jì)容量后，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)能耗值巨大，只有采用高效節(jié)能的制冷系統(tǒng)、降低制冷部分的能耗，才能以此降低數(shù)據(jù)中心整體能耗。在節(jié)約整體運(yùn)營(yíng)成本費(fèi)用的同時(shí)助力“雙碳”策略的推進(jìn)。機(jī)房?jī)?nèi)空調(diào)機(jī)組采取對(duì)冷量氣流組織有優(yōu)化處理功能的群組聯(lián)控手段，避免機(jī)房“空調(diào)群”在組合使用時(shí)不協(xié)調(diào)。同時(shí)群組控制有利于節(jié)能運(yùn)行，以機(jī)房?jī)?nèi)冷負(fù)荷變化為依據(jù)自動(dòng)控制機(jī)組空調(diào)運(yùn)行數(shù)量，避免無(wú)謂的能耗浪費(fèi)。

本項(xiàng)目冷水機(jī)組配套冷凍水泵、空調(diào)末端均需UPS 供電，其中每臺(tái)冷凍水泵采用單臺(tái)UPS 進(jìn)行供電，末端空調(diào)采用1路市電+1路UPS 電源方式供電。

1.4 電氣照明系統(tǒng)

本項(xiàng)目照明分為正常照明和應(yīng)急照明，應(yīng)急照明又分為備用照明、疏散照明及疏散指示標(biāo)志。為倡導(dǎo)節(jié)能減排號(hào)召，本項(xiàng)目普通照明采用380/220V三相四線制交流電源。燈具均采用高功率因數(shù)型，要求功率因數(shù)不得低于0.9。

機(jī)房照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)與其他場(chǎng)所相比照度要求要高，在照度設(shè)計(jì)時(shí)須對(duì)無(wú)服務(wù)器機(jī)柜照度和布滿機(jī)柜后的工作面照度進(jìn)行綜合考慮。本項(xiàng)目機(jī)房正常照明引自機(jī)房專設(shè)照明干線，由雙電源供電。無(wú)人值守機(jī)房備用照明設(shè)置為正常照明的10%。從節(jié)能角度考慮，機(jī)房采用智能燈光控制系統(tǒng)，與門禁管理系統(tǒng)配合，在機(jī)房無(wú)人區(qū)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換最低照度模式；機(jī)房區(qū)域有人可自動(dòng)打開(kāi)燈光系統(tǒng)。

2 節(jié)能措施及技術(shù)的應(yīng)用

數(shù)據(jù)中心節(jié)能控制涉及多個(gè)專業(yè)的綜合考慮，為滿足《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023年）》要求，本項(xiàng)目還考慮如下節(jié)能措施。

2.1 設(shè)備選型考慮

項(xiàng)目選用I 級(jí)干式非晶合金變壓器，比II 級(jí)電工鋼帶干式變壓器的空載損耗下降了近65%，空載損耗和負(fù)載損耗的下降可提高變壓器的轉(zhuǎn)換效率，減小電網(wǎng)線損、降低運(yùn)行成本，合理設(shè)置低壓供電系統(tǒng)，使變壓器盡可能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在最經(jīng)濟(jì)負(fù)荷狀態(tài)；采用高效率的換流設(shè)備。本項(xiàng)目采用的UPS 主機(jī)設(shè)備，要求其效率不小于96%；為減少后期擴(kuò)容安裝的UPS 設(shè)備及整流設(shè)備等對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波污染，要求安裝的UPS 系統(tǒng)自身設(shè)備配有諧波濾波器，整流設(shè)備應(yīng)有對(duì)其輸入諧波分量的要求。本項(xiàng)目在變壓器低壓側(cè)市電油機(jī)轉(zhuǎn)換屏后集中安裝有源濾波器進(jìn)行諧波治理。

自然光的利用和控制：在白天能利用自然光源時(shí)盡量關(guān)閉不必要的耗電光源。在人員稀少的樓梯間采用聲光控制開(kāi)關(guān)。在有外窗的房間，將燈具與窗線平行布置并按照平行方式單排控制[3]；根據(jù)用電性質(zhì)和用電區(qū)域，所有的供電負(fù)荷均裝設(shè)電能考核節(jié)能表計(jì)。變電所各出線回路均應(yīng)裝設(shè)電能計(jì)量表。表計(jì)為數(shù)字式，帶通訊接口以便構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)?？照{(diào)系統(tǒng)的前端按干線計(jì)量、末端按樓層計(jì)量。照明系統(tǒng)按樓層或分區(qū)計(jì)量，電梯、水泵、風(fēng)機(jī)按干線計(jì)量。

2.2 綠電應(yīng)用

本項(xiàng)目充分利用建筑物屋面及當(dāng)?shù)氐挠行?yáng)能資源將光伏與建筑結(jié)合，讓園區(qū)使用光伏能源獲取滿足日常生活所需的電力，有效降低建筑用能。利用單棟信息樓屋面空余面積（不小于8400m2），通過(guò)布置光伏與建筑一體化系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)約700kW光伏功率，按當(dāng)?shù)啬昶骄庹沼行Ю眯r(shí)數(shù)800h 估算，光伏系統(tǒng)年發(fā)電量約為560000kWh，可滿足單棟信息樓的照明自用電。隨著國(guó)家綠色數(shù)據(jù)中心政策及地方政策的逐步推進(jìn)，未來(lái)數(shù)據(jù)中心在降低PUE 的同時(shí)，還可通過(guò)采購(gòu)可再生能源電力、購(gòu)買綠電證書、碳排放交易等手段加快實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

自國(guó)家提出“雙碳”戰(zhàn)略以來(lái)，也對(duì)數(shù)據(jù)中心的利用率、算力規(guī)模、能效等方面提出了高要求的具體發(fā)展指示。對(duì)此，為確保數(shù)據(jù)中心機(jī)房電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)在滿足可用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等基本要求、并與“雙碳”政策相一致，本項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中選用了低碳綠色智能化電氣產(chǎn)品，降低UPS 系統(tǒng)占地面積，使用新一代綠色智能開(kāi)關(guān)設(shè)備，并采用完整立體的產(chǎn)品組合和架構(gòu)選擇，從而為數(shù)據(jù)中心可靠運(yùn)行提供設(shè)備保障。

其次，在對(duì)供配電架構(gòu)設(shè)計(jì)、部署上系統(tǒng)規(guī)劃，做到簡(jiǎn)化流程、靈活擴(kuò)展，將電氣系統(tǒng)架構(gòu)的構(gòu)建由“基于產(chǎn)品”升級(jí)為“基于應(yīng)用”；在設(shè)計(jì)中，為提高數(shù)據(jù)中心性能和故障可預(yù)測(cè)性，通過(guò)采用智能集散控制確保機(jī)房配電系統(tǒng)精細(xì)化管理以達(dá)到全程實(shí)施監(jiān)控目的，保證了運(yùn)營(yíng)安全；此外，在機(jī)房照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)使用了環(huán)保燈具，在保障優(yōu)質(zhì)光源的同時(shí)降低照明能耗。本項(xiàng)目通過(guò)采取符合推動(dòng)“雙碳”發(fā)展的電氣節(jié)能設(shè)計(jì)，對(duì)構(gòu)建更高水平數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目建設(shè)具有重要意義。