室外多层集装箱式柴油发电机组方案在数据中心的应用分析

朱发熙，李雅宁，张仁玉

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

数据中心是重要的基础设施，主要用于传递、展示、计算以及存储各种数据信息。随着经济社会的发展和快速数字化演变，数据中心行业在全世界蓬勃发展。由于短期内数据中心的井喷建设，几年前“一架难求”的局面基本消失，相反大部分数据中心的出租率明显不高。要建设一个有竞争力的数据中心，不能只停留在安全性、可靠性以及PUE上，更为关键的是降低成本（包括建设成本和运营成本），提高灵活性，提升快速响应客户需求[1-3]。在整个数据中心建设投资中，电气系统的投资占比约50%，而柴油发电机系统在电气系统投资中占据很大的比重，约占整个电气系统的25%[4]。

传统的室内型柴油发电机组在数据中心应用中的弊端日渐显现，一则需要先完成柴油发电机楼的土建后才能安装柴油发电机设备，工期很长，难以满足客户快速交付的要求。二则柴油发电机楼本身会占用容积率和用地面积等指标，降低了总IT机柜数量，影响经济收益[5]。鉴于此，室外型的柴油发电机组开始在数据中心内受到欢迎，本文提出4层室外柴油发电机组布置方案，并通过模拟验证了该方案的可行性。

1 室内外柴油发电机方案对比分析

室内外柴油发电机方案各具优势，室内方案在运维、检修的方便性、限制噪声和固定资产保值方面具备一定优势，而室外方案在节约成本特别是初期土建成本、工期、分期便利性方面具备优势。早期的数据中心以室内方案为主，但随着行业竞争的加剧，为了避免初期投入过大并且能够快速响应客户极速装机的需求，室外方案越来越被广泛采用。表1是室内外柴油发电机方案的对比，本项目核心诉求是节约投资、极限提高单位建筑面积的IT机柜产出率，在意向客户确定后能够实现快速装机，因此本项目选择室外集装箱型柴油发电机的方案。

表1 室内外柴油发电机方案对比

2 建设方案

2.1 项目概况

天津某数据中心园区用地总面积约190 000 m2，园区内规划了8栋数据中心单体、1栋研发办公楼和1栋220 kV变电站。数据中心单体采用模块化设计，每栋数据中心单层面积8 000 m2，共6层，其中一层主要是制冷机房和变配电房，标准层主要是数据机房和电力电池室。单栋数据中心能布置5 680个8 kW机柜，园区整体按照《数据中心设计规范》中的A级标准建设。

2.2 柴油发电机系统方案

统筹考虑机架负荷、为机架配套的制冷负荷以及其他需要柴油发电机组保障的负荷，进行负荷统计，统计的结果详见表2。依据表中的负荷统计结果，单栋数据中心总用电负荷为59 537 kW，其中需要柴油发电机保障的负荷为56 233 kW，需要设置6套高压配电系统，每套高压配电系统采用1套7台柴油发电机并机的系统提供保障，柴油发电机的配置原则为N+1，单套高压系统的供电系统架构见图1。

图1 供电系统架构图

表2 单栋数据中心负荷统计表

单栋数据中心一共需要6套柴油发电机并机系统，每套并机系统配置7台柴油发电机组，考虑到扩容的需要，另外预留3个柴油发电机位置，因此单栋数据中心一共配置45个柴油发电机机位，整个园区一共设置360个柴油发电机机位，单栋数据中心的室外柴油发电机布置详如图2所示。

图2 单组室外柴油发电机组布置剖面图

为了节省电缆，并同时降低室外管线压力，本工程采用室外并机方案，每套并机系统设一个并机集装箱，内含全套的10 kV配电柜、直流电源以及并机总控柜等。图2一层左侧6个是并机集装箱，其他均为室外集装箱柴油发电机组，从室外集装箱柴油发电机组到并机集装箱的强弱电缆均采用桥架敷设，并机集装箱的内部布置图详见图3。

图3 并机集装箱内部布置图

整个园区内一共有8处室外集装箱柴油发电机组布置集群，为了减少初投资，本项目柴油发电机的假负载系统考虑采用室外移动假负载方案，各柴油发电机组布置集群共用移动假负载。

2.3 柴油发电机平台方案

室外柴油发电机平台主要有钢结构和混凝土框架两种方案，其优缺点对比如表3所示。

表3 柴油发电机平台方案对比

考虑到本项目位于8度地震区，且混凝土框架方案在造价、抗振动能力以及运维上均具有优势，因此本项目的室外柴发平台选择混凝土框架方案。

3 仿真分析

3.1 建立模型

根据室外柴油发电机的布置特点，以两栋数据中心所需的柴油发电机机组作为一个整体建立计算模型，模型如图4所示。计算的基础条件如下，环境温度为36.9 ℃，环境风速为南风2.4 m/s（夏季最不利工况），机组冷却通风量为3 141 m3/min，机组燃烧空气量为154 m3/min，散热量为1 500 kW，排烟量为393 m3/min，排烟温度为579 ℃，排烟管直径为450 mm，进风面积为9.6 m2，排风面积为8.16 m2。

图4 双排室外柴油发电机组计算模型

3.2 仿真结果分析

基于前面建立的计算模型和外部约束条件，采用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）手段对气流组织进行模拟。从图5的柴油发电机平均进口温度示意图可以看出，柴油发电机进风温度均在45 ℃以下，进风温度最高为43.5 ℃。

图5 柴油发电机平均进口温度示意

从图6的气流组织流线图可以看出，两组面对面布置的柴油发电机机组的进风、排风和排烟路径清晰，相互不交叉。单组柴油发电机机组的排风有部分回流到进风，但回流量不大，在容许的范围内，对柴油发电机组的正常运行基本无影响。

图6 柴油发电机组进排风排烟流线

从图7可见，四层柴发排风对旁边布置的三层柴发的进风产生一定影响，导致进风温度异常升高，但升高后的进风温度低于45 ℃，最高为42.8 ℃。

图7 局部柴油发电机组进排风排烟流线

从图8和图9风速的速度分布图可以看出，柴油发电机进风口平均风速为5 m/s左右，排风口平均风速为6 m/s左右，各层气流组织相对平稳，无异常紊流。

图8 进风立面速度分布

图9 排风立面速度分布

从图10和图11的温度分布图可以看出，进风温度最不利位置为二层中间部位，此处设备受一层三层同时影响，回流影响相对较大。三层（最高层）上面温度局部变高，是由于旁边四层柴发排风导致的。但所有柴发进风平均温度均在45 ℃以下，满足设备运行要求。柴发排风温度基本分布在60～70 ℃，最高71.4 ℃，柴发进排风温差为27.9 ℃，与理论计算值基本一致。

图10 进风立面温度分布

图11 排风立面温度分布

4 结 论

本文在天津某数据中心采用室外布置4层集装箱式柴油发电机组的方案，并采用了仿真软件对案例进行仿真，结果表明室外4层集装箱式柴油发电机组技术上是可行的。考虑到室外柴油发电机方案可以节约投资、提高单位建筑面积的IT机柜产出率，便于分期和能够快速交付等特性，因此多层室外柴油发电机集约化布置方案在数据中心中有推广意义。