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深圳市建筑设计研究总院 曾建国:高效绿色数据中心设计研究及探索

2019年10月30日,一年一度的建筑智能化行业盛会——第20届中国国际建筑智能化峰会(以下简称:峰会)首站,在深圳拉开盛大的序幕。

本站峰会由深圳市科学技术协会、千家智客主办,深圳市建筑电气与智能化协会承办,中国建博会支持协办。从2000年开始举办,历经岁月洗礼,中国国际建筑智能化峰会已经成为建筑智能化发展潮流的风向标,现场吸引来自智能家居、5G、人工智能、智慧安防、智慧社区、绿色建筑等领域的业内专家、知名厂商、设计院、集成商等400余人前来参会,围绕今年的“AIoT赋能建筑、人与空间”峰会主题,分享最新技术动态,共同探讨智能化行业发展趋势。

深圳市建筑设计研究总院有限公司高级工程师曾建国发表了《高效绿色数据中心设计研究及探索》的主题演讲。


曾建国表示,数据中心的搭建需要考虑平面设计、总平设计、节能设计等多个原因。数据中心的机房、电房、楼层、机房楼通过极致的标准化设计,可以实现最大节能的理念,最大限度提高灵活性。单一机房体量会受到设计要素,层数和建筑高度、疏散距离以及冷热通道模数和柱距的影响,不同的设计手法对单位装机的密度也有影响。数据中心不同功能区总平面的四种组合布局,在不同情况下,不同的地区,不同的用户,不同的单位需根据具体情况采用不同的总平面布局。

据了解,全国的数据中心占这个全国的用电量1%,因此各地都制定了相应的数据中心节能政策,要求严格控制PUE值,上海把新建的数据中心PUE值控制在1.3以下,深圳作为先行示范区,更严格控制在1.25。曾建国表示,目前我们主要是在计算、线损、设备、能效、损耗、廉价能源和自然冷却方面努力,实现数据中心全生命周期的高效节能。

以下是廖鸣镝先生的全部演讲内容,千家智客做了不改变原意的整理与编辑:

曾建国:大家下午好,今天我分享的话题跟手机有关系。在座的来宾你们的手机没有不装的微信吧,你们知道微信的信息存在哪里呢?存在云端,云端就是在数据中心里。

我大概分享数据中心四个方面内容:一、平面设计,二、总平设计,三、节能设计,四、全程服务。

一、平面设计

1、积木数据中心

经过几十年的研究,我们提出了一个积木数据中心(S-block)的一个概念,我们希望用乐高的方式来搭建数据中心的基本模型。根据相关技术措施搭建标准POD模块,在标准的POD模块之后搭建一个标准机房。

POD (Point of delivery) 作为数据中心基本物理设计单元,通常包含服务器机柜、接入网络机柜、汇聚网络柜、以及相应的空调、UPS等弱电配套设施。优化建筑结构设计,所有的“标准机房”、“标准电房”、“标准电池房”均采用无柱设计,可以最大限度地缩短工艺管线,减少造价,减少单机柜建筑面积。

“标准机房”、“标准配电房”合“标准电池房”通过镜像组成一个“标准楼层”,我们把标准楼层迭代之后生成了标准的机房楼。通过极致的标准化设计,可以实现从不同的建设标准的转换达到最节省的理念,最大限度地提高了灵活性,并使单机柜机房建筑面积减少为7平方米。

2、如何确定单一机房体量?

(1)需要考虑的设计要素。数据中心不单单要考虑布线以及相关的设备,要考虑的是建筑高度、防火分区、安全疏散距离以及室内到房门的距离。

(2)层数和建筑高度。低层,建筑高度控制在13米以内,单层或是两层,机房平面大、消防条例约束少,单层机房可用于预装机房,缺点是土地利用率很低,不建议在经济发达地区采用。多层,建筑高度控制在24米以内,4层或5层,机房面积较大、消防条例约束较少,有条件可以采用。高层,建筑高度一般控制在50米以内,不超过10层,土地利用率高,缺点是机房面小、消防条例约束少多,推荐在经济发达,土地资源稀缺的地区采用。

(3)疏散距离。多层建筑,室内任何一点至安全出口的直线距离不宜大于27.5米;高层建筑,室内任何一点至安全出口的直线距离不宜大于25米。

(4)不同灭火系统对机房面积的影响。不同的数据中心,长宽比是不一样的,主要是受限于中国建筑设计防火规范。同样,不同的灭火系统对机房面积也是不一样。


(5)冷热通道模数和柱距对装机数量的影响

为什么我们会提出没有柱子的机房呢?因为不同的冷热通道,不同的柱距和机房面积是不一样的,对装机数量都有影响。比如说柱网是8.4米,无论机柜怎么排布,柱子对机房的面积是受影响的,如果采取不均匀的柱网布局,机柜布置是完全可以均等的。


3、如何进行机房的组合?

我们确定了单一机房的标准之后,由不同的拼接模式进行组合,不同的组合产生的机柜数量是不一样的。

短边拼接(如下图):


长边拼接(如下图):


另外还发现,不同的交通组织模式,无论是内部的交通组织模式还是外部的交通组织模式,楼梯是内置的还是外挂的对面积的影响也很大。(如下图)


4、不同设计手法对单位装机机密度的影响

建筑优先的设计手法,首先考虑外立面,其次再考虑平面。建筑优先的设计手法,外立面整洁,易于接受,但交通面积相对较大,房间利用率较低。我们数据可以证明,比如某个项目大概是3千多平方米,可以装机数量大概是4300个,单机架面积大概8平方米。

另一个是需求优先的设计手法,打破传统建筑设计常规,突出强调现代科学技术和使用目的之间的密切关系,房间利用率极高,但外立面异于一般建筑,容易引起争议,很多人不能接受。采用这种手法,单机架的面积可以达到5平方米,采用喷淋可以达到4.33平方米,做得更加极致一些是4平方米。

我们通过研究不同的建筑高度、不同的设计手法以及不同的灭火手段得出的数据都是不一样的。对一栋数据中心来说,我们可以把它进行分解,公共区域、基础设施、机房的面积是多少,都可以供大家参考。

不同设计手法的指标比较

不同设计手法的详细指标比较(标准层)

数据中心不同功能用房面积比例建议

二、总平设计

1、不同功能区总平面组合布局探讨

布局一:一期工程,数据机房、动力中心、运维中心分别建设在不同的建筑物内,形成不同的功能模块。后期工程,把数据机房、动力中心分别进行复制。整个园区合用一个运维中心。适用于一期规模较大、入驻企业单一的数据中心园区(例如:运营商数据中心园区)。

布局二:一期工程,数据机房、动力中心、运维中心相邻建设在一个建筑物内,形成单一功能模块。后期工程,把数据机房和动力中心作为一个模块进行复制。整个园区合用一个运维中心。适用于一期规模较小,终局规模较大,入驻企业较多的数据中心园区(例如:政府投资的数据中心园区)。

布局三:一期工程,数据机房和运维中心建设在其中一个建筑物内、动力中心分开建设,形成单一功能模块。后期工程,把数据机房和动力中心作为不同的模块分别进行复制。整个园区合用一个运维中心。适用于一期规模适中,终局规模适中,入驻企业较多的数据中心园区(例如:企业投资的数据中心园区)。

布局四:一期工程,数据机房、运维中心、动力中心合并建设在单栋建筑物内。后期工程,把数据机房、动力中心合并作为一个模块进行复制。整个园区合用一个运维中心。适用于一期规模较小,终局规模较小,用地紧张的数据中心园区(例如:经济发达地区的数据中心园区)。

总平面图布局探讨(对比)

这张图就是在不同的情况下,不同的地区,不同的用户,不同的建设单位如何来规划一个园区。

2、总平面布局特殊要素探讨

(1)动线,结合不同的管理分区,打造便捷高效的动线。

(2)安防分区,根据安全防范等级进行合理布局,实现高安全性。

(3)便捷运维,根据功能将运维楼设置在中心区域,与其他功能联系便捷。

三、节能设计

1、数据中心能评政策导向

数据中心这个细小的领域中有一个震撼的数据,全国的数据中心占整个中国的用电量1%,这个数据是非常客观的。基于这个原因,在2018年起,北京在城区范围内已经禁止建数据中心,上海把新建的数据中心PUE值控制在1.3以下,深圳作为先行示范区,更严格控制在1.25。


2、PUE值对能耗分布的影响

深圳新建的数据中心PUE值如何能做到1.25?肯定要做以下面这几方面技术处理的:

(1)高效IT设备,包括液冷服务器、高密度集成IT设备、高转换率电源模块、模块化机房等;

(2)高效制冷系统,包括热管背板、间接式蒸发冷却、行级空调、自动喷淋等;

(3)高效供配电系统,包括分布式供能、市电直供、高压直流供电、不间断供电系统ECO模式、模块化UPS等;

(4)高效辅助系统,包括分布式光伏、高效照明、储能电池管理、能效环境集成监控等。

3、PUE的计算公式,计算方法

很有幸深圳总院拿到了深圳第一个低PUE值的批文。我们怎么拿到的呢,和大家分享下,我们做了一个简单的数据题,这个分解公式大家都知道。


3、节能措施

主要是在容量计算、线损、设备、能效、损耗、廉价能源和自然冷却方面做一些工作。


在这些措施之下,最重要的就是空调,空调离开了数据中心就不叫空调。它主要是采用了氟泵蒸发冷系统,很多人都认为分体空调不节能,但是实践证明分体空调比中央空调更加节能。


下面和大家分享下,我们采用制冷节能自然冷却方案在深圳完成的第一个PUE值小于1.25的规划方案。这个项目空调能耗因子做到了0.16,供配电能耗因子做到了0.008+0.042+0.01,机柜2000个,单个机柜功率6000W,项目地点位于龙华。


四、全程服务

数据中心全生命周期(如下图)


最后讲一下我们总院,全生命周期可做的服务,我们可以做建筑规划、设计总包、专项咨询。  


谢谢各位。

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