一、引言
　　
　　2018年,全国数据中心总耗电量1500亿千瓦时,达到了社会总用电量的2%。预计到2025年,占比将增加一倍,达到4.05%。而数据中心的主要用户集中在京津冀、长三角和大湾区,故国内的数据中心也主要分布在这三个区域,这三个区域又是用电需求最大的区域,故对新建数据中心的能评审批提出了更高的要求。为此,包括呼哈基地和贵安基地的建设在内的东数西算已经成为国家的政策导向。东数西算,是指把东部的数据流动到西部存储、计算。国家“东数西算”产业联盟于2020年9月26日在甘肃省兰州市成立。该产业联盟将搭建东西部算力供需对接平台,优化我国东中西部算力资源协同发展格局,有助于形成自由流通、按需配置、有效共享的数据要素市场。
　　
　　东数西算,首要的是利用西部地区(广义的西部地区包括西南、西北、华北和东北等发展中区域)富裕的能源资源,其次是利用这些地区天然的气候优势,降低电力的输送成本和冷却成本。目前,西部地区的数据中心在电气架构上并没有重大的突破,在暖通架构方面主要是利用自然冷却方式,虽然PUE已经做到了1.3以下,但数据中心的总投资并没有下降,PUE低于1.1的数据中心极少,与欧美发达地区的差距依然较大。新建三峡数据中心,不仅有利于节能减排和降低投资,还可以在技术上实现突破。
　　
　　二、三峡数据中心选址分析
　　
　　2.1三峡库区资源分析
　　
　　众所周知,三峡电厂装机32台70万kW的水轮发电机组,这些发电机组发出来的电都是20kV的。数据中心可以由三峡电厂直供20kV的电,因为三峡电厂是国家电网骨干发电单位,三峡电厂的直供电本身在可靠性方面优于电网直供电。另外,水力发电成本本来就低于火电成本,再加电厂直供电降低了电力输送过程中升压再降压的环节,不仅输电成本大幅降低,输电可靠性还进一步提高。故新建三峡数据中心,电力资源优于中西部其他地区。
　　
　　三峡水库初设175米蓄水方案,库容高达393亿立方米。综合防洪、发电和航运等多方面的因素,枯水期长江委推荐使用155米蓄水方案,这一水位时库容约165亿立方米。故即便在枯水期,数据中心的用水对于三峡库容也是可以忽略的。有研究表明,当湖面水温在22.8℃时(远高于宜昌地区年均气温),湖面以下13.7米时,水温低至13.9℃,湖面18米以下时,湖水温度低于12℃。15℃及以下的水温,目前已经是数据中心冷冻水精密空调主流水温。三峡大坝上下游水位落差高至110米,即便在枯水期,水深也远远超过18米。故新建三峡数据中心,有丰富的水资源可用。另外,三峡地区空气质量优良,新风质量也优于大部分火力发电区域。
　　
　　2.2三峡数据中心初步选址
　　
　　通过以上库区的电力和水资源分析,三峡数据中心要想利用电厂直供电和水库低温水,选址须在三峡大坝下游,且不宜距离三峡大坝太远。经过本人的实地勘察,认为三峡数据中心初选位置如图1所示,位于三峡大坝下游西侧。
　　
　　选址虽然距离长江较近,但初步勘察不存在地震、山体滑坡、江堤垮塌及江水淹没等风险,也不影响三峡电厂的运营。
　　
　　项目可以分期进行,一期可利用土地面积超过10万平方米,二期可以用土地面积超过30万平方米。
　　
　　三、方案可行性分析
　　
　　3.1 数据中心容量分析
　　
　　一期可利用土地面积超过10万平方米,建筑使用面积按照5万平方米保守估算,可以建5栋占地数据中心楼,每栋占地约1万平方米,按照两层设计,每栋楼可以部署4000个8～10kW的机柜,一期可以部署2万个机柜。同理,二期可以建15栋数据中心楼、部署6万个机柜。总共可以部署超过8万个机柜、200万台服务器。建成后,将成为华中地区乃至全国最大的数据中心园区。
　　
　　3.2 数据中心供电分析
　　
　　GB50174-2017已经明确规定,供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路,可作为备用电源。综合三峡电厂供电可靠性分析,除了正常使用的两路电源,本项目可用第三路电源替代后备柴油发电机组,供电标准完全可以达到A级机房标准。由于没有柴油发电机设备,主要电气设备为20kV中压系统、20kV/380V变配电系统和不间断电源。
　　
　　暖通设备主要使用三峡水库中温直供水,故主要用电设备是水冷精密空调末端和恒湿机及新风机等功耗较低的设备,没有冷水机组、水泵、冷却塔等大功率设备。故暖通设备配电架构也大大简化,可以为一路市电直供和一路不间断电源。
　　
　　本项目还可以根据电厂直供电的可靠性,结合客户的需求,不间断电源电池的备电时间在10~15分钟之间灵活调整,也可以采用一路市电直供加一路不间断电源的方案。
　　
　　预计一栋数据中心机房楼IT用电4000×8kW=32000kW,PUE按照1.1初步估算,总用电量约35200kW,需从电厂配电房引入两主一备共三路20kV电源,每路容量36000kVA左右。
　　
　　3.3 数据中心制冷分析
　　
　　数据中心制冷拟用冷冻水精密空调,冷源为库区14℃中温水,出水按照20℃设计。一栋数据中心楼最大用水需求为35200/[1.163×(20-14)]=5044m3/h。
　　
　　整个园区一期二期共20栋机房楼总用水需求为100880m3/h,可以建两条DN1200的保温水管,利用大坝上下游落差和虹吸效应,自然供水,每条水管按照25m/s的最大流速(远低于三峡泄洪水流速度35m/s),供水能力超过101700m3/h,满足总用水需求。由于两条水管互为备用,实际使用时每条水管的流量不超过50500万m3/h,水流速度低于12.5m/s,可以接受。
　　
　　考虑到水冷精密空调的水流速度通常在2m/s左右,需要在园区和机房楼建二级减压、分水和过滤系统,最后变成较为洁净的水,经过若干DN40～DN80支管直供空调,经过空调换热后,通过人工渠散热和分流,最后变成低于20℃的水，再排至长江。
　　
　　DN1200水管取水源自三峡水库约140米深水位,施工方面,可以通过翻坝、人工隧道或者泄洪通道引致园区。
　　
　　3.4 PUE估算
　　
　　由于数据中心采用三峡库区直供水,数据中心制冷系统主要用电设备为水冷精密空调、恒湿机、新风机、电动阀等低功耗设备,暖通设备PUE因子可以低至0.05;配电设备,也取消了动力配电系统及水泵UPS、柴发配电及启动电池充电等,IT设备采用高效UPS或者一路市电直供+一路不间断电源,电气设备PUE因子也可以低至0.05。整个项目,PUE低至1.1是完全可能的。
　　
　　3.5 环保初步分析
　　
　　由于水冷精密空调排出的水达到了20℃,且直排长江,业界不少人士担心对长江产生污染。宜昌地区年平均气温在16.9℃,夏季空气调节室外计算湿球温度达28.1℃,故排出的20℃的中温水经过人工渠散热后分散排至长江,水温可以低于18℃。
　　
　　在长江枯水最严重的2至3月份,三峡水库的出库流量又明显高于入库流量。在平均入库流量不到4000立方米/秒的情况下,出库流量始终保持在4850立方米/秒以上,而数据中心用水量不到三峡枯水期出库水量的0.6%。所以,无论是水温还是水量,对当地气候和长江水温都不会造成生态污染。
　　
　　由于水进空调前未进行任何化学净化,水冷空调盘管需要定期进行除垢,这个时候需要用到化学药剂清洗,排污后应该集中处理,达到标准后方可用于中水系统或者再排至长江。
　　
　　业界这样的案例也不少,比如,华东某数据中心利用湖水制冷,IBM也有数据中心利用密西西比河水制冷,还有海底数据中心,都能有效的解决人与自然和谐共处的问题。
　　
　　3.6 投资分析
　　
　　以一栋机房楼为单位,相对西部地区传统方案,主要可以从建设投资和运营费用两个方面进行分析。
　　
　　1.本方案建设期间可节省的投资包括:
　　
　　1)22台1800kW的柴油发电机组及其供油系统;
　　
　　2)1200RT的离心冷水机组12台及其对应的冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵及水处理设备;
　　
　　3)动力设备变配电系统等;
　　
　　4)部分中压供电工程;
　　
　　5)建筑面积减少2000m2
　　
　　2.需要增加的投资包括:
　　
　　1)DN1200翻坝水管100米×2(按20栋楼平均分摊);
　　
　　2)供水系统减压分水过滤系统;
　　
　　3.运营费用:
　　
　　1)PUE从1.3降至1.1,年节电约5600万kWh;
　　
　　2)柴发运维成本降低;
　　
　　3)制冷系统运维成本降低。
　　
　　预计一栋机房楼可以降低建设静态投资超过6000万,每年节省用电5600度(相对于PUE1.3的先进数据中心),节省电费及运维费用可达2500万(按照西部地区优惠电价),整个园区,可以降低建设投资12亿,年节省电费和运维费用5亿。
　　
　　3.7 重难点分析
　　
　　选址范围属于三峡库区,在库区施工,无论是电厂直供电还是库区直供水,都需要经过长江委乃至国务院批准,能否得到相关机构的批准,是本项目的最大难点,也是重中之重。但如果本项目升级成国家战略,国家组织相关机构深入研究和评估,相信实施的可行性还是有的。
　　
　　四、结束语
　　
　　本项目所在地宜昌,是湖北省重点发展的省域副中心,距离京津冀、长三角、大湾区和成渝地区都较近,交通方便,网络延时等综合条件都优于中西部其他地区。如果项目能顺利实施,将是东数西算和节能减排的重大工程,并且能达到建设投资和运营费用双减的效果。目前,湖北电信在原三峡工程展馆部署了仓储式数据中心,三峡集团也在本方案选址的下游建设大型数据中心,用到了文中部分类似的技术节能。笔者比较赞赏的是,两个项目都根据实际情况,突破了数据中心的某些行业标准,比如,距离长江直线距离在200米左右。
　　　　
　　作者简介
　　
　　李保松,从事数据中心行业十余年,先后在华为担任过数据中心系统架构师、中兴通讯数据中心产品规划总监、科华数据高级售前技术经理，现任鹏城金云数据中心规划经理。参与规划设计并交付验收的数据中心项目总共超过10000个机柜，如最近两年交付的金云东莞数字园项目、金云西丽大数据中心项目。
　　
　　编辑：Harris