数据中心暖通系统建设交付关键路径分析

自2020年以来，国家部委、地方政府委办局密集出台了大量关于建设绿色数据中心降低数据中心PUE的政策性文件。北京、上海、广州等核心城市要求新建数据中心 PUE控制在1.3以下，但目前大量数据中心的PUE在1.5以上，与政府要求差距较大。数据中心除去IT设备用电外，暖通系统耗电量占比最高，约占建筑总用电量的35%以上，从如何优化暖通系统建设交付的关键路径角度出发进行相关研究，将有利于大型低PUE数据中心快速投产，满足当下的政策要求。

1 数据中心暖通系统建设现状

    目前，北京及周边区域数据中心暖通空调系统主要以风冷式及水冷式为主，仅有少量超算中心采取了液冷式。其中，风冷式空调在2012年之前投产的数据中心应用较为广泛，这类数据中心普遍具备整体机架规模小、单机柜功率密度低的特点。风冷式空调虽然具备初期投资小、安装简单、维护方便等优点，但由于制冷铜管需要连接至室外路由且室内机与室外机距离受限，因此不适宜大规模部署。而液冷式虽然可以大幅提高数据中心的能源使用效率，但仍处于技术产业发展初期，对于未来如何进行余热回收等问题仍处于探讨与实践阶段，目前还不具备大规模部署的条件。目前，主流大型数据中心以水冷式空调系统为主，相对于风冷式空调，水冷式系统能够在冬季利用室外自然条件实现数中心的降温。相对于液冷式，水冷式系统已经形成了一套成熟的建设交付体系，因此，水冷式系统对于响应政府节能政策及降低数据中心总运行成本都是比较好的选择。本文对于暖通系统建设交付进度的分析聚焦于水冷式冷水机组系统。

2 数据中心暖通系统建设交付面临的问题

 2.1 系统构成复杂

    数据中心暖通系统位于数据中心支持区，主要涉及冷冻站、各主机房所在楼层、楼顶、室外、监控大厅五个建筑区域（见表 1），涉及主要设备超过 15 类，以一栋能够产出6000架平均功率25A机柜的数据中心为例，典型配置冷机、板换、冷却泵、冷冻一次泵、冷冻二次泵、冷却塔、冷却水冷冻水处理系统各8台，恒湿机超50台，冷冻水精密空调超300台。如此大规模的设备安装施工不仅涉及水管路的连通也包括相关配电系统的对接，极大地消耗了有效的工作时间。同时，数据中心暖通系统除相关硬件设备的安装外，也包括BA、动环等软件系统的调试。相关系统数据采集点包括：400余台设备运行状态监控、7000多个温湿度传感器、超400个管道压力和水温传感器，对相关数据的采集、校对和基于此的自控逻辑调试工作难以在2个月内全部完成。

 2.2 施工工序存在较大制约关系

    数据中心暖通系统建设的主要流程如图1所示，其中存在一定因工作面分散，可以通过增加人、料、机开展并行施工赶工的工作，但其中也存在大量的固化流程施工项，若前一道工序未能完成则无法进入下一道工序，这部分工期通过并行施工是无法提前完成的。这种制约关系是影响暖通系统建设交付的关键所在。以大型蓄冷罐建设为例，涉及地勘、打桩、基础制作及养护、罐体拼接、管道连接、探伤、打压、电伴热、保温、彩壳、调试等10余项施工工序，一方面，每项工序均有严格的验收检测标准，通过相关验收检测后才能进入下一道工序，比如承载蓄冷罐的桩基完成之后需要进行严格的沉降试验，相关检测结果直接影响后续罐体的稳固性，相关检测时间必须保证 ；另一方面，蓄冷罐为大型立体圆柱形结构，高度可近30m，相关罐体拼接必须逐层展开，后续外保温制作又涉及高空作业，难以开展大规模并行施工。基于上述原因，蓄冷罐的整体施工普遍需要3个月以上的时间。

3 保障关键路径确保交付时间

    水冷式冷水机组数据中心主要有冷冻水系统、冷却水系统及BA系统三条关键路径，下面对这三条关键路径中的重要节点进行分析，同时对每一节点的建设交付管控要点进行了明确。

  3.1 冷冻水系统建设交付关键路径

    冷冻水系统建设交付全流程中的关键路径可简化提炼为以下五部分 ：垂直主管道安装、冷机等设备到货就位、水平管道安装、水泵开机管道冲洗、冷机开机，此关键路径的完成代表着冷冻水系统基本达到了紧急业务上线的保障运行能力。具体来说，垂直主管道安装贯穿冷冻站（往往在建筑物底层）至各个机房楼层，建议随土建工作同时进行，如果在机电设备到货时垂直主管道还未安装完成，冷冻水系统建设进度将难以保障。冷机、板换及水泵是冷冻水循环系统的三类重要组件，这三类设备到齐就位代表着水循环管环路具备施工连通条件，部分设备存在签署订单后才开始生产的情况，因此要重点关注其生产、到货周期，在到货前要确保完成设备基础的制作及养护，在到货就位过程中要确保大型设备运输通道的畅通性，在完成就位后，要加快相关管路的连接及供电系统安装。水平管道安装既包括了冷冻站内部各管道的制作和连通，也包括了空调间区域的管道制作，具有施工量大的特点，在此过程中可以通过增加人员并行施工及施工完成后分段打压的方式，缩短建设工期。水泵开机是数据中心暖通系统建设交付过程中的一个极为重要里程碑事件，既代表着供配电系统具备水泵高功率设备运行能力，更代表着冷冻水管道已完成全部施工，进入正式交付前的收尾阶段。水泵开机后首先需进行管道的多次冲洗直至排出水质达标，其后需进行管道的钝化预膜，此时，整个项目已经进入了建设交付的阶段，在此过程中要提前关注管道冲洗的进水流量及排水路径，争取将进度提前。最后，冷机及末端空调完成开机调试代表着整套冷冻水系统初步达到交付条件，在此过程中只要确保供电及时到位，便不会出现较大的延期风险。

  3.2 冷却水系统建设交付关键路径分析

    冷却水系统建设交付全流程中的关键路径可简化提炼为以下五部分 ：垂直主管道安装；冷机、水泵、冷却塔到货就位 ；水平管道安装；水泵开机管道冲洗；冷塔及冷机开机。此关键路径中的水平及垂直管道的安装、冲洗进度管控要点与冷冻水系统基本一致，主要的差别在于冷却水系统管路不涉及各个机房空调间区域，增加了楼顶区域，施工难度及工作量都有所简化，若能保证与冷冻水管道同步启动施工，基本不会成为项目建设交付的瓶颈。另外，由于冷却水及冷冻水同时与冷机和板换进行管道连接，相关设备的进度管控要点与冷冻水系统一致，但是，冷却塔是冷却水系统特有的，通常安装在楼顶平台且设备体积大，很容易成为冷却水系统延期交付的风险点。对于冷却塔，在关注设备的订货、到货情况的同时，既要关注设备到货前的屋顶防水垫层施工及设备基础制作，也要关注设备到货后的现场拼装情况及设备向楼顶的吊运准备，在设备就位后，因冷却塔的供电路径普遍大于数据中心其他用电设备，其相关配电系统的建设需重点关注。

  3.3 BA系统建设交付关键路径分析

    在冷冻水及冷却水系统完成设备安装进入调试阶段后，BA系统往往才开始搭建，相关关键路径涉及系统搭建、数据采集及校准、逻辑设置、测试验证四部分。系统搭建主要包括控制系统界面及数据库搭建及弱电连接布线两部分，由于BA系统涉及点位极多，基本覆盖了暖通系统内的所有设备及主要管路 ，相关弱电布线工作可以通过并行施工压缩进度，对于基于服务器的软件系统定制化工作，则可以要求厂家根据设计图纸提前启动。数据采集及校准工作必须针对每一个点位依次开展，需要为此规划较多的时间。关于逻辑设置工作，目前主流厂家都有较为清晰的模板，基于此进行定制化调整即可，在此过程中重点要确保系统配置人员的专业性及工作的连续性。由于数据中心BA系统的建设往往在投产数月之后才具备测试验证条件，在带业务测试的场景下，需要关注测试方案的完备性，提前制定针对紧急事件的应急处理预案。

4 结束语

    管理好数据中心暖通系统建设所涉及的三条关键路径，不仅能够有效保障系统建设交付的及时性，也能够为系统稳定运行打下基础。但同时，我们也应该意识到，数据中心暖通系统的交付标准并非固化，存在着调整的可能性，例如，在冬季交付的数据中心，只要数据中心服务提供方与客户做好充分沟通，冷机不完成开机调试也能使暖通系统稳定运行，使项目提前交付成为可能。（文：姜欣廷，任若楠）

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