新基建形势下数据中心园区多层动力中心设计研究

曾舒娅 孙立峰 郎艳丽

【摘要】    在新基建形势下，本文结合理论研究和实际工程经验，通过研究特定场地内数据中心园区动力中心的建设需求，形成多层动力中心的设计方案。

【关键词】    数据中心    多层动力中心     设计

一、研究背景

在国家推进新基建发展的形势下，数据中心园区建设呈现出加速发展的趋势，动力中心设计作为机房楼的“心脏”，也同样受市场需求、通信工艺、结构方案、电源方案、绿色节能、环保措施等诸多因素的影响，呈现出前所未有的新态势。在中国南方省份，土地资源稀缺，政府为提高土地的利用率，对规划条件中的容积率、绿化率、停车位等技术经济指标有着较高的要求，多层动力中心的建筑形式就此产生，对其设计研究具有极大的现实意义。

二、研究思路及基本原则

本文通过分析数据中心园区多层动力中心的建设特点情况，从建筑功能、防火分区、电源工艺、结构抗震等进行深入研究的基础上，提出多层动力中心的设计策略。

2.1多层动力中心的特点

1.集中化建筑难点。当数据中心园区建设需求较大，场地规划指标控制较严时，会出现动力中心集中建设的情况，这种方式存在着进排风处理难度大、防火分区划分复杂、设备搬运空间紧凑等难度，需要找到一个契合点来进行有效组织。

2.结构技术难点大。南方某动力中心地面3层，3层均需放置柴油发电机，按每层16台，共48台计算。1）荷载大。油机设备较重， 2）结构计算层高高。油沟及设备安装净高需要造成层高高。3）振动及共振。油机运行期间有振动，并且数量多，避免油机振动及共振对建筑结构主体造成的安全隐患也是本工程的最难点。

3.电源工艺复杂。柴油发电机组设备尺寸较大大，单台柴油发电机组最轻为16.5吨，多层动力中心的设计不但要重点考虑设置在一层以上的柴油发电机组安装与后期维护的问题，还需要综合考虑进排风面积的问题。

2.2研究思路

针对多层动力中心的建设特点进行研究，主要有幾个方面：

1.用地灵活性较高，可根据实际地形和建设强度考虑多层。2.进排风需求量大，建筑综合考虑有效进风洞口的预留及有组织的排风。3.竖向排风较为复杂，防火分区划分不同于一般平面，建筑需考虑竖向排风井道的防火分区。4.油机较多且集中，结构专业考虑足够的荷载、避免共振。5.电源工艺复杂，建筑和电源专业通过对搬运路径、进排风的研究，形成设计策略，解决难题。6.重点问题在技术、经济、使用、维护、初始投资及全寿命投资等方面进行多方案比较，找出较优的解决方案。

三、数据中心园区多层动力中心设计

3.1充分利用地形

数据中心园区按建设分期进行划分，主要依据地理位置的重要性、周边道路的建设情况，市政设施的完善顺序等综合因素来进行确定。本工程一二期之间通过场地的高差设计景观挡土墙和放坡进行空间上的相对隔离，通过两条坡度稍大的消防车道进行衔接。功能分区：园区划分为通信生产区、附属配套区。通信生产区包含4栋机房楼、动力中心和西北角的地下储油罐区。在建设规模、场地有限的条件下，两期动力中心合建并集中布置于局址的中部，4栋数据机房楼两两成对排列布置，动力中心布置在机房楼中部，形成半封闭、高效安全的通信生产区。

3.2平面研究

柱网：依据油机设备的尺寸、进排风消音间尺寸、搬运通道宽度等工艺需求，动力中心开间设置为6m，进深为8.1m，10.8m两个尺寸的组合。这样的尺寸设计满足进排风量的土建要求、后期搬运和维护的尺寸要求。

功能组成：动力中心平面布置以高压油机为主要空间，两侧辅以储油间、进风消音间。两侧长边进风，中部设置排风消音间，升至屋顶排风。

3.3垂直方向上的布局

层高：动力中心一层至三层的层高可设置为6.3m，考虑上走线，满足电源工艺要求，增加了净高和结构的难度;由于场地高差大，剖面设计灵感来源于“附涯式”建筑，因此室内外高差北面为3.3.m，其余三侧在台地上为0.6m，在有限的场地里有效地消化了两个台地之间的高差。主要出入口设置于东、西两面，保证了建筑为多层建筑，建筑高度为从室外地坪至屋面面层为19.5m。

层叠式排风井：层数越高排风越难。通过排风量的计算，若是多层排风都集中于一个垂直的排风井里，需要设置一个通高的风井，加大了平面进深，造成投资和地块的浪费。建筑采取了层叠式的排风井设计，一层和二层的排风井合并为一个较大的排风井，直排到屋顶最高处，三层的排风井独立出来，位于屋顶次高处，与一二层的排风互不干扰。一二层及其合并的排风井作为一个防火分区，三层及其独立的排风井作为一个独立的防火分区。详见下图1。

3.4结构安全性

荷载：多层动力中心油机荷载按活荷载考虑，并考虑振动影响系数。

共振的避免：设计中避免设备振动对主体结构影响理想的解决办法主要有两个：一是将设备基础或支撑体系与主体构件脱开，各自形成独立体系;二是采用拟真实验结论应用与实际相结合，对设备采用隔震措施;采取了加强结构主体构造等办法，减小了振动对主体安全及耐久性的影响。根据我院与北京交大的研究课题《油机动力减振研究》数据，油机发动机响应主要以25Hz和 50Hz频率成分为主，通过合理设计可避开共振频率。根据实践经验，结构主体或楼面梁板结构单元的自振频率与油机振动频率可做到避免共振。一般的动力中心楼板的固有频率一阶约为2Hz（一阶）二阶约为70～80Hz，均与油机频率无法形成共振。针对项目的特点可采取以下措施：一是建筑结构的自振频率，尤其是楼板的自振频率，不宜与油机激励频率相同，当无法避免时，应当采取隔振措施，改变油机-楼板体系的动力特性。设置减震效果达95%的弹簧减震器;在油机基础侧面设置减震沟。二是加强结构的空间刚度，适当加大支撑结构的断面和刚度，使其竖向的固有频率提高与油机的干扰频率远离，避免接近和共振。加大支撑结构的刚度，可采用加大楼板厚度，加大楼层梁，柱断面，以达到减少构件的变形和振动量;油机尽量布置在梁上，且梁跨度不宜过大。

四、油机上楼对设计的影响及应对

4.1电源工艺

柴油发电机组重量大，设置在一层以上时需要考虑吊装问题。吊装可以采取两种方式，一种是直接采用吊车与人工配合的方式，另外是为临时搭建吊装平台，吊车将发电机组吊至平台后，经进风洞口运输就位;选择合适的吊车，以吊装3层柴油发电机组为例：1.需要将17.5吨柴油发电机组吊装至地面仅13m高度，柴油发电机组的外形尺寸为7.0m*2.2m*2.6m（长*宽*高），按工作半径8m考虑，考虑钢丝绳长约为2米，吊钩距臂杆头的安全距离为2m，臂杆头部距地面的距离为19米左右，根据勾股定理，臂长约为20m。2.根据作业半径8m，吊重17.5t，臂杆长20m的条件，选择合适范围内的吊车，一层的柴油发电机组运输路线可以通过运输门，直接运至相应机位，机组周边空间满足机组旋转的要求;由于空间受限，本案例项目中只能保证中间6台柴油发电机组可以直接通过进风间直接运输至相应工位。

4.2进排风的处理

动力中心的进排风会直接影响柴油发电机组的输出功率、燃油消耗率、热气流排放和柴油发电机组的使用寿命。对于常闭式循环水冷柴油发电机组，进排风的面积是否合理会直接影响机组的运行与寿命：通常进风口净面积最小不低于机组散热芯有效面积的1.5倍，对于排风口净面积最小应不低于散热器芯有效面积的1.4倍，通常进风侧设置了固定百叶，所以在进风侧需要考虑面折减，如采用的是45度的进风百叶，相应的面积需折减至70%;对于排风一般采用电动百叶，对于电动百叶，可以完全打开至水平状态，可按不折减考虑。

五、结束语

由于受地块开发强度、建设需求等综合因素影响，多层动力中心将具有广泛的适用性，目前国内以二层、三层为典型，做好多层动力中心设计和研究对实现低成本，高效率运营具有积极的现实意义。统筹考虑建设方需求，了解建筑、结构、电源等专业各种解决方案的技术特点，经济效益;因时、因地，综合平衡土建、工艺、配套等各专业的需求，从而设计出技术先进，经济合理的多层动力中心。

参  考  文  献

[1] 《油机动力减振研究》北京：中国建筑工业出版社，2006