關于小型數(shù)據(jù)中心機房的基礎配套設計探討

何曉飛

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

數(shù)據(jù)中心是給集中放置的電子信息設備提供運行環(huán)境的建筑場所，可以是一棟或幾棟建筑物，也可以是一棟建筑物的一部分。而服務器設備、網(wǎng)絡設備、存儲設備以及終端設備等通常被認為是數(shù)據(jù)中心的關鍵設備。這些關鍵設備運行所需要的環(huán)境與動力因素，通常被認為是數(shù)據(jù)中心中關鍵的基礎配套設施。這些基礎配套設施的建設是數(shù)據(jù)中心建設中較為重要的環(huán)節(jié)。

數(shù)據(jù)中心的基礎配套建設需要多專業(yè)統(tǒng)籌、協(xié)調建設。根據(jù)建設需求，將各專業(yè)融合，設計出數(shù)據(jù)中心基礎配套建設的最優(yōu)實施方案。文章針對小型數(shù)據(jù)中心機房的基礎配套建設中涉及的部分專業(yè)展開探討。

1 小型數(shù)據(jù)中心機房設計原則

數(shù)據(jù)中心的設計、建設、運營需要采用有效的技術措施，達到綠色、節(jié)能、低碳、環(huán)保等要求。因此，設計數(shù)據(jù)中心時需考慮技術選用、機房工藝、制冷形式以及供配電形式等相關技術因素，降低機房電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE），達到綠色節(jié)能目的。采用成熟可靠的新技術措施，在降低機房PUE 的同時減少機房后期的運營成本和維護風險，滿足機房可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，建設新一代綠色節(jié)能的智慧IDC 機房。

數(shù)據(jù)中心基礎配套設計原則，一般包含以下5個方面。一是建設適用、實用的數(shù)據(jù)中心，根據(jù)用戶需求，在滿足用戶基本功能、使用需求、配置需求以及維護運營等需求的前提下，合理設計適用、實用、有針對性的數(shù)據(jù)中心機房。二是可靠安全的供配電系統(tǒng)，要考慮供電的可靠性和安全性，采取變配電系統(tǒng)冗余供電形式，且供配電系統(tǒng)配置盡量靠近負荷中心，可以縮短供電距離，降低投資成本，增強供電可靠性。三是高效節(jié)能的技術措施應用，選擇質量可靠、技術成熟、效率高效的電源和制冷系統(tǒng)，針對不同機房，進行各項技術對比分析，可有效提升設備的先進性及可維護性。四是可擴展的設備配置，針對機柜供電的不間斷電源系統(tǒng)，通常有不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統(tǒng)和高壓直流系統(tǒng)，根據(jù)項目實際情況合理選擇電源系統(tǒng)。根據(jù)項目需求及未來發(fā)展，合理配置可擴展的電源系統(tǒng)同樣較為重要。五是合理的經(jīng)濟投入，提高市電電源的利用率，改善電源可靠性，減少備用電源種類和數(shù)量，延長備用電源的合理使用年限。根據(jù)用戶需求，合理分類配置備用電源數(shù)量與后備時間，降低經(jīng)濟投入。

2 機房選址

一般來說，數(shù)據(jù)中心機房的選址要滿足功能、運營、管理及發(fā)展等需求，因地制宜地安排各個機房空間，分區(qū)規(guī)劃[1]。小型數(shù)據(jù)中心機房通常情況下大部分為改建、擴建項目，利用現(xiàn)有樓宇進行裝修改造，達到滿足數(shù)據(jù)中心機房使用的目的。

部分企業(yè)通常會將企業(yè)內部樓宇的某一層或某幾個房間改造為數(shù)據(jù)中心機房使用。設計規(guī)劃過程中，參照《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》（GB 50174—2017），應優(yōu)先考慮其機房承重情況、層高情況以及市電電源情況[2]。

小微型數(shù)據(jù)中心，最好選在無地下室的樓宇一層，這樣主機房及其他輔助用房的承重，甚至蓄電池的承重，通常情況下可滿足使用需求。如果無法避免地選址在二層以上樓層，則需承重復核現(xiàn)有樓層的承重情況，需要用戶提供該樓宇建設時的建筑結構圖紙，并結合實際使用情況進行判定。如果用戶無法提供原始圖紙，在無任何依據(jù)判定樓層承重情況下，需尋求第三方專業(yè)機構鑒定樓層承重情況。對于不滿足的情況，需結合實際情況判斷采取承重加固措施或更換選址來解決。

確定承重情況后，結合機房的層高情況，來確定機房內機柜規(guī)劃形式。同時，市電電源是數(shù)據(jù)機房設計的重要前提條件，市電電源的可靠性、冗余情況、容量大小也是決定數(shù)據(jù)中心機房設計等級的重要因素。

3 機房土建裝修

機房的土建裝修既是規(guī)劃設計考慮的第一步，又是中間環(huán)節(jié)。因為機房的土建裝修需要確定機房的功能分區(qū)，而機房的功能分區(qū)又是根據(jù)具體的機柜、電源等設備規(guī)劃位置確定，所以機房規(guī)劃設計，就是各個專業(yè)融合、溝通、協(xié)調的過程。

首先，根據(jù)用戶需求如單機柜功耗、機柜數(shù)量需求等，結合現(xiàn)場實際情況，如層高、空間、位置等，確定空調制冷形式；其次，工藝設計人員對機柜、冷通道等擺放位置進行初步確定；最后，待機柜位置初步確定后，建筑專業(yè)人員結合消防疏散等規(guī)范，確認機房隔斷分區(qū)是否合理，機房疏散門的數(shù)量及位置是否滿足要求。對機房平面進行調整后，再次返回給工藝設計人員，調整機柜位置，最終達到各專業(yè)統(tǒng)一。機房的土建裝修需要根據(jù)機房設備的制冷形式來確定機房地板高度、是否鋪設地板、是否設置空調區(qū)；還需要根據(jù)機房性質、機柜位置確定吊頂、燈具、電氣等系統(tǒng)的安裝位置。

4 機房系統(tǒng)設計

4.1 供配電系統(tǒng)

供配電系統(tǒng)是機房等級選定的重要前提。根據(jù)規(guī)范，不同等級的機房供配電電源的冗余配置各不相同。對于可靠性要求較高的機房，供配電系統(tǒng)建議選用2N冗余配置形式[3]。因此，初步規(guī)劃的階段，就需要與用戶確認機房選址位置的供配電情況為雙路電源引入，否則無法滿足其高可靠性要求，機房建設等級也會相應下降。

備用電源是數(shù)據(jù)中心機房基礎配套建設的重要組成部分，通常情況下可選用柴油發(fā)電機組為機房提供后備電源。針對現(xiàn)有樓宇改造的情況，一般室內是不具備安裝柴油發(fā)電機組的條件，常選用室外型柴油發(fā)電機建設模式，將柴油發(fā)電機做成靜音箱的模式安置在樓宇外側的合理位置。但此種情況下，需調研周邊環(huán)境，因為油機啟動會產(chǎn)生噪聲，如周圍是居民區(qū)，需采取相應措施，盡可能降低噪聲。柴油發(fā)電機組的后備儲油量也需根據(jù)規(guī)范要求設置，同時需要滿足消防相關規(guī)范，且需考慮用戶簽署供油協(xié)議的供油時間。

4.2 機柜系統(tǒng)

機房的機柜系統(tǒng)即機房工藝設計，需要根據(jù)用戶需求，確定單機柜功耗，同時根據(jù)用戶需求及機房層高、空間等因素，確定機柜尺寸、高度等相關配置參數(shù)。機柜系統(tǒng)設計時，需要根據(jù)空調專業(yè)采取的制冷形式，來確定機柜的布置形式，如采取封閉冷通道-房間級空調制冷，封閉冷通道-列間空調制冷，背板空調制冷等，這些形式的機柜布置形式均不相同。同時，機房內各個通道的寬度、長度以及定位的確定，如設備主通道寬度、面對面背對背設置的機柜正面及背面的間距要求、單個冷通道的長度等均需合理滿足相關規(guī)范要求。此外，需根據(jù)機房的層高、機柜的交流/直流的供電形式、接地方式等，確定走線架的層數(shù)、寬度以及不同種類的電纜或通信線纜分別布放于哪層走線架。在設計過程中，需合理避免走線架的交叉以及高度定位。設計人員需對現(xiàn)場進行反復勘察，了解情況，最終設計走線架的平面圖和剖面圖，以便指導施工。

4.3 電源系統(tǒng)

機柜電源系統(tǒng)需要根據(jù)用戶的需求確定。通常情況下，一些企業(yè)用戶機房的電源系統(tǒng)需求大部分為交流電源供電，因此常選用交流UPS。而一些運營商用戶的機柜供電電源常常會支持交流和直流2 種形式供電，因此又多了一種供電形式，即高壓直流供電系統(tǒng)。

高壓直流供電系統(tǒng)的電壓等級一般有2 種，分別為240 V 和336 V。高壓直流供電系統(tǒng)與UPS 系統(tǒng)相比，造價相對較低，所以在運營商的數(shù)據(jù)中心機房內，高壓直流供電系統(tǒng)的建設也是發(fā)展的趨勢之一。

電源系統(tǒng)在供電形式上也有不同種類區(qū)分，如常規(guī)的UPS 和高壓直流系統(tǒng)均為集中式不間斷電源系統(tǒng)，還有一種供電形式為分布式UPS。分布式UPS 系統(tǒng)安裝在每一個機柜內，占用機柜底部大約6 U 的空間，將不間斷電源系統(tǒng)和蓄電池組高度集成。該系統(tǒng)可根據(jù)機柜安裝服務器的情況，選擇性、針對性開啟運行，有效提高電源系統(tǒng)的利用率，同時省去了傳統(tǒng)電源設備安裝需要的電力室、電池室空間，有效增加機柜數(shù)量。

4.4 空調系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心機房的空調系統(tǒng)，是機房建設節(jié)能相關指標的重要因素，機房空調形式的選取影響了機房PUE 的指標情況。一般情況下，當單機柜功耗小于3 kW 時，可選用房間級空調地板下送風制冷形式+開放式冷熱通道/下送風機柜形式；當單機柜功耗大于等于3 kW、小于6 kW 時，可選用房間級空調地板下送風制冷形式+封閉冷/熱通道形式；當單機柜功耗大于等于6 kW、小于15 kW 時，可選用列間空調形式+封閉冷、熱通道/機柜級空調形式；當單機柜功耗大于等于15 kW 時，建議選用機柜級空調等形式。機柜級空調通常情況下為背板空調形式，分為動力型熱管背板空調和重力型熱管背板空調。重力型熱管背板空調是利用換熱器與背板空調的高度差進行制冷劑的循環(huán)，相對動力型熱管背板空調，省掉了動力泵，節(jié)約能耗。

機房設備的制冷形式及氣流組織要求也決定了機房工藝設計形式。面對中小型數(shù)據(jù)中心機房眾多的設備數(shù)量，對氣流組織通暢度的控制，決定了如何保證空調最佳的制冷效果[4]。不同的氣流組織形式和制冷類型，對于機柜擺放、地板敷設、冷通道封閉形式起到了決定性作用。

4.5 監(jiān)控系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心機房的監(jiān)控系統(tǒng)是后期機房維護的前提條件。監(jiān)控系統(tǒng)包含動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。針對不同類型的機房，其維護部門要求的監(jiān)控系統(tǒng)建設等級也不相同，但對動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，主要采集的動力設備參數(shù)和環(huán)境參數(shù)也有著基本的要求。

數(shù)據(jù)中心管理系統(tǒng)（Data Center Infrastructure Management，DCIM）是將各個監(jiān)控系統(tǒng)集成在一個云上平臺，可以實現(xiàn)各個系統(tǒng)的基本功能，同時智能調取分析各系統(tǒng)數(shù)據(jù)，從而呈現(xiàn)一個可視化監(jiān)控系統(tǒng)平臺，在數(shù)據(jù)中心機房建設中逐漸廣泛應用。

4.6 消防系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心機房的消防系統(tǒng)大多數(shù)情況下選用氣體滅火系統(tǒng)，而根據(jù)機房的面積容積、不同，相對應也分為無管網(wǎng)氣體滅火系統(tǒng)和有管網(wǎng)氣體滅火系統(tǒng)。合理設計數(shù)據(jù)中心機房的自動滅火系統(tǒng)，可為機房設備提供安全保障，并優(yōu)化消防系統(tǒng)投資[5]。

針對機房容積較小的機房，在機房內設置七氟丙烷氣體滅火柜，各防護區(qū)采用全淹沒滅火方式，系統(tǒng)設計溫度為20 ℃，防護區(qū)域內具有獨立的火災自動探測、自動報警及氣體滅火功能。系統(tǒng)具有自動控制和手動控制2 種啟動方式。針對機房容積較大的機房，則設置獨立的有管網(wǎng)氣體滅火系統(tǒng)，并結合機房實際情況確定管網(wǎng)路由。

5 結 論

數(shù)據(jù)中心機房基礎配套設施規(guī)劃設計，就是涉及的各個專業(yè)相融合、相協(xié)調、相補充、交叉設計的過程，在以用戶需求為前提的指引下，逐一確認各個系統(tǒng)配置和解決方案，從而達到適用、實用的目的，進而建設綠色、節(jié)能、低碳以及高效的數(shù)據(jù)中心機房。