微模块数据中心的工程化应用

2018-07-23赵麟杰

铁路通信信号工程技术 2018年6期

赵麟杰

（中国铁路通信信号上海工程局集团有限公司，上海 200436）

以“互联网+”和大数据业务为代表的新一代信息技术革命的到来，推动企业生产和管理业务的飞速发展，各中小企业越来越重视信息化建设，数据中心的建设数量呈现飞速发展。服务器、存储设备、网络设备也越来越密集，给数据中心带来了巨大挑战。快速增加的设备使得机柜使用密度大大提高，高性能芯片巨大发热量需要更高制冷量，对数据中心机房建设发起挑战。

如图1所示，微模块数据中心的出现有效应对了上述挑战。以模块化、标准化的架构和高效高可靠的UPS、精密空调等灵活组合打造新一代模块化数据中心基础设施，快速部署、高效节省、智能管理等优点成为近年来数据中心建设中的亮点。

1 微模块数据中心的简介

微模块数据中心一般由供配电系统、空调系统、IT机柜统、综合布线系统、智能监测系统、气流组织管理系统等模块组成。

图1 微模块数据中心示意图Fig.1 Schematic of micro module data center

1.1 供电系统

不停电供电系统包括输入输出配电、UPS 主机、列头柜、机架配电，电池系统，地线系统，配电保护(主要为防雷和电涌保护、各级保护断路器)等，可根据需求配置交流或直流供电。

1.2 制冷系统

制冷系统主要为空调和配套的附属设备如管道系统、管道和机架级冷气配送设备等。为确保高密度机柜内的散热并降低制冷能源浪费，可选用水平送风方式，就近送风、减少冷气损失，可实现单机柜设备功率密度提高至20 kW以上的能力。

1.3 机架系统

机架是IT设备的支撑机构和分配单元。包含机架的物理结构，承重能力、进风、出风、气流等散热管理、电源分配、和线缆管理等功能要素，是承载IT设备的物理实体。

1.4 电缆连接系统

电缆连接系统主要为负载电力所需的电源电缆和信息数据传输电缆，以及相配套的电缆连接器件等，是微模块数据中心基础设施其中之一，电缆布设和管理将直接影响到整个IT系统的可靠稳定运行。

1.5 智能管理系统

为确保微模块数据中心各子系统的可靠运行，需配属必要的自动监视管理信息系统，如动力设备监视管理系统、网络设备管理系统、环境管理系统、安防系统及其他监测用的硬件和软件。

1.6 气流组织管理系统

微模块数据中心采用独立冷却系统，来满足此功能区制冷需求。微模块机柜布局通常为冷/热通道，若采用水平送风空调， 95%左右的冷风可以直接送到冷/热通道内而进入服务器机柜，所有机柜空面板安装盲板；机柜内排出的热风会被空调机组吸回，热风不再返回进机柜内。全封闭式冷气循环系统环境，有效提升空调使用率，从而实现高效节能降耗。

微模块数据中心的顶部设置部分开启扇，开启面积为冷通道顶部面积的60%以上，由于机房一般采用气体灭火设施，当火灾发生时可触发冷通道顶部开启扇快速打开，气体灭火系统可精准对起火设备进行灭火，同时联动设备把状态信号反馈给消防中心。非紧急状态下，也可通过消防控制中心信号让冷通道的顶部开启扇部分打开，利于扩大散热效果。

2 微模块数据中心的优势

2.1 标准化部件、模块化架构、工厂预制、现场部署快捷

微模块数据中心部件均在工厂预制完成，部件之间设计了标准化接口，抵达现场后按照预先设计的要求拼接而成。一体化集成UPS、精密空调、配电、机柜、智能管理等主要子系统，即插即用如同“搭积木”一样便捷，这样可实现快速部署，极简交付，部署速度较传统可提升50%或以上。同样，微模块也可以简单复制、分期部署和按需扩容，可有效提高机房负载率并降低能耗。

2.2 场景适应性强

一般微模块数据中心仅需2.6 m层高、最低350 kg/m2楼板承重即可完成模块部署，适应绝大多数室内环境。可以采用水平送风方式，可直接在水泥地面部署，甚至无需架空地板。机柜排列方式灵活，支持单排、双排两种排列方式，避免面积浪费，室内空间利用率最大化；封闭与不封闭两种部署方式，适应低、中、高密不同业务需求。

2.3 模块化架构，满足高能效低PUE

微模块数据中心优化了配电和制冷系统设计，采用密闭冷/热通道和行间空调近端制冷技术，行级空调、高频模块化UPS、密闭通道、高集成配电柜的联合应用使PUE大大降低，可做到〈1.5，节省能耗30%以上。

2.4 智能化管理系统，实时监控

微模块数据中心一般配备智能化监控系统，可以实时监测柜内的温湿度、空调工作状态，联动封闭冷通道上方天窗、火灾报警，视频监控、灯光感应控制等功能。智能化运维管理系统实现信息监控、能效管理、3D虚拟展示等功能，显著提升数据中心运维效率与体验。

3 微模块数据中心的工程应用案例

以某企业新建设数据中心为例简单介绍微模块数据中心的工程化应用部署。为确保小型机、高容量存储设备、云计算服务器等设备能够稳定高效的运行，在数据中心主机房约450 m2的大厅中，部署了4组微模块机柜，双排密封冷部署方式。每组机柜包括22～24个IT机柜，机柜两端分别为配电柜和网络配线柜。1组高密机柜采用冷通道密封加内置行级水冷水平送风温控系统，3组低密机柜采用通道密封下送风方式制冷，如图2所示。

3.1 供配电系统

供配电系统是保证计算机设备、场地设备和辅助设备安全可靠运行的基础。大楼内为机房提供两路完全独立的市电电源，两路市电电源在低压配电房内进行切换，切换后的电源引至UPS配电房内。机房内设置两组共4台320 KVA的UPS主机，32个40 KVA的UPS模块组成2 N冗余系统，为IT设备提供双路电源，两套UPS组成双总线系统，任意一路市电故障均不影响IT设备正常运行。UPS主机通过电缆输出至主机房微模块机柜的配电柜内，机柜供配电采用380 V/50/60 Hz三相供电, 同时具备ATS、UPS配电、空调配电、IT配电、配电监控等功能。

3.2 微模块机柜综合布线

微模块数据中心机柜顶部配有强弱电走线槽，实现强电电缆和弱电数据电缆的分隔。一般红色标签线槽走强电，蓝色标签线槽走弱电，电缆相交时分上下两个通道走线互不干涉。这与其他机房内还要架设上走线架或下走线槽不同，可有效减少相应的走线架槽的材料和工程量。在每个机柜顶部有电缆引下孔，方便线缆连接至机柜内。

3.3 空调制冷系统

图2 某企业数据中心平面空间示意图Fig.2 Plane layout of an enterprise's data center

数据中心的空调制冷系统采用传统的精密空调和微模块行级空调就近制冷结合的方式。机房内集中采用水冷式精密空调下送风方式如图3所示，设置5台150 kW水冷下送风空调4+1备份方式用于房间制冷。微模块机柜组中央封闭冷通道下方采用打孔式防静电地板，冷通道内的空气与机柜外空间之间压差从而形成气流循环，从而有效将IT机柜内服务器产生的热量带走。

图3 封闭冷通道工作示意图Fig.3 Working chart of closed cold air ducts

送风密封冷通道模式的特点包括：

1）冷空气在冷通道内形成资源池，实现冷气流的充分共享，可有效解决局部大功耗设备散热问题；

2）实现冷热气流高效隔离，提升冷气利用效率。由于实现了冷热气流高效隔离，就可通过提升送风温度进一步节省制冷所需能耗。

除基本的下送风制冷措施外，高密微模块机柜还辅助增加水冷水平送风机房精密行间空调，将小型机、高密度存储设备等重要IT资产部署在行间空调相邻的IT机柜内，可以紧靠冷媒精确制冷，有效解决了局部热点问题，如图4所示。

图4 行级空调工作示意Fig.4 Row level air conditioning

3.4 密封冷通道

机柜的密封冷通道由天窗、端门与机柜连接组合而成，形成了相对密闭的中空空间。天窗采用平顶结构，由两块侧板、一块顶板和一块旋转天窗组成。旋转天窗利用电磁锁与顶板连接，正常工作状态下处于水平状态；天窗实现消防气灭系统与冷通道联动，消防状态下电磁锁通电打开，旋转天窗在自重力作用下自动打开，以确保保证灭火气体可进入密封冷通道内，如图5所示。

图5 旋转天窗外观示意Fig.5 Aspect of rotating skylight

3.5 智能监控系统

数据中心新建设了智能化监控系统，包含动力监控（电力）子系统、环境监控子系统、视频监控子系统和门禁监控子系统,如图6所示，能对整个微模块数据中心相关基础设施进行全面的管理。

图6 微模块数据中心智能监控系统3D监控效果和电力监控数据采集效果图Fig.6 Effect diagrams of 3D intelligent monitoring system and power monitoring data acquisition of the micro module data center

该数据中心建筑工程完工后，供配电、空调、微模块机房、综合布线、接地、信息监控等基础设施仅用不到4个月时间就建设完成。小型机、服务器、存储、交换等IT资产部署后运行稳定良好，PUE值长期稳定在1.5左右，实现了项目预期目标，反响良好。