某钢铁企业数据中心机房建设方案的比选研究

沈 璐

（湖南省建筑设计院有限公司，长沙410012）

0 引言

数据中心机房作为企业内部的重要领域，对安全性能要求非常高，机房的基础设施建设需保障业务系统连续稳定的运行需求。 因此，传统数据中心建设与运营都面临着压力和挑战，为了使设计建造最优化，需要改变传统的规划设计和建造模式，采用符合当代数据中心发展潮流的一体化、标准化、模块化、高效节能的机房设计建造原则。

1 需求分析

本案例为某钢铁企业数据中心项目，机房面积约为1 140m2，其中主机房面积约500m2，机房辅助区约640m2，规划建设80 个IT 机柜，信息化设备分两期实施，每期部署40 个IT 机柜，机房土建一次性建设到位。 机房工程按A 级数据中心标准进行建设。

该机房是钢铁企业信息化建设的关键节点，保障钢铁企业信息化工作的正常稳定运行。 该机房建成后需要满足5～8 年内的可靠性和先进性，并具备在更长生命周期内的可扩容性。

本文将就模块化和传统数据中心的建设方案进行分析和比选，对数据中心UPS 和精密空调等主要设备容量进行选型计算，得出适合本工程的解决方案。

2 模块化数据中心和传统数据中心方案比选

2.1 机房装修

本工程地面采用陶瓷防静电地板，墙面采用彩钢板，吊顶采用微孔铝合金天花。 按传统机房建设，机房净高宜保证3.2m 以上；按模块化机房建设，净高保证2.6m 即可满足使用要求。 本工程设置在一层，梁下净高3.88m，两个方案都满足要求。

2.2 机房制冷

传统机房：精密空调采用“下送风上回风”的气流组织，先冷环境，再冷设备，制冷量需求等于IT 设备能耗与环境能耗的综合，考虑冗余20%；下送风方式，机柜上部容易出现局部热点，冷热空气混合，制冷效率低。

模块化机房：封闭冷通道，集中对设备制冷，制冷量需求需满足IT 设备能耗，考虑冗余20%。 冷热空气隔离，制冷效率高。

相较之下，模块化机房可减少环境能耗，制冷效率更高，空调能耗更小，需配置的空调数量更少，空调配比节约25%。

2.3 功率密度

目前传统机房功率密度一般最大3kW／机柜，超过后将出现局部热点；若机房面积增大，将会使制冷效率更低，出现局部热点几率更大。 按照80 个IT 机柜计算，机房总功率为240kW。 而模块化机房一般每个机柜功率密度3 ～12kW，最高时可达到每个机柜21kW。

在本次工程建设中，笔者所在单位进行了灵活选择，按照每个机柜6kW 或9kW 来算，总功率分别为480kW 或者720kW。 相较而言，模块化机房机柜功率密度更大，占地面积仅为传统机房的50%甚至更低。

2.4 PUE 值

假设一期机房共有IT 负载机柜40 个，每机柜平均负载功率为3kW，则IT 设备总能耗为120kW。目前国内传统机房的PUE 值一般在2 ～3 之间，本次取值2.2。 根据权威测试，模块化机房的PUE 值一般在1.45～1.6 之间，本次取最大值1.6。 根据公式，PUE 等于机房总能耗除以IT 设备能耗，按照目前每度电1 元计算，则：传统机房总能耗＝120kW×2.2 ＝264kW， 传统机房一年总电费＝264kW×24×365×1 ＝231 万元；模块化机房总能耗＝120kW×1.6＝192kW，模块化机房一年总电费：192×24×365×1 ＝168 万元。

根据数据对比，模块化机房每年节约电费约63万元，节约能耗约27%。

通过上述分析，相较传统建设模式，模块化的建设模式具备了更多优势，另外模块化机房所有产品模块经由在厂家预制、现场拼接、去工程化设计等操作之后，建设周期较传统机房缩短一半以上。另外，模块化机房若统一品牌，故障处理只需找一个厂家解决，故障修复时间短、可维护性更强，具有一定的可扩展性；但传统机房基于多家产品的应用，外观搭配不和谐，不如模块化机房形象统一。

针对本项目的要求， 一、二期分别建设2 个双排通道的微模块，每个双排通道由2 组单排柜体位分两列面对面排列，和封闭通道组件组合形成封闭冷通道的微模块。 每个微模块包括20 个IT 机柜；2台配电列头柜分配本通道的机柜用电，每个机柜配两条PDU 组成双路供电；2 台配线列头柜分配本通道的机柜的综合布线。

3 机房UPS 方案比选

UPS 选型可以采用工频机和高频模块机两种方案。

工频机的工作原理是基于变压器输出的UPS，使用SCR 晶闸管器件作为整流器元件，整流器调制工作频率与电网频率（50Hz）一致。 优点：过载能力、抗输入浪涌能力、输出抗冲击及短路能力高；在市电恶劣的环境下，工频机能提供更安全和可靠的保护；维护简单。 缺点：尺寸大，噪声大，对负载和市电变化的动态响应性能较差；效率低。 一般应用于石油石化、化工、高端制造等行业。

高频模块机的工作原理是将直流提升到UPS输出所需的电压，从而省掉了输出变压器，整流器采用高频调整方式；通过把高频UPS 的功率部分单独做成一个个功率模块，把旁路切换模块和控制单元做成模块单元，并基于每个模块并联输出。 优点：体积小、重量轻、功率密度大、整机效率高、输入谐波电流小； UPS 功率部分即可实现“N＋1”冗余，性价比高。 缺点：过载能力、抗输入浪涌能力，输出抗冲击、短路能力一般；模块数量较多时增大了故障频率；维护较复杂。 常应用于通信、IDC 机房。

考虑到本工程为钢铁制造企业，电源质量比较复杂，高频模块机在环境适应性和抗冲击能力上仍然不及成熟度更高的工频机，本工程UPS 选用工频UPS。 项目一期的机房设备总负荷为3×40kW ＝120kW，根据冗余1.2，UPS 输出功率因数0.9，UPS最佳运行负载70%计算，则UPS 的选型容量为120×1.2÷0.9÷0.7 ＝229kVA。

此外，基于对机房重要性及后期可扩展性的考量，选用可靠性更高带有输出隔离变压器的300kVA工频UPS。 根据A 级机房设计要求，本次设计方案采用两台300kVA UPS 组成2N 架构，保障机房负载供电的稳定性及可靠性。 本工程设置柴油发电机，UPS 的后备时间要求15min，根据恒功率计算方式，每台UPS 需采用32 节12V／220Ah 蓄电池，满足后备时间的要求。

4 机房空调方案比选

机房主要的热负荷来源于IT 设备、基础设施（如供配电等设备自身损耗发热）、照明设备、建筑维护结构的传导、太阳照射玻璃窗带来的辐射热、换气及室外侵入、人员等。

IT 设备热负荷和基础设施热负荷可合并归作机房设备热负荷，用Q1 表示；其余热负荷可合并归作机房环境热负荷，用Q2 表示。 因Q2 中的传导热负荷和辐射热负荷，与季节、时间、地理位置和太阳的照射角度均有关联，很难精确测算，故一般根据经验对Q2 进行估算，则Q2（黄河以南）＝0.18kW／m2×机房面积；机房总热负荷用Qt 表示，Qt ＝Q1＋Q2。

根据以上理论，对本项目微模块热负荷进行计算推导，则Q1 ＝IT 设备热负荷＋UPS 损耗发热＝60kW＋［（60kW／电池逆变效率94%）－60kW］ ＝63.8kW；Q2 ＝0.18kW／m2×机房面积＝0.18kW／m2×微模块占地面积（8.4×3.6）m2＝5.44kW；Qt ＝Q1＋Q2 ＝69.24kW。

4.1 行间空调方案

根据机房微模块热负荷计算结果，项目一期中每套微模块采用3 台39kW 行间空调组成2＋1 冗余系统，保障微模块内的制冷要求。 两期共计12 台39kW 行间空调。

（1）气流组织：侧送风，机柜后回风。

（2）行间空调方案的优点：微模块集成度较高，减少机房分区；水平送风，无局部热点，冷热空气隔离，制冷效率高，适合高密度大型数据中心。

（3）行间空调方案的缺点：行间空调位于微模块，意味着对机房供电和制冷设备的操作、维护和巡检都需要进入机房最核心的IT 机柜冷通道中，机房的动力维护和IT 维护无法实现物理隔离，增加安全隐患；行间空调的制冷范围是其所属的微模块，按“N＋1 冗余”要求意味着每个微模块都必须冗余一台行间空调。 以该项目为例，4 套微模块需要冗余4 台行间空调，冗余成本大、挤占过多IT 机柜位、极大增加了室外机安放选址难度；此外，数量较多的行间空调管道较多，风险点较多，相对漏水的隐患较多，直接危及相邻IT 设备；行间空调自身工作时的振动对相邻IT 机柜内的设备有难以预料的影响。

4.2 房间级空调方案

根据机房微模块热负荷计算结果，选用70kW精密空调1 台，项目一期中两套微模块共计3 台70kW 精密空调，组成“N＋1 冗余”系统。 两期共计6 台70kW 精密空调。

（1）气流组织：冷通道地板下送风，上回风。

（2）房间级空调方案优点：避免了采用行间空调的缺点。

（3）房间级空调方案的缺点：房间级空调体积较大，维护较复杂，热负荷需要在行间空调方案的计算基础上增加静电地板下静压箱的热负荷，制冷效率受到静压箱尺寸影响。

4.3 机房PUE 值计算

PUE ＝数据中心总能耗／IT 设备总能耗＝1＋供配电因子（PLF）＋制冷因子（CLF）。

（1）供配电因子PLF

计算数学模型为：供配电因子＝低压配电系统损耗＋UPS 系统损耗＋供电电缆损耗，考虑到低压配电系统和供电电缆损耗很小（基本是铜损与接触电阻损耗，统计数据一般为1%～3%），且本项目电缆路由较长，这里取3%。

本项目UPS 选用300kVA UPS，供配电系统为2N 双母线系统，单机柜3kW 考虑，总负载约为240kW，当负载率为100%时，UPS 效率约为94.5%，损耗率为5.5%，即0.055，故PLF ＝0.03 ＋0.055＝0.085。

（2）制冷因子CLF

计算数学模型为：制冷因子＝制冷消耗功率／制冷量＝1／空调整机能效比

方案一采用行间空调39kW 共计12 台。 根据权威机构出具的第三方测试报告，空调能效比为3.65，CLF ＝1／3.65 ＝0.27；电池室精密空调的能效比为3.2，CLF＝1／3.2 ＝0.31。

因此，PUE（100%）＝1＋供配电因子（PLF）＋制冷因子（CLF）＝1 ＋0.085 ＋0.58 ＝1.665，按单机柜3kW 满载计算，为94.5%。

同理，PUE（60%）＝1＋供配电因子（PLF）＋制冷因子（CLF）＝1 ＋0.11 ＋0.58 ＝1.69 时，则为92%；PUE（30%）＝1 ＋供配电因子（PLF） ＋制冷因子（CLF）＝1＋0.14＋0.58 ＝1.72 时，为89%。

方案二采用房间级空调70kW 共计6 台。 根据权威机构出具的第三方测试报告，空调能效比为4.95，CLF ＝1／4.95 ＝0.20；电池室精密空调的能效比为3.2，CLF＝1／3.2 ＝0.31。

因此，PUE（100%）＝1＋供配电因子（PLF）＋制冷因子（CLF）＝1.595（单机柜3kW 满载计算）。

同理（供配电因子（PLF）计算结果同方案一），PUE（60%）＝1 ＋供配电因子（PLF） ＋制冷因子（CLF）＝1＋0.11＋0.51 ＝1.62；PUE（30%）＝1＋供配电因子（PLF）＋制冷因子（CLF）＝1 ＋0.14 ＋0.51＝1.65。

如表1 所示，为行间空调方案和房间级空调方案的运营成本对比。 由表1 可知，从前期投入来看，行间空调的成本约为155 万元，房间级空调的成本约为200 万元，投入相差45 万元左右，根据表1 运营成本每年可节省约78 万元，半年多的时间即可节省出前期投入费用，并达到持续节能的目的。

行间空调方案和房间级空调方案的运营成本对比 表1

5 结束语

通过上述分析可以了解，模块化的建设模式相较传统建设模式具备更多优势，在满足客户业务需求的同时创造更多价值，是未来数据中心建设模式的方向标。 相对于几百上千个IT 机柜规模的大型数据中心，本工程的建设规模较小，因此高能效的房间级空调经济效益更高。

对于大型数据中心还是应优先考虑模块化行间空调；对于UPS 的选择方面，因为钢铁企业对可靠性的要求很高，且厂区市电质量有可能出现恶劣情况，故采用工频机UPS 作为数据中心后备电源。因此，模块化数据中心选型时应根据实际应用场景平衡低投资、高回报之间的矛盾，满足高密低耗、快速部署、灵活扩展的需求。