面向智慧城市的数据中心建筑基础空间优化设计

2020-11-27郑亮郑洪斌

智能建筑与智慧城市 2020年11期

郑亮，郑洪斌

（1.澳门科技大学；2.广州志广信息科技有限公司）

1 引言

数据中心是智慧城市的关键技术支撑，它不仅可以为城市的市民提供服务，也可以为企业提供相应的支持。此外，企业从业务的支持、驱动和创新都离不开数据中心的加持。智慧城市作为城市发展的需求及目标，同样对数据中心带来了新的机遇与挑战。

总体而言，数据中心由数据应用、技术支持、硬件设备及建筑基础组成。数据应用处于数据中心的产业链的下游，负责服务企业和部分各类型的信息应用及存储。技术支持负责为数据应用提供技术支持，包括5G、人工智能、深度学习、云计算、大数据等。硬件设备为软件应用提供了运行的环境及基础平台。建筑基础处于数据中心的上游，不仅为硬件设备提供存放的空间，还需要保障硬件设备的运作环境，提供供能、制冷、消防、安防等支持。

数据中心的建筑基础作为数据中心重要的组成部分，在智慧城市的推动下，其节能程度、使用寿命、空间舒适度、空调系统、排水系统等仍然有值得优化的空间，尤其是在新型硬件设备不断推陈出新的未来，数据中心的建筑基础不仅要适应当前的硬件设备的需要，同时要为未来的硬件设备预留一定的适配可能。持续优化数据中心建筑基础已成为数据中心业界及相关企业部门的关注焦点[1]。

2 数据中心建筑基础空间分析及优化

上海某数据中心位于上海浦东新区，建于2018年。其建设模式基于云计算数据中心，总面积约2000 ㎡，其空间规划主要分为四个功能区，即主机房、辅助间、支持间和行政区。每个房间单独分隔，主机房用于放置机柜、服务器、网路设备、通信设备等重要设备。辅助间为仓库。支持间放置UPS 、配电间、气瓶间、新风机、空调室、发电机等。行政区域主要包括办公室、保安室、监控室、卫生间等。主机房位于建筑空间的中心处，南北两侧为精密空调，西侧为走廊及供能、消防、办公、新风等设备空间，东侧紧挨安保室、办公室和卫生间等提供驻场人员服务的空间（见图1）。

图1 上海某数据中心空间规划

随着现代信息化程度的深入，企业的信息业务不断扩张，传统的设备已无法满足目前的业务需求，因此本项目的企业需要对其数据中心进行设备更替，在此过程中希望对数据中心的建筑基础进行适当优化，以满足新设备在负载、功耗、节能、环境等需求。本项目数据中心的建筑基础空间优化具有以下六项。

2.1 天花工程

考虑到机房的技术要求和机房的高度要求，优先选择中央机房的天花板进行优化，以节约建设成本。首先在天花板上部粘贴保温棉，起到防潮、防尘、保温的作用，其次在下部采用全铝塑喷涂微孔吊顶，具有防火防潮、易清洗和降噪的功能[2]。

在选材方面，选用金属防静电吊顶。其不仅具备价廉质优的优点，并且还具备平整度高和颜色均匀的特点。为了使灯具的风格与金属吊顶保持一致的风格，照明系统采用了光栅灯，灯具在天花板上均匀分布，具有协调装饰的效果。

此外，在具体的施工工艺中，还需要对天花板部分做防水防漏处理。值得一提的是，在天花板的整体施工完成后，可以刷一层防尘涂料，以确保天花板的基础不会积满灰尘。此外，天花板和天花板上部的线槽应接地，以防止静电灰尘收集。由于开放式制冷系统的传统数据中心，在空气交换过程中，微小的灰尘会暴露在整个主机房的空间中，具有藏污纳垢的风险，影响主机房的工作运行环境安全，因此在天花工程之中增加防尘设计，减少粉尘污染的影响。

2.2 地面工程

根据该项目建设数据中心的需要，防静电地板采用全钢防静电材料。防静电地板由钢板制成，具有很高的耐久性，同时，它还具有防火和防潮的功能。此外表面采用进口抗静电涂料，抗静电效果良好。并且无边地板的配合精度高，避免了地板连接间的缝隙，防止地板藏污纳垢（见图2）。

在数据中心的防静电地板施工过程中，需要对地面进行预处理。首先，机房的地板应该平整以防止灰尘和潮湿，然后开始刷防潮漆以防止潮湿和霉变，然后再刷防静电水泥漆，最后在地面上铺设保温棉，可以有效的起到数据中心地面的保温、隔热、防潮作用，然后在绝热层上安装一层镀锌钢板，然后在镀锌钢板上完成等电位接地铜排施工，最后再完成架高抗静电地板和设备承重底座安装固定，起到抗震、防火、洁净、等电位、屏蔽的功能，另外在冷热通道区间进行彩色喷涂保护，并以颜色区分实现可视化管理标识。

地板的标高为500mm ～600mm，有足够的空间在地板下形成静压力舱和消音气流分配风道，并与供配电系统的设计和施工相结合，方便铺设强弱电、消防等管道及相关电气设施(插座、插座盒、漏水传感器、烟感传感器等)。此外，地板上新增用于机房的防水插座，专用于终端和其他设备，可以随时打开或关闭，以确保使用方便和安全，克服以前接线翻地板的缺点。

2.3 墙体工程

图2 数据中心地板现场图

通常，数据中心的墙面以石膏板为基础，墙面需要优化，包括墙面处理、抹灰处理、隔音面具处理等工序（见图3）。墙面应做保养工艺，如刷防尘漆、防潮漆和防水涂料等，再到墙壁内壁使用 40mm 厚的铝箔玻璃纤维绝缘棉。抹灰面漆需要用灰砂或水泥砂浆涂抹在建筑物的墙壁和支柱表面，以使建筑物内部光滑，并增强保温、隔热、隔音、防尘等性能，最后表层添加水刷石、水磨石、喷涂等材料及工艺[3]。

图3 数据中心墙体构成分析图

隔音墙主要是利用数据中心主机房周围的彩色涂层钢板进行工艺处理。由于数据中心机房的洁净要求较高，本项目采用彩涂钢板装饰，其具备防潮防湿的作用，在潮湿的环境下也可以对墙体有很好的保护作用（见图4）。

图4 数据中心墙面彩色涂层钢板装饰现场图

2.4 空气净化

在空气净化设计方面，主要根据气压差的原理，设计了正压新风系统隔离了尘埃从室外进入室内。根据国标GB50174-2017 的规定A 级数据中心的空气指标是每升含尘量≤18000 粒（细微性≥0.5 微米），而尘源主要是从外界引入的新风。首先利用正压新风系统，使得室内比室外气压高9.8Pa，有效隔离尘埃，新风滤尘效率控制在70%以上。其次，精密空调的回风量控制在 16200m3/h。在城市大气中含尘量的特定条件下，本项目所采用的空调回风风量每小时可过滤室内空气 85 次以上，当空调的空气回圈周期为 20 次/H 时，精密空调的灰尘过滤效率达到 95% 以上，机房的灰尘含量可以控制在一个水准，测试结果如表1 所示。

此外，在现场测试中，发现主机房的清洁度优于相邻的普通机房，合理的原则是主机房的热负荷大于相邻通用机房的热负荷，前者注入的空调也比后者大，主机房的气压比相邻机房略高，所以主机房会比相邻的普通机房干净。

其次，由于在精密空调区域使用明亮清洁的彩钢金属铝塑复合板作为墙壁保护，天花板使用防尘漆和保温隔热金属板，在地板下静压箱均采用防火隔热以及安装镀锌金属板，并进行防尘处理，保证地板下空调送风洁净需要。用于冷却设备的空气会被精密空调进行预冷却，然后送至服务器发热元件进行循环冷却，精密空调的G4 级过滤器对主机房室内空气进行净化过滤处理，以便控制分散灰尘的数量。

2.5 场地防水

通常数据中心机房漏水事故发生的原因是空调的冷凝水泄漏和地板的渗水[4]。对于这两种情况的解决方案有：

防新风气流因温差结露。机房区域的新鲜空气是直接从室外气氛中引入的。在高温高湿季节，当引入的新鲜空气在机房内达到 23 ℃ ± 2 ℃ 时，会产生少量的冷凝水。为了解决这一现象，可以将室外新鲜空气引入新风扇，经过新风扇加压后，风管通向空调的上回风口。经过空调的新风流和回风流同时通过空调进行温度调节、湿度调节和除尘，然后用空调的大气流将它送入房间空间，例如产生一点水，它积聚在空调机身的“水盆” 中，并通过空调的排水管排放到外面。防止因空调机加湿器，进排水管损坏漏水。

表1 新风系统测试结果

图5 数据中心防水挡板

在精密空调区地坪安装绝热层，缓冲地坪上、下两者温差。其次，环境监测系统用于在空调房间的地面上建立一个自动漏水监测系统，它可以即时监测地面漏水情况，及时制止因管道破裂和漏水造成的事故。更重要的是，在机房四周及精密空调主机周围设100mm 高防水地垄，在漏水意外发生以后，使得机房有一定的冗余机制，预留一定时间给维修人员及时抢修。机房入口安装防水挡板，防止外部其他洪涝或消防管道意外水源进入机房导致水患。

2.6 消防系统

上海某数据中心采用气体灭火系统，其主要灭火材料使用七氟丙烷气体。此外，气体灭火系统有三种控制模式，包括自动、手动和机械紧急启动[5]。

该项目的设计目标是: ①发生火灾时，迅速将火扑灭，确保机房设备和人员的安全；② 灭火不能损坏机房内的设备，最大限度地减少火灾损失；③为确保消防系统启动时工作人员的安全，气体毒性应降至最低。

灭火系统主要有两种，分别为管网式和无管网式。主要针对数据中心主机房的面积大小而定。采用管网式灭火系统可以不占用主机房的空间，专门设立气瓶室存放灭火气瓶。而无管网式不需要单独的房间，可以设立在主机房内。这两种方式的具体分析如下。

1）管网式灭火系统

管网式灭火系统由瓶组架、灭火剂容器、机械应急启动把手、灭火剂容器阀、压力软管、灭火剂管路单向阀、安全释压阀、集流管、启动管路、信号回馈装置、灭火剂传输管道、电器控制线路、喷嘴、火灾探测器、放气指示灯、光报警器、声报警器、紧急启动按钮、报警控制器、灭火控制器、辅助启动装置等组成。管网式灭火系统需要设置气瓶室，通过管网连接至保护区，当保护区发生火灾时，火灾探测器收到火灾情报并反馈于报警控制器，并触发光声报警器和灭火控制器，灭火控制器启动气瓶装置，灭火剂由气瓶室传输到保护区，通过喷头进行灭火（见图6）。

2）无管网式灭火系统

无管网式灭火系统由气瓶柜、灭火剂容器、机械应急启动把手、灭火剂容器阀、压力软管、灭火剂管路单向阀、安全释压阀、集流管、灭火剂传输管道、火灾探测器、电气控制线路、喷嘴、信号回馈装置、启动管路、启动装置、报警控制器、灭火控制器、声报警器、光报警器、放气指示灯、紧急启动按钮等组成。无管网式灭火系统无需气瓶室，灭火剂容器及配套装置设置在保护区内。区别于管网式灭火系统，当火灾发生时，采用全淹没式灭火系统，喷嘴直接释放灭火气体填充保护区，灭火效率高，并且距离较近，需要的压力较小，降低高压爆瓶的风险（见图7）。

项目的冗灾系统主要由自动、人工两种方式控制。

1）自动启动模式

在一般情况下，消防灭火系统保持自动运行状态。若发生火灾时，温度监测器与烟雾检测器会同时向火灾声报器、光报器、灭火控制器等传输火灾警报并启动相应的设备。其中，声报器和光报器有利于提醒人员疏散。同时，系统自动切断非冗灾系统的供电系统，并进入灭火装置启动倒计时，预留一定的时间让工作人员撤离。在倒计时结束后，气体灭火系统迅速启动，释放七氟丙烷实施灭火。同时，点亮数据中心门口的警示灯，防止人员误入。在灭火结束后，经过人工检查无安全隐患后，可手动熄灭警示灯。

图6 管网式灭火系统原理图

图7 无管网式灭火系统原理图

2）人工启动模式

当数据中心正在维护检修时，为了防止误触火灾警报系统，可以将其设置为人工启动模式。当数据中心火灾发生时，需要人工按下气体灭火控制盘的按钮，进入倒计时准备灭火。如果出现紧急情况，在保证数据中心室内没有工作人员的情况下，可以打破数据中心室外的紧急灭火系统按钮的玻璃罩，及时启动紧急灭火。若出现系统火警误报或火灾不严重的情况，可在火灾报警系统启动后的倒计时期间，人工按下气体灭火控制盘的取消按钮制止气体灭火系统。