浅谈高校模块化数据中心机房建设

贾志伟 林勤

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.08.026

摘  要：随着信息化技术的高速发展，高校对信息化技术的依赖越来越大。机房是否能够安全高效稳定的运作，成为了影响高校信息化服务水平的一个的关键因素。数据中心机房是保障其内设备及系统稳定高效运行，确保各种信息化服务正常运作的基础设施。如何科学合理的规划和建设一个符合需求的数据中心机房成为了高校信息化管理人员必须了解和关注的问题。而节能高效、便于管理的模块化数据中心机房成为了高校信息化管理人员的首选。

关键词：数据中心;机房建设;信息化

中图分类号：TP308       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）08-0090-05

Discussion on the Construction of the Modular Data Center Computer Room in Colleges

JIA Zhiwei，LIN Qin

（Guangzhou Panyu Polytechnic，Guangzhou  511483，China）

Abstract：With the rapid development of informatization technology，colleges rely more and more on informatization technology. Whether the computer room can operate safely，efficiently and stably has become a key factor affecting the informatization service level of colleges. Data center computer room is the infrastructure to ensure the stable and efficient operation of internal equipments and systems and the normal operation of various informatization services. How to scientifically and reasonably plan and build a data center room that meets the needs has become a problem that informatization management personnel in colleges must understand and pay attention to. The modular data center computer room with energy saving，high efficiency and easy management has become the first choice of informatization management personnel in colleges.

Keywords：data center;computer room construction;informatization

0  引  言

随着高校信息化建设的高速发展，信息化技术融入了高校的教学、科研、办公及生活的全过程，师生对于各类信息化服务及技术的依赖也越来越大。而随着信息数据海量增长，信息系统支撑的业务高度集中，信息存储网络化，使信息数据的重要性日益凸显，但同时也加大了各类风险概率和信息资产的脆弱程度。机房作为最基本的IT基础设施，是保障体系中最基础的一环，建设一个安全、可靠、智能、高效的数据中心机房已经成为高校信息化发展的重中之重。

广州番禺职业技术学院（以下简称番职院）作为全国首批示范性高职院校及中国特色高水平高职院校，学校信息化建设和应用水平位居国内高职院校前列。随着学校信息化建设的快速推进，各类信息资产大量增加，2008年建成的网络中心机房已逐渐饱和。急需建设一个布局合理、功能齐备、设施先进、管理一流的数据中心机房，以解决原有机房场地小、设备容量不足、标准较低的问题，也为学校云（计算）数据中心的搭建提供一个安全可靠的机房场地，为学校信息化建设的高速、健康发展保驾护航。

1  数据中心机房建设总体规划

番职院数据中心機房建设的目标是将其建成一个功能完善、节能高效、具有国内先进水平的模块化数据中心机房，为学校未来5～10年的信息化发展打造一个良好的环境基础。为实现这个既定目标，必须从学校的实际需求和现有条件出发，通过细致地分析，科学地规划，制定出合理可行的技术方案。首先需选定机房建设的场地，再根据场地的实际情况制定机房布局及机房装饰装修的规划。

1.1  机房选址

数据中心机房内部将安放大量的精密设备，为保障设备的安全稳定运行，物理安全是需要首要考虑的问题，其次还要考虑交通运输及设备安装需求^[1]。番职院的数据中心机房选择建在图书馆旧馆一楼的西侧，该区域周边没有强磁场;大楼依山地缓坡而建，地质结构较为稳定;相对周围区域地势较高，没有洪涝灾害的威胁;机房处于一楼，承重能力足够;大楼西南角是大楼货运出入口，连接学校主干道，设备运输便利;机房所在位置的大楼外墙与校道之间有大片的绿化带，有充足的空间安装空调室外机;大楼西侧距离学校6号电房直线距离不足100米，方便动力电缆接入并可节约建设成本。

1.2  机房区域布局规划

番职院数据中心机房位于图书馆旧馆一楼西侧，建筑面积约315平方米。根据场地及功能需求不同将其划分为四个区域，分别为核心机房区、配电房、光纤配线间、消防气瓶间。平面布局如图1所示。

核心机房区面积约255平方米，主要用于安放3组模块化机柜组、3台100 kW精密空调及配件柜等，是承载各类设备的核心区域;配电房面积约40平方米，主要安放输入输出配电柜，两台UPS主机及配套的电池组等设备，是机房正常运作的供电保障;光纤配线间用于实现校园光缆线路的汇接;消防气瓶间安放消防报警控制器以及消防气瓶，为机房提供消防安全保障。

1.3  机房装饰装修

数据中心机房的装饰装修不同于一般意义上的室内装修，除了要考虑美观之外，机房的装饰装修工作更着重于保障机房的安全性及实用性。需要考虑隔断、门窗、天花、地面及墙面等多个方面的。以番职院数据中心机房为例：各功能区域之间采用防火轻质砖隔断，以达到消防防火的目的;对房间原有窗户进行封堵，以保证机房的密封性，机房出入口采用外开的钢制双开防火门，以符合消防防火的要求;房间吊顶先用防尘漆打底，再整体喷黑，既能如使用铝扣板吊顶的机房一样达到防尘的效果，又便于后期对气体消防系统和新风系统相关管道及其他组件的维护，而且，因灯光的作用，肉眼的视觉效果也不差;机房的墙面、柱面采用彩钢板覆盖，防尘、防火、防静电、防干扰，而且有很强的现代感，使机房看起来美观大方;机房的地面先用防尘漆做防尘处理，再铺15 mm的地面保温棉，除机柜组、精密空调及UPS主机及电池等安装位置定制安装专钢制的承重架之外，其余区域铺设钢质无边防静电地板，安装高度为离地面40 cm，为需要安装在地板以下精密空调的送风管道及其他设备留出充足的空间。

2  机房主要功能系统设计

数据中心机房作为承载各种精密设备及各种业务系统运行的基础平台，需要具备可以满足各类设备部署的条件，拥有可以保障设备长期安全稳定高效运行的能力。这要求机房内的各功能模块及系统在性能上能满足使用需求，能相互配合、安全高效平稳运行，要有统一的管理系统监控整个机房的运行情况，便于管理人员的日常维护。番职院数据中心机房建设主要包括高性能封闭冷通道、机房综合布线、供配电系统、制冷系统、消防灭火系统、防雷接地系统、监控管理系统等内容。

2.1  高性能封闭冷通道系统

番职院数据中心机房采用模块化机柜组，组成三个相对独立的模块化微数据中心。每26个机柜位为一个模块组，每组配置1个配电列头柜，2个配线列头柜，23个服务器设备柜，采用封闭冷通道设计，三组共计78个机柜位。

封闭冷通道的工作原理是利用机房内的环境、机柜或其他组件，人为的干预冷热气流的流向，实现冷热气流的分离，让冷气流直接流向机柜集中散热，可以有效地提升制冷效率^[2]。采用封闭冷通道后，使原本的整体机房级的散热问题转变成了机柜级的散热问题，可以有效减轻空调的工作压力，降低能耗。工作模式如图2所示。

番职院数据中心机房内的每组封闭冷通道由机柜、端门、天窗等组件组成。机柜采用标准的19英寸42 U规格，机柜前后門板均为镂空设计，两排机柜相对放置，中间留出1.2米宽的过道，过道两端安装双开玻璃推拉门，过道上方使用玻璃天窗封闭，过道地面铺设镂空地板，形成一个封闭的通道。机房内精密空调产生的冷风通过地板下的管道输送到冷通道下方，透过过道的镂空地板进入冷通道内部，从机柜前门镂空门板进入机柜，通过设备的散热装置后从机柜的后方排出，带走设备产生的热量，从而起到给设备降温的效果。为保证冷通道的密封性，机柜内未安装设备的位置一般采用盲板进行遮挡。

2.2  机房综合布线

数据中心机房内放置大量核心的数据存储、交换、处理设备，机房综合布线作为机房内各类设备互联的基础条件，直接决定了部署在机房内设备及业务系统的运行效率及稳定性。

番职院数据中心机房设置了三组精密冷通道，每个冷通道由两列服务器机柜组成，每列机柜设置一个网络布线列头柜，作为本列机房的网络线路汇接柜。每个服务器机柜均预设一个24口六类配线架及一个24芯单模光纤配线架用于该机柜内的服务器及存储设备的网络接入，与网络布线列头柜连接。

机房布线总体采用上走线模式，通过在天花上安装吊杆，将网格桥架吊装在机柜上方合适的高度及位置，弱电线缆通过码线器进行固定，整齐地排列其中;机柜顶部安装专用的强电线缆槽，用于机柜供电电缆的铺设。强弱电线缆通过各自的下线口进入相应的每一个机柜，实现强弱电线路的隔离。

机房设置专门的光纤配线间，用于光缆线路的直接物理跳转，实现数据中心机房与校园网的互联互通。

2.3  供配电系统

供配电系统是机房正常运作的动力保障，需要极高的可靠性。在设计时需要准确计算机房内的用电设备用电负荷的大小，根据计算结果选择合适的开关、电缆及设备^[3]。为保障机房内设备的用电安全，除空调及照明外，其余所有设备的供电均应通过UPS电源，照明也应有部分通过UPS电源供电，以备机房停电时使用。

供配电系统设计首先要确定总负荷的大小，以番职院数据中心为例，机房内的配电容量计算过程为：

机房内共设置78个机柜位，其中3个配电列头柜、6个网络布线列头柜、69个服务器机柜。配电列头柜不计算功耗，网络布线列头柜的功耗按每个平均2 kW计算，服务器机柜按平均每个3.5 kW计算，可得出机房内IT设备配电容量，如表1所示。

机房的核心机房区配置3台制冷量为100 kW的精密空调，配电房配置了2台制冷量为12.5 kW的精密空调，根据所选空调的具体品牌型号，可查询得到其工作时的最大功耗，故空调配电容量如表2所示。

机房的总面积为315平方米，照明设备的功耗按照20 W/平方米来计算，则照明的负荷为20×315/1 000=6.3 kW。

机房理论上的总负荷为：253.5+145+6.3=404.8 kW。

机房的总电流为：总功率×1 000/电压=404.8×1 000/ 660≈613.33 A。

依据计算结果，机房电力输入总开关选用630 A/3P即可满足，但考虑到机房后期扩容能力，最终选取800 A/3P的总开关。从学校配电房引双路AC380 V三相五线电源至数据中心机房配电柜总开关，入户电缆选用ZC-YJV-（4×240+1×120 mm）2规格。为满足IT设备设计总负载253.5 kW的容量，UPS选择300 kVA容量两台，做双母线运行，提高配电系统可靠性。电池配置时间按满载10分钟计算，4组共128节220 Ah蓄电池。机房内机柜PDU采用双路配置，连接至所在冷通道的精密配电列头柜，每个PDU对应一个配电空开，确保某一机柜电路故障不会影响其他机柜。

配电系统架构如图3所示。

2.4  精密空调系统

数据中心机房部署大量的网络设备、服务器及存储设备，在运行的过程中会产生大量的热量，导致机房温度不断上升。过高的环境温度会对仪器设备的正常运行造成不良影响，还会加快仪器设备的老化。空气湿度也会影响设备的运行安全，湿度过高容易引起短路，湿度过低容易产生静电。这些问题都需要通过部署功能完善的机房专用精密空调系统来解决，保证机房的环境始终保持在适宜设备运行的状态。

2.4.1  机房热负荷计算

机房内主要的热量来源是机房内运行中的设备，除此之外，如机房照明、补充进来的新风、机房内的人员等也会产生一定的热量。一般采用“功率及面积法”^[4]计算机房总发热量。计算公式为：Q_t=Q₁+Q₂。其中，Q_t为总发热量;Q₁为设备发热量，一般按其功率的80%计算;Q₂为环境发热量，一般取0.12～0.18 kW/m²的参考基数，再乘以机房的面积。

以番职数据中心机房为例，上文通过计算得知主机房区域的设备功率为253.5 kW，则其设备发热量为Q₁=253.5× 0.8=202.8 kW;该区域面积为250平方米，环境发热量按每平方米0.15 kW计算，则该区域环境发热量Q₂=250×0.15= 37.5 kW;该区域的总发热量Q_t=202.8+37.5=240.3 kW。UPS主机房区域主要部署配电柜、UPS及电池组，发热量不大，一般可以不计算设备发热量，参考基数取0.18 kW/m²，按房间的面积计算环境最大发热量即可。计算可得配电房总发热量Q_t=46×0.18=8.28 kW。

2.4.2  精密空调配置

根据机房热负荷的计算结果，番职院数据中心机房核心机房区域配置了3台单机制冷量100 kW的下送风精密空调来满足制冷的需要。3台精密空调分别对应3组冷通道，送风通道互通。在机房投入使用初期，上线设备数量不多的情况下，3台空调可采用轮巡工作模式，延长空调使用寿命。配电房区域配置2台单机制冷量12.5 kW的正面送风精密空调，1主1备轮巡工作即可满足该区域的制冷需求。

2.5  消防系统

数据中心内安放了大量精密电子仪器设备，不能使用常规的消防灭火装置，以免在解除火灾危害的同时，对设备造成二次伤害，造成更大的损失。因此，数据中心机房普遍采用气体消防系统来保障消防安全^[5]。其原理是使封闭的机房空间在极短的时间内充斥惰性气体，使火焰因为缺氧而熄灭。

番职院数据中心机房采用的是管网式全淹没式七氟丙烷自动灭火系统。根据机房的区域划分为几个独立的防护区，通过气体管网将各个防护区与消防气瓶间的七氟丙烷气瓶连接，各个防护区根据需要，合理分布一定数量的感烟和感温探测器以及声光报警装置，并与消防控制器联动，而消防控制器又与火灾报警系统、冷通道天窗控制器及供电系统联动。消防控制器通过感烟和感温探测器实时监控机房的状态，万一发生火灾，能够在第一时间激活报警系统，发出声光报警并向学校监控中心发出报警信号，30秒后开启对应防护区的消防气瓶，开启冷通道的天窗，并在8秒内完成七氟丙烷气体喷射，使七氟丙烷气体充斥相应的防护区，同时切断相应区域的供电回路，从而有效的保障消防安全。

2.6  防雷接地系统

雷电、电磁脉冲、静电、电源零电位的飘移等现象会对机房内设备的正常运行造成不良影响，甚至可能会对设备造成严重的伤害，因此机房内需要部署良好的防雷接地系统进行保障，并且都执行严格的安全标准。除了在各级配电柜安装适合的防雷模块之外，一般还需在机房内铺设专门的铜排接地，使机房内机柜及其他相关设备的地线均与铜排接地相连，达到防雷接地的目的。

2.7  监控管理系统

完善的监控管理系统可向管理人员提供全面的机房基础设施运行状态信息和丰富的管理功能。需通过柔性拓展的物理架构和模块化设计的思路，对数据中心基础设施进行集中统一管理，可以极大地提升监控管理效率。

3  建设成效

经过前后一年多的方案设计及建设施工，番职院的数据中心机房已建成并正式投入使用。数据中心机房的建设完成，极大地提升了学校的信息化基础设施水平。数据中心机房实景如图4所示。

随着学校新的虚拟化云平台在数据中心机房部署并上线，实现对现有资源的集中管控、统一调度和按需分配，有效地提高了资源的使用效率。由于采用了高效的机房制冷解决方案，新建成数据中心机房的PUE值明显低于原网络中心机房，实现了节能的设计目标。功能完善、运行稳定的数据中心机房在发挥其功能的同时，也极大地减轻了管理人员的工作压力，降低了运维成本。机房投入使用以来，吸引了数十批次的专家学者来校参观交流，得到了一致的认可，极大地提升了学校的知名度及在同类院校中的地位。

4  结  论

高校的数据中心机房建设是一项对信息化管理人员专业性要求很高的工作，需要通过科学的设计，充分利用有限的空间，配套优良精密的动力、环境监控系统，在保障机房设备正常运转的同时，采用高效的冷热风道交换方案，实现绿色环保的节能减耗标准，并采用最优的高密网络链路架构设计，才能使其适应学校未来业务的发展变化，才能打造出了应变能力、灵活性、通用性都较强的智能化、网络化、管理型数据中心机房。

参考文献：

[1] 李伟.通信机房的选址与建设 [J].甘肃科技纵横，2008（1）：124-125.

[2] 郑亮，陈以乐.现代绿色数据中心机房冷通道封闭的应用及优化设计 [J].智能建筑与智慧城市，2021（1）：76-80.

[3] 王洪峰.数据中心机房供配电系统设计探究 [J].大科技，2019（12）：53-54.

[4] 邱吉普.浅谈数据中心机房制冷系统设计 [J].建筑技艺，2020（S1）：206-208.

[5] 王娟，徐琨然，李庆龙.广播电视行业机房消防研究 [J].西部广播电视，2020，41（20）：223-225.

作者简介：贾志伟（1983.06—），男，汉族，河南南阳人，网络工程师，本科，研究方向：网络规划与管理。

收稿日期：2021-03-24

课题项目：2021年广州番禺職业技术学院科研项目（2021JG15）