关于小型数据中心机房的基础配套设计探讨

2024-05-20何晓飞

通信电源技术 2024年3期

何晓飞

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏南京 210019）

0 引言

数据中心是给集中放置的电子信息设备提供运行环境的建筑场所，可以是一栋或几栋建筑物，也可以是一栋建筑物的一部分。而服务器设备、网络设备、存储设备以及终端设备等通常被认为是数据中心的关键设备。这些关键设备运行所需要的环境与动力因素，通常被认为是数据中心中关键的基础配套设施。这些基础配套设施的建设是数据中心建设中较为重要的环节。

数据中心的基础配套建设需要多专业统筹、协调建设。根据建设需求，将各专业融合，设计出数据中心基础配套建设的最优实施方案。文章针对小型数据中心机房的基础配套建设中涉及的部分专业展开探讨。

1 小型数据中心机房设计原则

数据中心的设计、建设、运营需要采用有效的技术措施，达到绿色、节能、低碳、环保等要求。因此，设计数据中心时需考虑技术选用、机房工艺、制冷形式以及供配电形式等相关技术因素，降低机房电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE），达到绿色节能目的。采用成熟可靠的新技术措施，在降低机房PUE 的同时减少机房后期的运营成本和维护风险，满足机房可持续发展战略，建设新一代绿色节能的智慧IDC 机房。

数据中心基础配套设计原则，一般包含以下5个方面。一是建设适用、实用的数据中心，根据用户需求，在满足用户基本功能、使用需求、配置需求以及维护运营等需求的前提下，合理设计适用、实用、有针对性的数据中心机房。二是可靠安全的供配电系统，要考虑供电的可靠性和安全性，采取变配电系统冗余供电形式，且供配电系统配置尽量靠近负荷中心，可以缩短供电距离，降低投资成本，增强供电可靠性。三是高效节能的技术措施应用，选择质量可靠、技术成熟、效率高效的电源和制冷系统，针对不同机房，进行各项技术对比分析，可有效提升设备的先进性及可维护性。四是可扩展的设备配置，针对机柜供电的不间断电源系统，通常有不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系统和高压直流系统，根据项目实际情况合理选择电源系统。根据项目需求及未来发展，合理配置可扩展的电源系统同样较为重要。五是合理的经济投入，提高市电电源的利用率，改善电源可靠性，减少备用电源种类和数量，延长备用电源的合理使用年限。根据用户需求，合理分类配置备用电源数量与后备时间，降低经济投入。

2 机房选址

一般来说，数据中心机房的选址要满足功能、运营、管理及发展等需求，因地制宜地安排各个机房空间，分区规划[1]。小型数据中心机房通常情况下大部分为改建、扩建项目，利用现有楼宇进行装修改造，达到满足数据中心机房使用的目的。

部分企业通常会将企业内部楼宇的某一层或某几个房间改造为数据中心机房使用。设计规划过程中，参照《数据中心设计规范》（GB 50174—2017），应优先考虑其机房承重情况、层高情况以及市电电源情况[2]。

小微型数据中心，最好选在无地下室的楼宇一层，这样主机房及其他辅助用房的承重，甚至蓄电池的承重，通常情况下可满足使用需求。如果无法避免地选址在二层以上楼层，则需承重复核现有楼层的承重情况，需要用户提供该楼宇建设时的建筑结构图纸，并结合实际使用情况进行判定。如果用户无法提供原始图纸，在无任何依据判定楼层承重情况下，需寻求第三方专业机构鉴定楼层承重情况。对于不满足的情况，需结合实际情况判断采取承重加固措施或更换选址来解决。

确定承重情况后，结合机房的层高情况，来确定机房内机柜规划形式。同时，市电电源是数据机房设计的重要前提条件，市电电源的可靠性、冗余情况、容量大小也是决定数据中心机房设计等级的重要因素。

3 机房土建装修

机房的土建装修既是规划设计考虑的第一步，又是中间环节。因为机房的土建装修需要确定机房的功能分区，而机房的功能分区又是根据具体的机柜、电源等设备规划位置确定，所以机房规划设计，就是各个专业融合、沟通、协调的过程。

首先，根据用户需求如单机柜功耗、机柜数量需求等，结合现场实际情况，如层高、空间、位置等，确定空调制冷形式；其次，工艺设计人员对机柜、冷通道等摆放位置进行初步确定；最后，待机柜位置初步确定后，建筑专业人员结合消防疏散等规范，确认机房隔断分区是否合理，机房疏散门的数量及位置是否满足要求。对机房平面进行调整后，再次返回给工艺设计人员，调整机柜位置，最终达到各专业统一。机房的土建装修需要根据机房设备的制冷形式来确定机房地板高度、是否铺设地板、是否设置空调区；还需要根据机房性质、机柜位置确定吊顶、灯具、电气等系统的安装位置。

4 机房系统设计

4.1 供配电系统

供配电系统是机房等级选定的重要前提。根据规范，不同等级的机房供配电电源的冗余配置各不相同。对于可靠性要求较高的机房，供配电系统建议选用2N冗余配置形式[3]。因此，初步规划的阶段，就需要与用户确认机房选址位置的供配电情况为双路电源引入，否则无法满足其高可靠性要求，机房建设等级也会相应下降。

备用电源是数据中心机房基础配套建设的重要组成部分，通常情况下可选用柴油发电机组为机房提供后备电源。针对现有楼宇改造的情况，一般室内是不具备安装柴油发电机组的条件，常选用室外型柴油发电机建设模式，将柴油发电机做成静音箱的模式安置在楼宇外侧的合理位置。但此种情况下，需调研周边环境，因为油机启动会产生噪声，如周围是居民区，需采取相应措施，尽可能降低噪声。柴油发电机组的后备储油量也需根据规范要求设置，同时需要满足消防相关规范，且需考虑用户签署供油协议的供油时间。

4.2 机柜系统

机房的机柜系统即机房工艺设计，需要根据用户需求，确定单机柜功耗，同时根据用户需求及机房层高、空间等因素，确定机柜尺寸、高度等相关配置参数。机柜系统设计时，需要根据空调专业采取的制冷形式，来确定机柜的布置形式，如采取封闭冷通道-房间级空调制冷，封闭冷通道-列间空调制冷，背板空调制冷等，这些形式的机柜布置形式均不相同。同时，机房内各个通道的宽度、长度以及定位的确定，如设备主通道宽度、面对面背对背设置的机柜正面及背面的间距要求、单个冷通道的长度等均需合理满足相关规范要求。此外，需根据机房的层高、机柜的交流/直流的供电形式、接地方式等，确定走线架的层数、宽度以及不同种类的电缆或通信线缆分别布放于哪层走线架。在设计过程中，需合理避免走线架的交叉以及高度定位。设计人员需对现场进行反复勘察，了解情况，最终设计走线架的平面图和剖面图，以便指导施工。

4.3 电源系统

机柜电源系统需要根据用户的需求确定。通常情况下，一些企业用户机房的电源系统需求大部分为交流电源供电，因此常选用交流UPS。而一些运营商用户的机柜供电电源常常会支持交流和直流2 种形式供电，因此又多了一种供电形式，即高压直流供电系统。

高压直流供电系统的电压等级一般有2 种，分别为240 V 和336 V。高压直流供电系统与UPS 系统相比，造价相对较低，所以在运营商的数据中心机房内，高压直流供电系统的建设也是发展的趋势之一。

电源系统在供电形式上也有不同种类区分，如常规的UPS 和高压直流系统均为集中式不间断电源系统，还有一种供电形式为分布式UPS。分布式UPS 系统安装在每一个机柜内，占用机柜底部大约6 U 的空间，将不间断电源系统和蓄电池组高度集成。该系统可根据机柜安装服务器的情况，选择性、针对性开启运行，有效提高电源系统的利用率，同时省去了传统电源设备安装需要的电力室、电池室空间，有效增加机柜数量。

4.4 空调系统

数据中心机房的空调系统，是机房建设节能相关指标的重要因素，机房空调形式的选取影响了机房PUE 的指标情况。一般情况下，当单机柜功耗小于3 kW 时，可选用房间级空调地板下送风制冷形式+开放式冷热通道/下送风机柜形式；当单机柜功耗大于等于3 kW、小于6 kW 时，可选用房间级空调地板下送风制冷形式+封闭冷/热通道形式；当单机柜功耗大于等于6 kW、小于15 kW 时，可选用列间空调形式+封闭冷、热通道/机柜级空调形式；当单机柜功耗大于等于15 kW 时，建议选用机柜级空调等形式。机柜级空调通常情况下为背板空调形式，分为动力型热管背板空调和重力型热管背板空调。重力型热管背板空调是利用换热器与背板空调的高度差进行制冷剂的循环，相对动力型热管背板空调，省掉了动力泵，节约能耗。

机房设备的制冷形式及气流组织要求也决定了机房工艺设计形式。面对中小型数据中心机房众多的设备数量，对气流组织通畅度的控制，决定了如何保证空调最佳的制冷效果[4]。不同的气流组织形式和制冷类型，对于机柜摆放、地板敷设、冷通道封闭形式起到了决定性作用。