中型數(shù)據(jù)中心機(jī)房的規(guī)劃及設(shè)計(jì)

..中型數(shù)據(jù)中心機(jī)房的規(guī)劃與設(shè)計(jì)2009-04-3010:08:43艾默生網(wǎng)絡(luò)能源朱利偉信息化與數(shù)字化成為各個(gè)企業(yè)、行業(yè)提高速度、提高效率，獲得效益的關(guān)鍵手段，而全球信息化與數(shù)字化的愈來(lái)愈成熟，為我們追求效益提供了方法、手段、標(biāo)準(zhǔn)。

〔1〕數(shù)字化：企業(yè)的業(yè)務(wù)、流程、經(jīng)營(yíng)、管理等等，相關(guān)活動(dòng)全部進(jìn)展數(shù)字化

〔2〕無(wú)紙化：過(guò)去基于、的定單模式不能適應(yīng)數(shù)字化的要求，企業(yè)或組織的各種活動(dòng)通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)進(jìn)展，辦公方式轉(zhuǎn)為無(wú)紙化辦公。

〔3〕集中化：分散的信息化不能形成規(guī)模效應(yīng)，信息孤島不能帶來(lái)速度和效率提高。當(dāng)前信息化的趨勢(shì)是集中管理、集中存儲(chǔ)、集中傳輸、集換，帶來(lái)信息化的集中效應(yīng)，這種集中效應(yīng)表現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心的興起〔如圖1所示〕。圖1信息集中化的趨勢(shì)，需要數(shù)據(jù)中心承載1數(shù)據(jù)中心的物理模型數(shù)據(jù)中心的作用與目的是完成信息的集中管理、集中存儲(chǔ)、集中傳輸、集換，從而實(shí)現(xiàn)信息集中效益。

在數(shù)據(jù)中心中，存在兩個(gè)層面的平臺(tái)：網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和動(dòng)力平臺(tái)〔如圖2所示〕。圖2數(shù)據(jù)中心〔DC〕物理模型的定義2數(shù)據(jù)中心的級(jí)別與分類(lèi)：根據(jù)美國(guó)TIA942標(biāo)準(zhǔn)與UptimeInstitute的定義，將數(shù)據(jù)中心的可用性等級(jí)分為四級(jí)〔如表1所示〕：

表1我國(guó)新制定的"電子信息機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)"GB50174-2008，將電子信息機(jī)房定義為A、B、C三類(lèi)，其中A類(lèi)要求最高〔如表2所示〕。

表2按機(jī)房的規(guī)模，可以分為超大型數(shù)據(jù)中心、大型數(shù)據(jù)中心、中型數(shù)據(jù)中心和小型數(shù)據(jù)中心等。

◆超大型數(shù)據(jù)中心，通常面積大于2000m2，效勞器機(jī)柜數(shù)量大于1000個(gè)；

◆大型數(shù)據(jù)中心，通常介于800～2000m2，效勞器機(jī)柜數(shù)量200～1000個(gè)；

◆中型數(shù)據(jù)中心，面積為200～800m2，機(jī)柜數(shù)量為50～200個(gè)；

◆小型數(shù)據(jù)中心，面積為30～200m2，機(jī)柜數(shù)量為10～50個(gè)；

◆無(wú)專(zhuān)門(mén)場(chǎng)所的效勞器/交換機(jī)機(jī)柜應(yīng)用等。

以上規(guī)模劃分是實(shí)際工作中的大致劃分方法，并沒(méi)有嚴(yán)格的劃分標(biāo)準(zhǔn)與參照指標(biāo)體系。劃分的目的也僅僅是便于數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與建立等。

本文專(zhuān)門(mén)針對(duì)中型數(shù)據(jù)中心機(jī)房，探討相關(guān)規(guī)劃、設(shè)計(jì)與建立的標(biāo)準(zhǔn)、方法和實(shí)踐。3.1機(jī)房選址我國(guó)"電子信息機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)"GB50174-2008對(duì)機(jī)房選址提出了要求，綜合美國(guó)數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)TIA942-2005，對(duì)數(shù)據(jù)中心選址可以參考以上標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)際工作中，對(duì)于中型數(shù)據(jù)中心機(jī)房的選址，用戶通常選擇與辦公大樓等設(shè)施在一起，便于管理與維護(hù)。對(duì)于辦公大樓來(lái)說(shuō)，需要重點(diǎn)考慮以下容：

〔1〕大樓的電力是否足夠給數(shù)據(jù)中心使用。辦公大樓在設(shè)計(jì)與建立的時(shí)候，主要面向人員辦公需要，屬于輕載荷的供電設(shè)計(jì)。而數(shù)據(jù)中心的設(shè)備供電量要求巨大，這樣的重載荷設(shè)施放入辦公大樓，常常會(huì)引起供電系統(tǒng)容量嚴(yán)重缺乏。無(wú)論是供電、亦或是制冷，都是對(duì)原有辦公大樓用電容量的巨大挑戰(zhàn)。

〔2〕是否有足夠的空間，放置機(jī)房空調(diào)的室外機(jī)系統(tǒng)。辦公大樓寸土寸金，面積利用率很高。而數(shù)據(jù)中心的機(jī)房需要恒溫恒濕的機(jī)房專(zhuān)用系統(tǒng)，365天×24小時(shí)的不連續(xù)運(yùn)行。機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)如果采用直接制冷制式〔D*〕，需要足夠多的空間安裝空調(diào)室外機(jī)。如果采用冷凍水系統(tǒng)，需要專(zhuān)門(mén)的365天×24小時(shí)運(yùn)行的冷凍機(jī)組，而不能與大樓的中央空調(diào)系統(tǒng)混用。

〔3〕機(jī)房層高是否足夠？辦公大樓的層高為民用建筑設(shè)計(jì)，層高通常為2.8～3.2m。而數(shù)據(jù)中心需要安裝靜電地板，頂部吊頂。最正確層高〔無(wú)障礙物〕應(yīng)該大于3.2m。

〔4〕是否有足夠容量的載貨電梯？通常的辦公大樓載貨電梯尺寸小、載荷低。而數(shù)據(jù)中心需要的UPS電源、機(jī)房空調(diào)等設(shè)備，都是大尺寸超重型設(shè)備。如果電梯不能運(yùn)輸，勢(shì)必導(dǎo)致運(yùn)輸本錢(qián)劇烈增加。

〔5〕在辦公大樓設(shè)置數(shù)據(jù)中心，因?yàn)樽饨鸶甙?、?chǎng)地有限、供電缺乏，將嚴(yán)重限制數(shù)據(jù)中心的規(guī)模和平安級(jí)別。3.2規(guī)劃與設(shè)計(jì)中型數(shù)據(jù)中心機(jī)房的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，其需求源頭來(lái)自于用戶對(duì)效勞器、軟件系統(tǒng)的規(guī)劃與需求。規(guī)劃分為局部，包括容量規(guī)劃〔密度規(guī)劃〕、供電系統(tǒng)規(guī)劃、制冷系統(tǒng)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等。

容量規(guī)劃：容量是指中型數(shù)據(jù)中心機(jī)房的初期、終期的效勞器等IT設(shè)備數(shù)量、或者面積。容量規(guī)劃可以基于兩個(gè)方面考慮，

〔1〕數(shù)據(jù)中心機(jī)房的機(jī)柜數(shù)量×平均每機(jī)柜效勞器數(shù)量。在采用普通地板送風(fēng)制冷方式下，每個(gè)機(jī)柜的熱密度為3～5kw/rack，超過(guò)這個(gè)熱密度就必須采用高熱密度的制冷解決方案〔如圖3所示〕。圖3傳統(tǒng)開(kāi)放式機(jī)柜+地板下送風(fēng)制冷〔2〕機(jī)房的電力供給。當(dāng)機(jī)房的供電系統(tǒng)〔市電+發(fā)電機(jī)〕容量確定之后，可以計(jì)算出效勞器的總功率。比方發(fā)電機(jī)最大容量為500kva，則根據(jù)機(jī)房的能效PUE值〔按2.0考慮〕，得出機(jī)房最大承載效勞器容量為250kva〔如圖4所示〕。PUE能量使用效率的定義:PowerUsageEffectiveness。圖4PUE指標(biāo)曲線3.3供電系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)當(dāng)中型數(shù)據(jù)中心機(jī)房的最大容量確定后，用戶可以根據(jù)預(yù)算、機(jī)房重要程度，結(jié)合"電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)"GB50174-2008和美國(guó)TIA942-2005的標(biāo)準(zhǔn)，確定供電系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)。

對(duì)于供電系統(tǒng)，包括從市電、發(fā)電機(jī)到配電、UPS、輸出配電、效勞器電源管理系統(tǒng)〔列頭柜〕、機(jī)柜PDU等一系列環(huán)節(jié)〔如圖5所示〕。圖5數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)示意圖上述標(biāo)準(zhǔn)列出了N、N+1、2N、2〔N+1〕等冗余方式。

在中型數(shù)據(jù)中心機(jī)房的市電、發(fā)電機(jī)等系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況選擇N+1或者2N系統(tǒng)。而UPS供電系統(tǒng)，建議用戶采用2N或者2〔N+1〕方式，確保供電可靠性〔如圖6、7所示〕。圖62N式供電系統(tǒng)圖72〔N+1〕式供電系統(tǒng)用戶選擇UPS時(shí)，建議采用高頻式UPS，因?yàn)椴捎酶哳lIGBT整流+無(wú)隔離變壓器式設(shè)計(jì)，輸入功率因數(shù)高、輸入電流諧波小、功率密度高等特點(diǎn)。同時(shí)因?yàn)閁PS占地面積小重量小，搬運(yùn)方便。

UPS的電池容量建議根據(jù)市電與發(fā)電機(jī)系統(tǒng)配置，通常為30分鐘左右。一般不建議超過(guò)2小時(shí)的電池配置，重量大、本錢(qián)高，投資不經(jīng)濟(jì)。

在UPS之后，需安裝效勞器電源管理系統(tǒng)SPM〔又叫列頭柜〕，為效勞器機(jī)柜提供配電與保護(hù)。為提供效勞器電源的配電可靠性，建議每一個(gè)配電回路都采用監(jiān)控與管理系統(tǒng)，監(jiān)控每一路回路的電流、電壓、功率、功率因數(shù)、諧波、電量等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)配電的平安管理和本錢(qián)的細(xì)致化管理〔如圖8所示〕。3.4制冷系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)制冷系統(tǒng)是機(jī)房另外一個(gè)關(guān)鍵的根底設(shè)施。在中型數(shù)據(jù)中心機(jī)房，制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：地板下送風(fēng)系統(tǒng)、效勞器機(jī)柜、機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)等。

按照機(jī)房節(jié)能設(shè)計(jì)實(shí)踐和標(biāo)準(zhǔn)，通常采用地板下送風(fēng)、機(jī)柜布置按冷熱通道方式，是制冷效率比擬高的設(shè)計(jì)方式〔如圖9所示〕。圖9地板下送風(fēng)+冷熱通道設(shè)計(jì)機(jī)房的效勞器機(jī)柜也是制冷的關(guān)鍵之一。在很多運(yùn)行的機(jī)房中，不少用戶對(duì)機(jī)柜不重視，通常采購(gòu)一些廉價(jià)效勞器機(jī)柜。而這樣的機(jī)柜必然帶來(lái)通風(fēng)面積小、效勞器發(fā)熱等問(wèn)題。TIA942標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定機(jī)柜的通風(fēng)面積比通孔率大于50%。而當(dāng)效勞器的熱密度到達(dá)4kw左右是，建議用戶采用通孔率大于70%的效勞器機(jī)柜，確保效勞器等IT設(shè)備通風(fēng)量、風(fēng)速正常。

此外，為了冷熱通道隔離，建議使用擋板，將效勞器機(jī)柜上空閑的U空間擋住，減少冷空氣與熱空氣的無(wú)效熱交換。

進(jìn)一步的節(jié)能設(shè)計(jì)包括完全封閉的冷通道，實(shí)現(xiàn)冷空氣與熱空氣的完全隔離。當(dāng)然這樣封閉式冷通道〔或熱通道設(shè)計(jì)〕，必須符合消防防火等規(guī)〔如圖10所示〕?？紤]到投資本錢(qián)、運(yùn)營(yíng)本錢(qián)、維護(hù)本錢(qián)等，建議采用風(fēng)冷式機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)〔D*式〕。而水冷或者冷凍水式機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)不適合于在中型機(jī)房中使用與推廣〔如11所示〕。圖11風(fēng)冷式機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)〔D*式〕風(fēng)冷式機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)，按照上述標(biāo)準(zhǔn)，采用N+1〔2或3〕即可實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)較高的可靠性。在空調(diào)的供電上采取分組供電方式，防止單一供電回路導(dǎo)致的單點(diǎn)故障。3.5監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)中型數(shù)據(jù)中心機(jī)房的平安與運(yùn)營(yíng)監(jiān)控管理是用戶關(guān)注的核心容之一。而這些數(shù)據(jù)中心機(jī)房通常采用無(wú)人值守工作模式，機(jī)房的平安與運(yùn)營(yíng)監(jiān)控是無(wú)人值守的重要手段和工具。它包括：

機(jī)房視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻監(jiān)控實(shí)現(xiàn)機(jī)房365天×24小時(shí)監(jiān)控下運(yùn)行，任何成心或無(wú)意的破壞都將記錄在案。

機(jī)房設(shè)備與環(huán)境的監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，必須實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)房的溫度、濕度、水浸、供電系統(tǒng)工作參數(shù)與狀態(tài)、空調(diào)系統(tǒng)工作參數(shù)與狀態(tài)等，并在故障下主動(dòng)提示用戶采取措施，及時(shí)修復(fù)故障，確保機(jī)房平安穩(wěn)定運(yùn)行〔如圖12所示〕。圖12數(shù)據(jù)中心的機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)特別需要說(shuō)明的是，中型數(shù)據(jù)中心機(jī)房通常不會(huì)配置電源專(zhuān)業(yè)人員，日常的管理與維護(hù)工作通常外包給專(zhuān)業(yè)類(lèi)公司，IT用戶僅僅督導(dǎo)與監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作。

而在眾多設(shè)備與環(huán)境中，電池的監(jiān)控是比擬容易無(wú)視的環(huán)節(jié)。但是電池恰恰又是系統(tǒng)最后的平安保障，所以對(duì)電池的監(jiān)控建議采用單體電壓、單體阻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)在線監(jiān)控電池的電壓與阻抗變化，及時(shí)找出弱化電池與系統(tǒng)短木板。

TIA942和GB50174-2008也建議在最重要一級(jí)機(jī)房，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組中每一個(gè)電池單體電壓、單體阻抗的監(jiān)控。確保系統(tǒng)中所有環(huán)節(jié)都處于監(jiān)控之下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平安可靠運(yùn)行。電池單體電壓與阻監(jiān)控系統(tǒng)圖〔如圖13所示〕。圖13電池單體電壓、阻監(jiān)控示意圖4中型數(shù)據(jù)中心機(jī)房的建立與概念誤區(qū)4.1關(guān)于機(jī)房的負(fù)載計(jì)算與熱密度IT用戶在規(guī)劃或者設(shè)計(jì)機(jī)房時(shí)，普遍遇到的問(wèn)題就是效勞器負(fù)載計(jì)算問(wèn)題。購(gòu)置的效勞器，根據(jù)廠家給出的功耗累計(jì)，往往會(huì)得出一個(gè)很大的累計(jì)功率?？墒侨绻凑者@樣的累計(jì)功率配置供電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)，將會(huì)出現(xiàn)巨大的投資浪費(fèi)。

如何才能得出比擬可靠的負(fù)載功率呢？建議IT用戶對(duì)效勞器廠家的功耗參數(shù)刨根尋底，一定要廠家給出所需配置下實(shí)際功率需求。

比方IBM*型號(hào)效勞器2008年功耗為〔如表3所示〕：表3：表3中，單機(jī)最大功耗與配置密切相關(guān)，而這個(gè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于銘牌功率，當(dāng)配置確定后，采用效勞器的實(shí)際運(yùn)行功率計(jì)算，才能防止供電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)的巨大浪費(fèi)。4.2為了創(chuàng)新而使用水系統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)很多IT用戶喜歡創(chuàng)新，在機(jī)房建立上根據(jù)局部廠商推薦，盲目采用水系統(tǒng)的空調(diào)。實(shí)際上水系統(tǒng)機(jī)房空調(diào)在中型數(shù)據(jù)中心機(jī)房并不能節(jié)能。

首先，中型機(jī)房的熱負(fù)荷是有限的，而小容量的冷凍機(jī)組的能效比，并不比風(fēng)冷式空調(diào)高。如果采用大樓的冷凍機(jī)組，必然又出現(xiàn)在冬天大馬拉小車(chē)的問(wèn)題，效率低下。只有當(dāng)機(jī)房規(guī)模宏大，采用水系統(tǒng)機(jī)房空調(diào)才是節(jié)能的。

其次，水系統(tǒng)機(jī)房空調(diào)容易導(dǎo)致系統(tǒng)的單點(diǎn)故障、單點(diǎn)瓶頸。按照標(biāo)準(zhǔn)，采用水系統(tǒng)時(shí)，強(qiáng)烈建議按照2N系統(tǒng)配置，而這樣的配置在中型機(jī)房無(wú)疑是投資巨大、毫無(wú)積極性可言。

第三，水系統(tǒng)的安裝、維護(hù)本錢(qián)很高。尤其是維護(hù)本錢(qián)居高不下。因?yàn)樗到y(tǒng)需用定期的換水維護(hù)，這樣數(shù)據(jù)中心可能長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)問(wèn)題。國(guó)第一批使用水系統(tǒng)的大型銀行數(shù)據(jù)中心，在建立新的數(shù)據(jù)中心時(shí)，紛紛棄用水系統(tǒng)，而改用風(fēng)冷式機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)。5中型數(shù)據(jù)中心機(jī)房的建立實(shí)例大局部的證券公司機(jī)房是典型的中型數(shù)據(jù)中心機(jī)房。隨著IT技術(shù)的迅速開(kāi)展，我國(guó)證券行業(yè)的交易與查詢網(wǎng)絡(luò)化、集中化，已處于世界前列。

*全國(guó)性券商因?yàn)檗k公室搬遷，需要在辦公大樓新建一個(gè)約400m2的數(shù)據(jù)中心〔如圖14所示〕。因?yàn)樵撊痰臉I(yè)務(wù)高速開(kāi)展，對(duì)未來(lái)的負(fù)荷需求很大。但是機(jī)房位于中心區(qū)域的辦公大樓上，大樓為數(shù)據(jù)中心提供的電力有限，僅為500KVA