沈 璐

（湖南省建筑設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)沙410012）

0 引言

數(shù)據(jù)中心機(jī)房作為企業(yè)內(nèi)部的重要領(lǐng)域，對(duì)安全性能要求非常高，機(jī)房的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需保障業(yè)務(wù)系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行需求。 因此，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)與運(yùn)營(yíng)都面臨著壓力和挑戰(zhàn)，為了使設(shè)計(jì)建造最優(yōu)化，需要改變傳統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和建造模式，采用符合當(dāng)代數(shù)據(jù)中心發(fā)展潮流的一體化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、高效節(jié)能的機(jī)房設(shè)計(jì)建造原則。

1 需求分析

本案例為某鋼鐵企業(yè)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目，機(jī)房面積約為1 140m2，其中主機(jī)房面積約500m2，機(jī)房輔助區(qū)約640m2，規(guī)劃建設(shè)80 個(gè)IT 機(jī)柜，信息化設(shè)備分兩期實(shí)施，每期部署40 個(gè)IT 機(jī)柜，機(jī)房土建一次性建設(shè)到位。 機(jī)房工程按A 級(jí)數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)。

該機(jī)房是鋼鐵企業(yè)信息化建設(shè)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，保障鋼鐵企業(yè)信息化工作的正常穩(wěn)定運(yùn)行。 該機(jī)房建成后需要滿足5～8 年內(nèi)的可靠性和先進(jìn)性，并具備在更長(zhǎng)生命周期內(nèi)的可擴(kuò)容性。

本文將就模塊化和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)方案進(jìn)行分析和比選，對(duì)數(shù)據(jù)中心UPS 和精密空調(diào)等主要設(shè)備容量進(jìn)行選型計(jì)算，得出適合本工程的解決方案。

2 模塊化數(shù)據(jù)中心和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心方案比選

2.1 機(jī)房裝修

本工程地面采用陶瓷防靜電地板，墻面采用彩鋼板，吊頂采用微孔鋁合金天花。 按傳統(tǒng)機(jī)房建設(shè)，機(jī)房?jī)舾咭吮ＷC3.2m 以上；按模塊化機(jī)房建設(shè)，凈高保證2.6m 即可滿足使用要求。 本工程設(shè)置在一層，梁下凈高3.88m，兩個(gè)方案都滿足要求。

2.2 機(jī)房制冷

傳統(tǒng)機(jī)房：精密空調(diào)采用“下送風(fēng)上回風(fēng)”的氣流組織，先冷環(huán)境，再冷設(shè)備，制冷量需求等于IT 設(shè)備能耗與環(huán)境能耗的綜合，考慮冗余20%；下送風(fēng)方式，機(jī)柜上部容易出現(xiàn)局部熱點(diǎn)，冷熱空氣混合，制冷效率低。

模塊化機(jī)房：封閉冷通道，集中對(duì)設(shè)備制冷，制冷量需求需滿足IT 設(shè)備能耗，考慮冗余20%。 冷熱空氣隔離，制冷效率高。

相較之下，模塊化機(jī)房可減少環(huán)境能耗，制冷效率更高，空調(diào)能耗更小，需配置的空調(diào)數(shù)量更少，空調(diào)配比節(jié)約25%。

2.3 功率密度

目前傳統(tǒng)機(jī)房功率密度一般最大3kW／機(jī)柜，超過(guò)后將出現(xiàn)局部熱點(diǎn)；若機(jī)房面積增大，將會(huì)使制冷效率更低，出現(xiàn)局部熱點(diǎn)幾率更大。 按照80 個(gè)IT 機(jī)柜計(jì)算，機(jī)房總功率為240kW。 而模塊化機(jī)房一般每個(gè)機(jī)柜功率密度3 ～12kW，最高時(shí)可達(dá)到每個(gè)機(jī)柜21kW。

在本次工程建設(shè)中，筆者所在單位進(jìn)行了靈活選擇，按照每個(gè)機(jī)柜6kW 或9kW 來(lái)算，總功率分別為480kW 或者720kW。 相較而言，模塊化機(jī)房機(jī)柜功率密度更大，占地面積僅為傳統(tǒng)機(jī)房的50%甚至更低。

2.4 PUE 值

假設(shè)一期機(jī)房共有IT 負(fù)載機(jī)柜40 個(gè)，每機(jī)柜平均負(fù)載功率為3kW，則IT 設(shè)備總能耗為120kW。目前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)機(jī)房的PUE 值一般在2 ～3 之間，本次取值2.2。 根據(jù)權(quán)威測(cè)試，模塊化機(jī)房的PUE 值一般在1.45～1.6 之間，本次取最大值1.6。 根據(jù)公式，PUE 等于機(jī)房總能耗除以IT 設(shè)備能耗，按照目前每度電1 元計(jì)算，則：傳統(tǒng)機(jī)房總能耗＝120kW×2.2 ＝264kW， 傳統(tǒng)機(jī)房一年總電費(fèi)＝264kW×24×365×1 ＝231 萬(wàn)元；模塊化機(jī)房總能耗＝120kW×1.6＝192kW，模塊化機(jī)房一年總電費(fèi)：192×24×365×1 ＝168 萬(wàn)元。

根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比，模塊化機(jī)房每年節(jié)約電費(fèi)約63萬(wàn)元，節(jié)約能耗約27%。

通過(guò)上述分析，相較傳統(tǒng)建設(shè)模式，模塊化的建設(shè)模式具備了更多優(yōu)勢(shì)，另外模塊化機(jī)房所有產(chǎn)品模塊經(jīng)由在廠家預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼接、去工程化設(shè)計(jì)等操作之后，建設(shè)周期較傳統(tǒng)機(jī)房縮短一半以上。另外，模塊化機(jī)房若統(tǒng)一品牌，故障處理只需找一個(gè)廠家解決，故障修復(fù)時(shí)間短、可維護(hù)性更強(qiáng)，具有一定的可擴(kuò)展性；但傳統(tǒng)機(jī)房基于多家產(chǎn)品的應(yīng)用，外觀搭配不和諧，不如模塊化機(jī)房形象統(tǒng)一。

針對(duì)本項(xiàng)目的要求， 一、二期分別建設(shè)2 個(gè)雙排通道的微模塊，每個(gè)雙排通道由2 組單排柜體位分兩列面對(duì)面排列，和封閉通道組件組合形成封閉冷通道的微模塊。 每個(gè)微模塊包括20 個(gè)IT 機(jī)柜；2臺(tái)配電列頭柜分配本通道的機(jī)柜用電，每個(gè)機(jī)柜配兩條PDU 組成雙路供電；2 臺(tái)配線列頭柜分配本通道的機(jī)柜的綜合布線。

3 機(jī)房UPS 方案比選

UPS 選型可以采用工頻機(jī)和高頻模塊機(jī)兩種方案。

工頻機(jī)的工作原理是基于變壓器輸出的UPS，使用SCR 晶閘管器件作為整流器元件，整流器調(diào)制工作頻率與電網(wǎng)頻率（50Hz）一致。 優(yōu)點(diǎn)：過(guò)載能力、抗輸入浪涌能力、輸出抗沖擊及短路能力高；在市電惡劣的環(huán)境下，工頻機(jī)能提供更安全和可靠的保護(hù)；維護(hù)簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)：尺寸大，噪聲大，對(duì)負(fù)載和市電變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能較差；效率低。 一般應(yīng)用于石油石化、化工、高端制造等行業(yè)。

高頻模塊機(jī)的工作原理是將直流提升到UPS輸出所需的電壓，從而省掉了輸出變壓器，整流器采用高頻調(diào)整方式；通過(guò)把高頻UPS 的功率部分單獨(dú)做成一個(gè)個(gè)功率模塊，把旁路切換模塊和控制單元做成模塊單元，并基于每個(gè)模塊并聯(lián)輸出。 優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、功率密度大、整機(jī)效率高、輸入諧波電流小； UPS 功率部分即可實(shí)現(xiàn)“N＋1”冗余，性價(jià)比高。 缺點(diǎn)：過(guò)載能力、抗輸入浪涌能力，輸出抗沖擊、短路能力一般；模塊數(shù)量較多時(shí)增大了故障頻率；維護(hù)較復(fù)雜。 常應(yīng)用于通信、IDC 機(jī)房。

考慮到本工程為鋼鐵制造企業(yè)，電源質(zhì)量比較復(fù)雜，高頻模塊機(jī)在環(huán)境適應(yīng)性和抗沖擊能力上仍然不及成熟度更高的工頻機(jī)，本工程UPS 選用工頻UPS。 項(xiàng)目一期的機(jī)房設(shè)備總負(fù)荷為3×40kW ＝120kW，根據(jù)冗余1.2，UPS 輸出功率因數(shù)0.9，UPS最佳運(yùn)行負(fù)載70%計(jì)算，則UPS 的選型容量為120×1.2÷0.9÷0.7 ＝229kVA。

此外，基于對(duì)機(jī)房重要性及后期可擴(kuò)展性的考量，選用可靠性更高帶有輸出隔離變壓器的300kVA工頻UPS。 根據(jù)A 級(jí)機(jī)房設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)方案采用兩臺(tái)300kVA UPS 組成2N 架構(gòu)，保障機(jī)房負(fù)載供電的穩(wěn)定性及可靠性。 本工程設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)，UPS 的后備時(shí)間要求15min，根據(jù)恒功率計(jì)算方式，每臺(tái)UPS 需采用32 節(jié)12V／220Ah 蓄電池，滿足后備時(shí)間的要求。

4 機(jī)房空調(diào)方案比選

機(jī)房主要的熱負(fù)荷來(lái)源于IT 設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施（如供配電等設(shè)備自身?yè)p耗發(fā)熱）、照明設(shè)備、建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)、太陽(yáng)照射玻璃窗帶來(lái)的輻射熱、換氣及室外侵入、人員等。

IT 設(shè)備熱負(fù)荷和基礎(chǔ)設(shè)施熱負(fù)荷可合并歸作機(jī)房設(shè)備熱負(fù)荷，用Q1 表示；其余熱負(fù)荷可合并歸作機(jī)房環(huán)境熱負(fù)荷，用Q2 表示。 因Q2 中的傳導(dǎo)熱負(fù)荷和輻射熱負(fù)荷，與季節(jié)、時(shí)間、地理位置和太陽(yáng)的照射角度均有關(guān)聯(lián)，很難精確測(cè)算，故一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)Q2 進(jìn)行估算，則Q2（黃河以南）＝0.18kW／m2×機(jī)房面積；機(jī)房總熱負(fù)荷用Qt 表示，Qt ＝Q1＋Q2。

根據(jù)以上理論，對(duì)本項(xiàng)目微模塊熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算推導(dǎo)，則Q1 ＝IT 設(shè)備熱負(fù)荷＋UPS 損耗發(fā)熱＝60kW＋［（60kW／電池逆變效率94%）－60kW］ ＝63.8kW；Q2 ＝0.18kW／m2×機(jī)房面積＝0.18kW／m2×微模塊占地面積（8.4×3.6）m2＝5.44kW；Qt ＝Q1＋Q2 ＝69.24kW。

4.1 行間空調(diào)方案

根據(jù)機(jī)房微模塊熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，項(xiàng)目一期中每套微模塊采用3 臺(tái)39kW 行間空調(diào)組成2＋1 冗余系統(tǒng)，保障微模塊內(nèi)的制冷要求。 兩期共計(jì)12 臺(tái)39kW 行間空調(diào)。

（1）氣流組織：側(cè)送風(fēng)，機(jī)柜后回風(fēng)。

（2）行間空調(diào)方案的優(yōu)點(diǎn)：微模塊集成度較高，減少機(jī)房分區(qū)；水平送風(fēng)，無(wú)局部熱點(diǎn)，冷熱空氣隔離，制冷效率高，適合高密度大型數(shù)據(jù)中心。

（3）行間空調(diào)方案的缺點(diǎn)：行間空調(diào)位于微模塊，意味著對(duì)機(jī)房供電和制冷設(shè)備的操作、維護(hù)和巡檢都需要進(jìn)入機(jī)房最核心的IT 機(jī)柜冷通道中，機(jī)房的動(dòng)力維護(hù)和IT 維護(hù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)物理隔離，增加安全隱患；行間空調(diào)的制冷范圍是其所屬的微模塊，按“N＋1 冗余”要求意味著每個(gè)微模塊都必須冗余一臺(tái)行間空調(diào)。 以該項(xiàng)目為例，4 套微模塊需要冗余4 臺(tái)行間空調(diào)，冗余成本大、擠占過(guò)多IT 機(jī)柜位、極大增加了室外機(jī)安放選址難度；此外，數(shù)量較多的行間空調(diào)管道較多，風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)較多，相對(duì)漏水的隱患較多，直接危及相鄰IT 設(shè)備；行間空調(diào)自身工作時(shí)的振動(dòng)對(duì)相鄰IT 機(jī)柜內(nèi)的設(shè)備有難以預(yù)料的影響。

4.2 房間級(jí)空調(diào)方案

根據(jù)機(jī)房微模塊熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，選用70kW精密空調(diào)1 臺(tái)，項(xiàng)目一期中兩套微模塊共計(jì)3 臺(tái)70kW 精密空調(diào)，組成“N＋1 冗余”系統(tǒng)。 兩期共計(jì)6 臺(tái)70kW 精密空調(diào)。

（1）氣流組織：冷通道地板下送風(fēng)，上回風(fēng)。

（2）房間級(jí)空調(diào)方案優(yōu)點(diǎn)：避免了采用行間空調(diào)的缺點(diǎn)。

（3）房間級(jí)空調(diào)方案的缺點(diǎn)：房間級(jí)空調(diào)體積較大，維護(hù)較復(fù)雜，熱負(fù)荷需要在行間空調(diào)方案的計(jì)算基礎(chǔ)上增加靜電地板下靜壓箱的熱負(fù)荷，制冷效率受到靜壓箱尺寸影響。

4.3 機(jī)房PUE 值計(jì)算

PUE ＝數(shù)據(jù)中心總能耗／IT 設(shè)備總能耗＝1＋供配電因子（PLF）＋制冷因子（CLF）。

（1）供配電因子PLF

計(jì)算數(shù)學(xué)模型為：供配電因子＝低壓配電系統(tǒng)損耗＋UPS 系統(tǒng)損耗＋供電電纜損耗，考慮到低壓配電系統(tǒng)和供電電纜損耗很?。ɑ臼倾~損與接觸電阻損耗，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)一般為1%～3%），且本項(xiàng)目電纜路由較長(zhǎng)，這里取3%。

本項(xiàng)目UPS 選用300kVA UPS，供配電系統(tǒng)為2N 雙母線系統(tǒng)，單機(jī)柜3kW 考慮，總負(fù)載約為240kW，當(dāng)負(fù)載率為100%時(shí)，UPS 效率約為94.5%，損耗率為5.5%，即0.055，故PLF ＝0.03 ＋0.055＝0.085。

（2）制冷因子CLF

計(jì)算數(shù)學(xué)模型為：制冷因子＝制冷消耗功率／制冷量＝1／空調(diào)整機(jī)能效比

方案一采用行間空調(diào)39kW 共計(jì)12 臺(tái)。 根據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)出具的第三方測(cè)試報(bào)告，空調(diào)能效比為3.65，CLF ＝1／3.65 ＝0.27；電池室精密空調(diào)的能效比為3.2，CLF＝1／3.2 ＝0.31。

因此，PUE（100%）＝1＋供配電因子（PLF）＋制冷因子（CLF）＝1 ＋0.085 ＋0.58 ＝1.665，按單機(jī)柜3kW 滿載計(jì)算，為94.5%。

同理，PUE（60%）＝1＋供配電因子（PLF）＋制冷因子（CLF）＝1 ＋0.11 ＋0.58 ＝1.69 時(shí)，則為92%；PUE（30%）＝1 ＋供配電因子（PLF） ＋制冷因子（CLF）＝1＋0.14＋0.58 ＝1.72 時(shí)，為89%。

方案二采用房間級(jí)空調(diào)70kW 共計(jì)6 臺(tái)。 根據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)出具的第三方測(cè)試報(bào)告，空調(diào)能效比為4.95，CLF ＝1／4.95 ＝0.20；電池室精密空調(diào)的能效比為3.2，CLF＝1／3.2 ＝0.31。

因此，PUE（100%）＝1＋供配電因子（PLF）＋制冷因子（CLF）＝1.595（單機(jī)柜3kW 滿載計(jì)算）。

同理（供配電因子（PLF）計(jì)算結(jié)果同方案一），PUE（60%）＝1 ＋供配電因子（PLF） ＋制冷因子（CLF）＝1＋0.11＋0.51 ＝1.62；PUE（30%）＝1＋供配電因子（PLF）＋制冷因子（CLF）＝1 ＋0.14 ＋0.51＝1.65。

如表1 所示，為行間空調(diào)方案和房間級(jí)空調(diào)方案的運(yùn)營(yíng)成本對(duì)比。 由表1 可知，從前期投入來(lái)看，行間空調(diào)的成本約為155 萬(wàn)元，房間級(jí)空調(diào)的成本約為200 萬(wàn)元，投入相差45 萬(wàn)元左右，根據(jù)表1 運(yùn)營(yíng)成本每年可節(jié)省約78 萬(wàn)元，半年多的時(shí)間即可節(jié)省出前期投入費(fèi)用，并達(dá)到持續(xù)節(jié)能的目的。

行間空調(diào)方案和房間級(jí)空調(diào)方案的運(yùn)營(yíng)成本對(duì)比 表1

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述分析可以了解，模塊化的建設(shè)模式相較傳統(tǒng)建設(shè)模式具備更多優(yōu)勢(shì)，在滿足客戶業(yè)務(wù)需求的同時(shí)創(chuàng)造更多價(jià)值，是未來(lái)數(shù)據(jù)中心建設(shè)模式的方向標(biāo)。 相對(duì)于幾百上千個(gè)IT 機(jī)柜規(guī)模的大型數(shù)據(jù)中心，本工程的建設(shè)規(guī)模較小，因此高能效的房間級(jí)空調(diào)經(jīng)濟(jì)效益更高。

對(duì)于大型數(shù)據(jù)中心還是應(yīng)優(yōu)先考慮模塊化行間空調(diào)；對(duì)于UPS 的選擇方面，因?yàn)殇撹F企業(yè)對(duì)可靠性的要求很高，且廠區(qū)市電質(zhì)量有可能出現(xiàn)惡劣情況，故采用工頻機(jī)UPS 作為數(shù)據(jù)中心后備電源。因此，模塊化數(shù)據(jù)中心選型時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景平衡低投資、高回報(bào)之間的矛盾，滿足高密低耗、快速部署、靈活擴(kuò)展的需求。