中型數(shù)據(jù)中心機房的規(guī)劃與設(shè)計說明

..中型數(shù)據(jù)中心機房的規(guī)劃與設(shè)計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、管理等等,相關(guān)活動全部進行數(shù)字化

〔2無紙化：過去基于、的定單模式不能適應(yīng)數(shù)字化的要求,企業(yè)或組織的各種活動通過計算機網(wǎng)絡(luò)自動進行,辦公方式轉(zhuǎn)為無紙化辦公。

〔3集中化：分散的信息化不能形成規(guī)模效應(yīng),信息孤島不能帶來速度和效率提高。當(dāng)前信息化的趨勢是集中管理、集中存儲、集中傳輸、集中交換,帶來信息化的集中效應(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,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、集中傳輸、集中交換,從而實現(xiàn)信息集中效益。

在數(shù)據(jù)中心中,存在兩個層面的平臺：網(wǎng)絡(luò)平臺和動力平臺〔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)中心的級別與分類：根據(jù)美國TIA942標(biāo)準(zhǔn)與UptimeInstitute的定義,將數(shù)據(jù)中心的可用性等級分為四級〔如表1所示：

表1我國新制定的《電子信息機房設(shè)計規(guī)范》GB50174-2008,將電子信息機房定義為A、B、C三類,其中A類要求最高〔如表2所示。

表2按機房的規(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,服務(wù)器機柜數(shù)量大于1000個；

◆大型數(shù)據(jù)中心,通常介于800～2000m2,服務(wù)器機柜數(shù)量200～1000個；

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

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

◆無專門場所的服務(wù)器/交換機機柜應(yīng)用等。

以上規(guī)模劃分是實際工作中的大致劃分方法,并沒有嚴格的劃分標(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)計與建設(shè)等。

本文專門針對中型數(shù)據(jù)中心機房,探討相關(guān)規(guī)劃、設(shè)計與建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)、方法和實踐。3.1機房選址我國《電子信息機房設(shè)計規(guī)范》GB50174-2008對機房選址提出了要求,綜合美國數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)TIA942-2005,對數(shù)據(jù)中心選址可以參考以上標(biāo)準(zhǔn)。

實際工作中,對于中型數(shù)據(jù)中心機房的選址,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。對于辦公大樓來說,需要重點考慮以下內(nèi)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)計與建設(shè)的時候,主要面向人員辦公需要,屬于輕載荷的供電設(shè)計。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,常常會引起供電系統(tǒng)容量嚴重不足。無論是供電、亦或是制冷,都是對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,放置機房空調(diào)的室外機系統(tǒng)。辦公大樓寸土寸金,面積利用率很高。而數(shù)據(jù)中心的機房需要恒溫恒濕的機房專用系統(tǒng),365天×24小時的不間斷運行。機房專用空調(diào)如果采用直接制冷制式〔DX,需要足夠多的空間安裝空調(diào)室外機。如果采用冷凍水系統(tǒng),需要專門的365天×24小時運行的冷凍機組,而不能與大樓的中央空調(diào)系統(tǒng)混用。

〔3機房層高是否足夠？辦公大樓的層高為民用建筑設(shè)計,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。最佳層高〔無障礙物應(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。如果電梯不能運輸,勢必導(dǎo)致運輸成本劇烈增加。

〔5在辦公大樓設(shè)置數(shù)據(jù)中心,因為租金高昂、場地有限、供電不足,將嚴重限制數(shù)據(jù)中心的規(guī)模和安全級別。3.2規(guī)劃與設(shè)計中型數(shù)據(jù)中心機房的規(guī)劃與設(shè)計,其需求源頭來自于用戶對服務(wù)器、軟件系統(tǒng)的規(guī)劃與需求。規(guī)劃分為部分,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)中心機房的初期、終期的服務(wù)器等IT設(shè)備數(shù)量、或者面積。容量規(guī)劃可以基于兩個方面考慮,

〔1數(shù)據(jù)中心機房的機柜數(shù)量×平均每機柜服務(wù)器數(shù)量。在采用普通地板送風(fēng)制冷方式下,每個機柜的熱密度為3～5kw/rack,超過這個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)開放式機柜+地板下送風(fēng)制冷〔2機房的電力供應(yīng)。當(dāng)機房的供電系統(tǒng)〔市電+發(fā)電機容量確定之后,可以計算出服務(wù)器的總功率。比如發(fā)電機最大容量為500kva,那么根據(jù)機房的能效PUE值〔按2.0考慮,得出機房最大承載服務(wù)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)計當(dāng)中型數(shù)據(jù)中心機房的最大容量確定后,用戶可以根據(jù)預(yù)算、機房重要程度,結(jié)合《電子計算機機房設(shè)計規(guī)范》GB50174-2008和美國TIA942-2005的標(biāo)準(zhǔn),確定供電系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)。

對于供電系統(tǒng),包括從市電、發(fā)電機到配電、UPS、輸出配電、服務(wù)器電源管理系統(tǒng)〔列頭柜、機柜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)中心機房的市電、發(fā)電機等系統(tǒng),用戶可以根據(jù)實際情況選擇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,建議采用高頻式UPS,因為采用高頻IGBT整流+無隔離變壓器式設(shè)計,輸入功率因數(shù)高、輸入電流諧波小、功率密度高等特點。同時因為UPS占地面積小重量小,搬運方便。

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

在UPS之后,需安裝服務(wù)器電源管理系統(tǒng)SPM〔又叫列頭柜,為服務(wù)器機柜提供配電與保護。為提供服務(wù)器電源的配電可靠性,建議每一個配電回路都采用監(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),實現(xiàn)配電的安全管理和成本的細致化管理〔如圖8所示。3.4制冷系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計制冷系統(tǒng)是機房另外一個關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施。在中型數(shù)據(jù)中心機房,制冷系統(tǒng)設(shè)計包括：地板下送風(fēng)系統(tǒng)、服務(wù)器機柜、機房專用空調(diào)等。

按照機房節(jié)能設(shè)計實踐和標(biāo)準(zhǔn),通常采用地板下送風(fēng)、機柜布置按冷熱通道方式,是制冷效率比較高的設(shè)計方式〔如圖9所示。圖9地板下送風(fēng)+冷熱通道設(shè)計機房的服務(wù)器機柜也是制冷的關(guān)鍵之一。在很多運行的機房中,不少用戶對機柜不重視,通常采購一些廉價服務(wù)器機柜。而這樣的機柜必然帶來通風(fēng)面積小、服務(wù)器發(fā)熱等問題。TIA942標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定機柜的通風(fēng)面積比通孔率大于50%。而當(dāng)服務(wù)器的熱密度達到4kw左右是,建議用戶采用通孔率大于70%的服務(wù)器機柜,確保服務(wù)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,將服務(wù)器機柜上空閑的U空間擋住,減少冷空氣與熱空氣的無效熱交換。

進一步的節(jié)能設(shè)計包括完全封閉的冷通道,實現(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,必須符合消防防火等規(guī)范〔如圖10所示?？紤]到投資成本、運營成本、維護成本等,建議采用風(fēng)冷式機房專用空調(diào)〔DX式。而水冷或者冷凍水式機房專用空調(diào)不適合于在中型機房中使用與推廣〔如11所示。圖11風(fēng)冷式機房專用空調(diào)〔DX式風(fēng)冷式機房專用空調(diào),按照上述標(biāo)準(zhǔn),采用N+1〔2或3即可實現(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,避免單一供電回路導(dǎo)致的單點故障。3.5監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計中型數(shù)據(jù)中心機房的安全與運營監(jiān)控管理是用戶關(guān)注的核心內(nèi)容之一。而這些數(shù)據(jù)中心機房通常采用無人值守工作模式,機房的安全與運營監(jiān)控是無人值守的重要手段和工具。它包括：

機房視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻監(jiān)控實現(xiàn)機房365天×24小時監(jiān)控下運行,任何故意或無意的破壞都將記錄在案。

機房設(shè)備與環(huán)境的監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn),必須實時監(jiān)控機房的溫度、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,并在故障下主動提示用戶采取措施,及時修復(fù)故障,確保機房安全穩(wěn)定運行〔如圖12所示。圖12數(shù)據(jù)中心的機房監(jiān)控系統(tǒng)特別需要說明的是,中型數(shù)據(jù)中心機房通常不會配置電源專業(yè)人員,日常的管理與維護工作通常外包給專業(yè)類公司,IT用戶僅僅督導(dǎo)與監(jiān)控系統(tǒng)的運營維護工作。

而在眾多設(shè)備與環(huán)境中,電池的監(jiān)控是比較容易忽視的環(huán)節(jié)。但是電池恰恰又是系統(tǒng)最后的安全保障,所以對電池的監(jiān)控建議采用單體電壓、單體內(nèi)阻監(jiān)控系統(tǒng),實時在線監(jiān)控電池的電壓與阻抗變化,及時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機房,實現(xiàn)對電池組中每一個電池單體電壓、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,實現(xiàn)系統(tǒng)的安全可靠運行。電池單體電壓與內(nèi)阻監(jiān)控系統(tǒng)圖〔如圖13所示。圖13電池單體電壓、內(nèi)阻監(jiān)控示意圖4中型數(shù)據(jù)中心機房的建設(shè)與概念誤區(qū)4.1關(guān)于機房的負載計算與熱密度IT用戶在規(guī)劃或者設(shè)計機房時,普遍遇到的問題就是服務(wù)器負載計算問題。購買的服務(wù)器,根據(jù)廠家給出的功耗累計,往往會得出一個很大的累計功率。可是如果按照這樣的累計功率配置供電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng),將會出現(xiàn)巨大的投資浪費。

如何才能得出比較可靠的負載功率呢？建議IT用戶對服務(wù)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際功率需求。

比如IBM某型號服務(wù)器20XX功耗為〔如表3所示：表3：表3中,單機最大功耗與配置密切相關(guān),而這個數(shù)據(jù)遠遠小于銘牌功率,當(dāng)配置確定后,采用服務(wù)器的實際運行功率計算,才能避免供電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)的巨大浪費。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,在機房建設(shè)上根據(jù)部分廠商推薦,盲目采用水系統(tǒng)的空調(diào)。實際上水系統(tǒng)機房空調(diào)在中型數(shù)據(jù)中心機房并不能節(jié)能。

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

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

第三,水系統(tǒng)的安裝、維護成本很高。尤其是維護成本居高不下。因為水系統(tǒng)需用定期的換水維護,這樣數(shù)據(jù)中心可能長時間停機問題。國內(nèi)第一批使用水系統(tǒng)的大型銀行數(shù)據(jù)中心,在建設(shè)新的數(shù)據(jù)中心時,紛紛棄用水系統(tǒng),而改用風(fēng)冷式機房空調(diào)系統(tǒng)。5中型數(shù)據(jù)中心機房的建設(shè)實例大部分的證券公司機房是典型的中型數(shù)據(jù)中心機房。隨著IT技術(shù)的迅速發(fā)展,我國證券行業(yè)的交易與查詢網(wǎng)絡(luò)化、集中化,已處于世界前列。

某全國性券商因為辦公室搬遷,需要在辦公大樓內(nèi)新建一個約400m2的數(shù)據(jù)中心〔如圖14所示。因為該券商的業(yè)務(wù)高速發(fā)展,對未來的負荷需求很大。但是機房位于中心區(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