數(shù)據(jù)中心主機(jī)房機(jī)柜布局的研究

孫麗玫（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100080）

數(shù)據(jù)中心主機(jī)房機(jī)柜布局的研究

孫麗玫
（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100080）

本文以多個(gè)實(shí)際工程為例，從機(jī)房建筑布局、空調(diào)方案、維護(hù)操作等多方面分析了影響數(shù)據(jù)中心主機(jī)房機(jī)柜布置的關(guān)鍵因素，提出了提高機(jī)柜布置率的方法。

數(shù)據(jù)中心；主機(jī)房；機(jī)柜布局；空調(diào)系統(tǒng)

1 引言

隨著國(guó)家對(duì)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重視，對(duì)云計(jì)算、下一代網(wǎng)絡(luò)的積極推進(jìn)，IDC市場(chǎng)迎來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。2015年，中國(guó)IDC市場(chǎng)規(guī)模達(dá)518億元，比2014年增長(zhǎng)39%。2015年國(guó)家寬帶提速，“互聯(lián)網(wǎng)+”向產(chǎn)業(yè)加速滲透，帶來(lái)互聯(lián)網(wǎng)流量快速增長(zhǎng)，拉動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)中心等互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施需求的增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)進(jìn)入一個(gè)新的高潮。

在數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃建設(shè)階段，對(duì)數(shù)據(jù)中心的規(guī)模、容量、等級(jí)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，將直接影響到數(shù)據(jù)中心投資、運(yùn)營(yíng)和收益。其中，提高數(shù)據(jù)中心的出機(jī)柜率，是數(shù)據(jù)中心建設(shè)方、設(shè)計(jì)方一直致力研究的課題之一。目前市場(chǎng)上IDC價(jià)格體系中，主要以機(jī)柜數(shù)量、單機(jī)柜供電能力、帶寬等為基準(zhǔn)進(jìn)行價(jià)格測(cè)算。因此提高主機(jī)房使用率即提高主機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)柜布置率，是IDC業(yè)務(wù)提供商提高業(yè)務(wù)收入的主要途徑之一，在數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中顯得尤其重要。

2 主機(jī)房機(jī)柜布局原則

主機(jī)房，是數(shù)據(jù)中心安裝機(jī)柜的空間。機(jī)柜布置時(shí)，要考慮較多影響因素，如機(jī)柜搬運(yùn)、維護(hù)操作空間、IT設(shè)備系統(tǒng)與供電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)的匹配等問(wèn)題。圖1為典型的機(jī)房布局示意圖。

主機(jī)房機(jī)柜布局一般按如下原則進(jìn)行。

2.1 基礎(chǔ)設(shè)施能源利用最優(yōu)化

各機(jī)房空間內(nèi)，單個(gè)模塊的IT設(shè)備、電源、空調(diào)等系統(tǒng)盡量達(dá)到最佳匹配和平衡。主設(shè)備系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、氣流組織系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)綜合集成，提高機(jī)房空間利用率。

圖1 典型的機(jī)房布局示意圖

2.2 合理搬運(yùn)維護(hù)通道

機(jī)柜布局時(shí)，應(yīng)充分考慮維護(hù)人員安全、設(shè)備搬運(yùn)、檢修維護(hù)需要的空間。根據(jù)規(guī)范要求，機(jī)房?jī)?nèi)主運(yùn)輸搬運(yùn)通道的寬度為1.5 m，次通道的寬度不小于1 m。成行排列的機(jī)柜，兩個(gè)出口通道之間的距離超過(guò)15 m時(shí)，在兩個(gè)出口通道之間增加出口通道。

2.3 機(jī)柜按區(qū)分冷熱通道排列

機(jī)房的機(jī)柜布置采用“面對(duì)面、背對(duì)背”的排列方式，分出冷通道和熱通道。機(jī)柜列間距綜合考慮工藝設(shè)備安裝需求、日常維護(hù)需求、地板規(guī)格等，并根據(jù)機(jī)柜裝機(jī)功率密度和氣流組織的需求，確定機(jī)柜列間距離。

2.4 機(jī)柜系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化

在滿足客戶需求的前提下，主機(jī)房?jī)?nèi)的機(jī)柜系統(tǒng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜。標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)柜尺寸一致，供電、送風(fēng)方式相同，利于機(jī)柜布局便于統(tǒng)一安裝、維護(hù)。

3 主機(jī)房機(jī)柜布局影響要素分析

主機(jī)房空間內(nèi)一般包括機(jī)柜安裝空間、機(jī)柜搬運(yùn)空間、線纜豎井及空調(diào)末端空間等。主機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)柜布置能力，可以用主機(jī)房的單機(jī)柜使用面積來(lái)衡量，即：

單機(jī)柜使用面積=主機(jī)房使用面積/機(jī)柜數(shù)量（1）

單機(jī)柜使用面積（平米/架）越大，說(shuō)明主機(jī)房?jī)?nèi)安裝的機(jī)柜數(shù)量越少。因此，通常我們追求更小的單機(jī)柜使用面積。

影響主機(jī)房單機(jī)柜使用面積的主要因素有：機(jī)柜尺寸、機(jī)房空間尺寸、空調(diào)末端形式和機(jī)柜配電系統(tǒng)。

3.1 機(jī)柜尺寸的影響

機(jī)柜尺寸有寬、深、高3個(gè)維度。機(jī)柜尺寸是由其內(nèi)部安裝服務(wù)器和設(shè)備情況確定的。機(jī)柜的寬度、深度對(duì)出機(jī)柜率影響較大。機(jī)柜的寬度，確定了每列擬安裝機(jī)柜機(jī)柜數(shù)量。一般而言，IT標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜寬為600 mm，部分網(wǎng)絡(luò)設(shè)備機(jī)柜寬800 mm。顯然，機(jī)柜越寬，同一列內(nèi)安裝的機(jī)柜數(shù)量就少。

機(jī)柜的深度，影響到機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)柜列數(shù)，同時(shí)影響到機(jī)柜列間搬運(yùn)維護(hù)間距的取定。隨著服務(wù)器運(yùn)算能力提升，服務(wù)器深度有加大的趨勢(shì)，因此機(jī)柜深度尺寸也逐步從1 000 mm提升到1 200 mm。部分存儲(chǔ)機(jī)柜深度達(dá)1 500～1 800 mm。

機(jī)柜深度1 000 mm時(shí)，考慮服務(wù)器和機(jī)柜的搬運(yùn)，其前維護(hù)間距可考慮為≥1 000 mm。如果機(jī)柜深度為1 200 mm，此時(shí)一般服務(wù)器深度較大，達(dá)800～900 mm，考慮服務(wù)器和機(jī)柜的搬運(yùn)，其前維護(hù)間距就考慮為≥1 200 mm。這樣機(jī)柜深度越大，在同樣空間，能安裝的機(jī)柜列就少。

因此在同樣空間大小情況下，機(jī)柜尺寸越大，能安裝的機(jī)柜數(shù)量相應(yīng)地就少。

3.2 機(jī)房平面布局的影響

為保障主機(jī)房最佳的使用率，主機(jī)房以矩形為最佳，原則上不采用弧形、三角形等異形平面。主機(jī)房的長(zhǎng)度、寬度尺寸，對(duì)機(jī)柜的布置和數(shù)量有較大影響。

3.2.1 機(jī)房長(zhǎng)寬取定原則

機(jī)柜布置，分為兩個(gè)方向即標(biāo)準(zhǔn)列長(zhǎng)方向和列數(shù)方向，機(jī)柜布置與機(jī)房布局方向的關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 機(jī)柜布置與機(jī)房布局方向關(guān)系示意圖

機(jī)房的寬度方向，一般設(shè)置與機(jī)柜標(biāo)準(zhǔn)列長(zhǎng)方向平行。此時(shí)機(jī)房的寬度設(shè)置需要考慮機(jī)柜標(biāo)準(zhǔn)列長(zhǎng)、機(jī)柜搬運(yùn)通道、空調(diào)末端區(qū)域?qū)挾鹊男枨?。如機(jī)房空調(diào)末端采用冷凍水型機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)并單側(cè)設(shè)置空調(diào)區(qū)域的機(jī)房，其寬度設(shè)置為：

機(jī)房寬度=空調(diào)末端區(qū)域?qū)挾?主搬運(yùn)通道+標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜列長(zhǎng)+次搬運(yùn)通道 （2）

當(dāng)機(jī)房設(shè)置單面空調(diào)區(qū)域時(shí)，機(jī)房寬度一般可以設(shè)置在17～20 m左右；設(shè)置雙側(cè)空調(diào)區(qū)域時(shí)，機(jī)房寬度必須加大，寬度修正為不低于20 m，以獲得更佳的出機(jī)柜率。

當(dāng)采用機(jī)柜級(jí)制冷方案時(shí)，可不考慮空調(diào)末端區(qū)域?qū)挾取?/p>

機(jī)房的長(zhǎng)度方向，與機(jī)柜列數(shù)方向平行時(shí)，長(zhǎng)度的決定因素是機(jī)柜深度和列間距。目前，較為通用的方式是將冷熱通道隔離。因此建議長(zhǎng)度應(yīng)盡量“機(jī)柜深度+冷通道列間距+熱通道間距”為單元模塊進(jìn)行規(guī)劃。

設(shè)機(jī)柜厚度為H，熱通道間距為R，冷通道間距為L(zhǎng)，機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置n列機(jī)柜時(shí)，建議機(jī)房的長(zhǎng)度設(shè)置為：

機(jī)房長(zhǎng)度=n×H+(n/2)×L+(n/2+1)×R (當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)) （3)

機(jī)房長(zhǎng)度=n×H+((n+1)/2)×L+((n+1)/2)×R (當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)) （4）

目前多數(shù)機(jī)房都考慮了機(jī)柜的冷熱通道隔離，采取了冷通道封閉或熱通道封閉等措施，因此在可能的條件下，機(jī)柜列數(shù)n以偶數(shù)為最佳（如n=6或8或10列等）。

3.2.2 機(jī)房面積規(guī)模的影響

一般情況下，主機(jī)房的面積越大，裝機(jī)率越高。目前影響機(jī)房模塊使用面積大小的主要決定因素，是消防氣滅系統(tǒng)對(duì)機(jī)房容積的要求。根據(jù)相關(guān)消防規(guī)范，每個(gè)氣滅防護(hù)分區(qū)總?cè)莘e率不能超過(guò)3 600 m3，因此在氣滅系統(tǒng)容許的范圍、合理層高情況下，加大機(jī)房使用面積，提高機(jī)房裝機(jī)能力。

如果兩個(gè)機(jī)房尺寸完全一致，機(jī)房長(zhǎng)度和寬度一致，但是其內(nèi)部機(jī)柜布局呈90°調(diào)整，即機(jī)房I機(jī)柜列平行于機(jī)房寬度布置，機(jī)房II機(jī)柜列平行于機(jī)房長(zhǎng)度布置，哪個(gè)機(jī)房的出機(jī)柜率更高呢?

圖3為機(jī)房I和機(jī)房II中的機(jī)柜布置圖。兩個(gè)機(jī)房尺寸相同，但是機(jī)柜布置方案不同，呈90°調(diào)整。機(jī)房I和機(jī)房II的機(jī)柜布置指標(biāo)見(jiàn)表1所示。

圖3 機(jī)房I和機(jī)房II機(jī)柜布置

表1 機(jī)房I和機(jī)房II機(jī)柜布置指標(biāo)表

由表1可知，機(jī)房I和機(jī)房II雖然面積相同，但其布置的機(jī)柜數(shù)量有一定差距，差距達(dá)8%左右。原因是因?yàn)闄C(jī)房II機(jī)柜標(biāo)準(zhǔn)列長(zhǎng)度較大，空調(diào)送風(fēng)距離長(zhǎng)，因此需要雙面送風(fēng)設(shè)置雙側(cè)空調(diào)區(qū)域；并且其機(jī)柜列的長(zhǎng)度超過(guò)15 m，根據(jù)規(guī)范要求，考慮維護(hù)和搬運(yùn)安全，需要將機(jī)柜列中設(shè)置中間搬運(yùn)通道，這樣機(jī)房II的輔助區(qū)域空間占比增大，機(jī)柜實(shí)際安裝面積減少。

由此可得出，通常情況下，主機(jī)房面積越大，機(jī)房出機(jī)架率越高；在相同機(jī)房面積情況下，機(jī)房長(zhǎng)度如與機(jī)柜標(biāo)準(zhǔn)列方向一致時(shí)，機(jī)房出機(jī)架率越高。

3.3 空調(diào)末端方式的影響

目前在機(jī)房中，常見(jiàn)的空調(diào)末端形式主要有：冷凍水型機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)、列間空調(diào)、熱管背板和水冷冷門(mén)方式等。這4種空調(diào)末端方式在機(jī)房?jī)?nèi)布置方式各具特色，冷凍水型機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)一般在機(jī)房設(shè)置一側(cè)或兩側(cè)設(shè)置空調(diào)末端布置區(qū)域；列間空調(diào)方式是在機(jī)柜列中布置空調(diào)末端機(jī)柜；而熱管或水冷冷門(mén)方式是將空調(diào)末端的制冷板掛在機(jī)柜后門(mén)處或前門(mén)處。本研究以某標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)房為基礎(chǔ)，考慮不同種空調(diào)末端方案時(shí)，主機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)柜布置情況?？紤]熱管和水冷冷門(mén)方式對(duì)機(jī)房布局影響一樣，因此本研究將其歸為同一類(lèi)情況分析。根據(jù)數(shù)據(jù)中心機(jī)柜功耗發(fā)展情況，本文以單機(jī)柜功耗為5～7 kW/架的主機(jī)房需求為研究對(duì)象。

圖4 不同空調(diào)末端方式時(shí)機(jī)柜布置圖

圖4 為相同機(jī)房、單機(jī)柜平均運(yùn)行功耗5 kW時(shí)3種不同空調(diào)末端形式下主機(jī)房機(jī)柜布置圖。

圖5是對(duì)上述相同機(jī)房尺寸不同空調(diào)末端方式時(shí)，機(jī)柜布置指標(biāo)分析圖。

可以發(fā)現(xiàn)，一般情況下，在出機(jī)柜率方面，柜式的熱管背板或水冷冷門(mén)末端方式優(yōu)于行間級(jí)的列間空調(diào)末端方式，房間級(jí)的冷凍水空調(diào)末端方式機(jī)柜使用面積最大。

3.4 機(jī)柜配電系統(tǒng)的影響

在主機(jī)房機(jī)柜布置中，配電機(jī)柜成為必不可少的要素，其在主機(jī)房占位因素，正逐步被大家關(guān)注。

目前數(shù)據(jù)中心服務(wù)器存儲(chǔ)設(shè)備等，多采用交流220 V供電，部分系統(tǒng)或設(shè)備采用直流-48 V供電。對(duì)于交流供電時(shí)，通常在每個(gè)機(jī)柜標(biāo)準(zhǔn)列內(nèi)設(shè)置一個(gè)配電柜（PDF），對(duì)于-48 V直流供電時(shí)，考慮壓降因素等，通常需要在每個(gè)機(jī)柜標(biāo)準(zhǔn)列內(nèi)設(shè)置多個(gè)配電柜，列頭柜、列中柜和列尾柜等。根據(jù)工程統(tǒng)計(jì)，交流供電時(shí)，配電列頭柜一般占機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)位5%～7%；而直流供電時(shí)，配電柜一般占位超過(guò)10%。

因此，配電柜的設(shè)置，對(duì)主機(jī)房機(jī)柜布置和出機(jī)架率，有非常重要的影響。

圖5 不同空調(diào)末端方式時(shí)機(jī)柜布置指標(biāo)分析圖

4 提高主機(jī)房機(jī)柜布置率的措施

通過(guò)上述分析，為提高主機(jī)房機(jī)柜布置率，降低主機(jī)房機(jī)柜使用面積，可以采用如下措施進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 機(jī)柜尺寸標(biāo)準(zhǔn)化

機(jī)柜尺寸直接影響到機(jī)房的列間距確定和機(jī)房寬度進(jìn)深設(shè)置。機(jī)柜尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化，有利于機(jī)柜列間距標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)房布局標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)機(jī)房運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)化、流程化有重要意義。

對(duì)于特殊尺寸的機(jī)柜，在不影響相同功能情況下，建議在機(jī)房模塊內(nèi)單獨(dú)設(shè)列，該列的維護(hù)間距特殊考慮。或者特殊尺寸機(jī)柜單獨(dú)設(shè)置在機(jī)房空間。

4.2 機(jī)房布局合理

機(jī)房面積設(shè)置時(shí)，應(yīng)滿足消防要求、機(jī)房功能定位需求，并綜合考慮其供電制冷系統(tǒng)能力基礎(chǔ)上，設(shè)置最大機(jī)房模塊面積。

機(jī)房應(yīng)優(yōu)選矩型形狀，其寬度和長(zhǎng)度應(yīng)合理安排，建議機(jī)房寬度與機(jī)柜標(biāo)準(zhǔn)列長(zhǎng)平行，依據(jù)空調(diào)末端方式確定，不宜過(guò)長(zhǎng)。機(jī)房長(zhǎng)度方向的設(shè)置以滿足相關(guān)要求和功能需求的最大值為宜。

4.3 優(yōu)先選擇柜級(jí)制冷的空調(diào)末端方案

在機(jī)房長(zhǎng)寬確定情況下，機(jī)柜級(jí)制冷方案——熱管或水冷冷門(mén)方式情況下的主機(jī)房單機(jī)柜綜合使用面積最??；冷凍水型機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)方式情況下主機(jī)房單機(jī)柜綜合使用面積最大，因?yàn)榇藭r(shí)需要設(shè)置一個(gè)空調(diào)末端專(zhuān)用區(qū)域，需要考慮空調(diào)設(shè)備的安裝及檢修等空間等。本研究案例分析得出，機(jī)柜級(jí)制冷方案時(shí)主機(jī)房出機(jī)柜率比房間級(jí)的空調(diào)方式下布局提升約20%。

通常，當(dāng)IT單機(jī)柜運(yùn)行功耗越大，主機(jī)房單機(jī)柜綜合使用面積取值應(yīng)隨之增加，但采用機(jī)柜級(jí)制冷方案時(shí)，主機(jī)房單機(jī)柜綜合使用面積基本不變。因此建議在滿足機(jī)房制冷需求，基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)能力可行時(shí)，應(yīng)優(yōu)選機(jī)柜級(jí)制冷的空調(diào)末端方案，提高機(jī)房的出機(jī)柜率，獲得較好的主機(jī)房制冷效率。

4.4 采用機(jī)架母線供電方案

為提升主機(jī)房出機(jī)架率，機(jī)架配電母線方式已在部分新建數(shù)據(jù)中心中推廣采用。

機(jī)架母線配電方式，是采用“始端箱+母線槽+終端箱”供電方式，以替代現(xiàn)在常用的精密列頭柜及其輸出電纜。機(jī)架配線母線方式，可以機(jī)架列為單元靈活調(diào)配單個(gè)機(jī)架用電功率，顯著節(jié)省列頭柜占地、降低建設(shè)成本。采用機(jī)架母線配電方式，主機(jī)架出機(jī)架率將提升5%～10%。圖6為機(jī)架母線配電方式的布置示意圖。

圖6 機(jī)架母線配電方式布置示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

提高主機(jī)房的出機(jī)柜率，降低主機(jī)房單機(jī)柜使用面積指標(biāo)，一直是IDC業(yè)內(nèi)人士能力的目標(biāo)，是機(jī)柜提供商利潤(rùn)的重要來(lái)源之一。

[1] Luiz Andr Barroso，Jimmy Clidaras，Urs H lzle. 數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)實(shí)戰(zhàn)[M].陳實(shí)，等，譯.北京：人民郵電出版社，2014.

[2] 張廣明，陳冰，張彥和.數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)與建設(shè)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

Research on the crack layout of the data center

SUN Li-mei
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

On the basis of many projects,this paper studies and analyzes the key factors of thecrack layout, such as the equipment room layout, air conditioning system, maintenance and operation, and others. This paper puts for word the key factors and solutions to improve the crack number of data center.

data center; equipment room; the crack layout; air conditioning system

TN915

A

1008-5599（2017）01-0006-05

2016-08-25