數(shù)據(jù)中心輔助系統(tǒng)分析

黃 平

（山西信息規(guī)劃設(shè)計院有限公司，山西 太原 030012）

現(xiàn)階段，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)成為新基建的重要組成部分，如何建設(shè)一個高效，節(jié)能、綠色、環(huán)保的數(shù)據(jù)中心是行業(yè)研究的關(guān)鍵課題，為使數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵設(shè)備安全穩(wěn)定運行，需要大量的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的建設(shè)。

1 數(shù)據(jù)中心的組成

數(shù)據(jù)中心的組成包括大型場地及安全可靠的機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施，安全高速的內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，完善的監(jiān)控支持手段和維護(hù)隊伍，保證滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的主機(jī)存放環(huán)境。

數(shù)據(jù)中心從整體上由5個部分組成，分別是機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、資源子系統(tǒng)、業(yè)務(wù)子系統(tǒng)和管理子系統(tǒng)。其中，基礎(chǔ)設(shè)施子系統(tǒng)包括機(jī)房土建部分、供電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、布線、機(jī)柜等機(jī)房工藝等輔助系統(tǒng)，此部分是完成搭建數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)框架的過程。本論文從機(jī)房土建完成后的輔助系統(tǒng)，尤其是機(jī)房工藝建設(shè)方面分析機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方式。

2 供電系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心供電部分由外市電、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)及機(jī)房電源組成，國內(nèi)對機(jī)房設(shè)備供電電源主流的技術(shù)分兩種，一種為采用UPS設(shè)備為設(shè)備提供交流供電，另一種為采用高壓直流設(shè)備為設(shè)備提供高壓直流供電。

供電系統(tǒng)的設(shè)備配置成為數(shù)據(jù)中心機(jī)房等級確定的關(guān)鍵因素。如：對應(yīng)國標(biāo)A/B/C等級相應(yīng)的外市電、變配電、機(jī)房電源的配置從“2N、N+1、N”依次降低配置。發(fā)電機(jī)系統(tǒng)相應(yīng)的從“N+X（X=1～N）、N+1、可不配”依次降低配置。在規(guī)劃數(shù)據(jù)中心時可根據(jù)用戶需求按照不同標(biāo)準(zhǔn)配置不同要求的供電設(shè)備。

3 制冷系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷系統(tǒng)主流的有風(fēng)冷冷風(fēng)式、風(fēng)冷冷水式，水冷冷水式，還有蒸發(fā)冷卻制冷等多種種類，分別對應(yīng)著不同的應(yīng)用場景和技術(shù)成熟階段，根據(jù)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模，數(shù)據(jù)中心所處區(qū)域的用電用水條件和費用、自然氣候條件、空氣潔凈程度進(jìn)行相應(yīng)的取舍，從綜合投資運行效率、PUE值、耗水量、室外機(jī)、冷卻塔占地面積等方面選擇適合項目需求的空調(diào)制冷方式尤為重要。對應(yīng)國標(biāo)A/B/C空調(diào)系統(tǒng)在不同建設(shè)等級中的配置特點為：

A類標(biāo)準(zhǔn)空調(diào)設(shè)備按N+X（X=1～N）冗余配置，管網(wǎng)閥門系統(tǒng)為兩路由或者環(huán)網(wǎng)，蓄冷裝置不間斷電源供電。

B類標(biāo)準(zhǔn)空調(diào)設(shè)備按N+1冗余配置，管網(wǎng)閥門系統(tǒng)減少為一路。

C類標(biāo)準(zhǔn)空調(diào)設(shè)備按N配置。

4 數(shù)據(jù)中心的機(jī)房工藝

數(shù)據(jù)中心的機(jī)房工藝包括機(jī)房內(nèi)的服務(wù)器機(jī)柜、密閉通道、走線架槽、孔洞、防靜電地板、布線等部分的部署。根據(jù)當(dāng)前市場IDC機(jī)柜功率需求統(tǒng)計，數(shù)據(jù)中心機(jī)柜功率密度大致可分成以下三個級別：

⊙標(biāo)準(zhǔn)功率密度：單機(jī)柜3-4 kW。

⊙中功率密度：單機(jī)柜6 kW。

⊙高功率密度：單機(jī)柜8 kW以上。

具體建設(shè)項目中可根據(jù)客戶需求確定功率級別。

數(shù)據(jù)機(jī)房的空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)方式分為房間級空調(diào)送風(fēng)與機(jī)柜近端送風(fēng)兩種方式，按機(jī)房空調(diào)送風(fēng)方式及氣流組織方式不同數(shù)據(jù)機(jī)房有以下幾個主要的工藝布局方式：

（1）標(biāo)準(zhǔn)功率密度機(jī)房普遍適用房間級空調(diào)的送風(fēng)方式，包括風(fēng)帽上送風(fēng)、風(fēng)管送風(fēng)、地板下送風(fēng)等。最常用的是地板下送風(fēng)方式。

（2）中功率密度機(jī)房普遍采用房間級空調(diào)+密閉冷/熱通道方式或微模塊方式為設(shè)備制冷。

（3）高功率密度場景可采用液冷、冷板制冷等方式制冷。

數(shù)據(jù)機(jī)房布局工藝對節(jié)能管理的影響也是尤為重要的，通過設(shè)置合理的機(jī)房機(jī)柜布局形式，優(yōu)化機(jī)柜布置間距和空調(diào)位置，構(gòu)建清晰的送風(fēng)和回風(fēng)路徑，確保氣流組織的順暢合理，減少空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)阻力，避免熱氣流集聚，進(jìn)而通過提升空調(diào)回風(fēng)溫度，達(dá)到改善其制冷性能，節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)能耗的目的。

通過設(shè)計合理的氣流隔離裝置，減少冷熱氣流混合，保證冷氣流的高效利用和合理分配，進(jìn)而達(dá)到提升空調(diào)制冷利用效率，節(jié)省其能耗的目的。無論數(shù)據(jù)機(jī)房采用哪種送風(fēng)方式及氣流組織方式，都應(yīng)結(jié)合功率密度考慮并滿足數(shù)據(jù)中心建設(shè)的相關(guān)規(guī)范要求，以下詳細(xì)介紹了具體的機(jī)房制冷布局方式。

4.1 房間級空調(diào)送風(fēng)方式分析

房間級空調(diào)送風(fēng)方式應(yīng)用較為廣泛的是地板下送風(fēng)方式，因為風(fēng)帽上送風(fēng)方式制冷效率低，存在明顯的熱冷空氣相遇短路現(xiàn)象，比較適合于小型數(shù)據(jù)中心機(jī)房、熱密度較低場合。風(fēng)管上送風(fēng)的送風(fēng)距離可以做得很長，但隨著服務(wù)器數(shù)量與密度的提高，存在制冷效率低、噪聲高、垂直空間占用大、影響美觀等問題。下面是房間級空調(diào)在數(shù)據(jù)機(jī)房的幾個應(yīng)用場景分析。

房間級空調(diào)+機(jī)房下送風(fēng)方式氣流組織如圖1所示：

圖1 下送風(fēng)方式

如圖1所示，綠色箭頭為空調(diào)送風(fēng)方向，紅色箭頭為機(jī)房熱風(fēng)的回風(fēng)方向，此方式機(jī)房機(jī)柜為下進(jìn)風(fēng)機(jī)柜，下進(jìn)風(fēng)機(jī)柜為半封閉式、下方底板上的可調(diào)送風(fēng)擋板構(gòu)建機(jī)柜前部密閉的“冷池”，通過合理控制擋板開合度，確保機(jī)柜內(nèi)設(shè)備熱耗量與供給冷量的精確匹配，從而實現(xiàn)冷氣流的高效利用，機(jī)房鋪設(shè)防靜電地板并密封，地板下成為一個靜壓箱，空調(diào)吹出冷風(fēng)通過地板下送至各機(jī)柜底板前部的可調(diào)送風(fēng)口，冷風(fēng)從機(jī)柜前部流向后部對設(shè)備進(jìn)行制冷，最終將熱風(fēng)從機(jī)柜后部的網(wǎng)眼門排出，形成一個完整的氣流循環(huán)，防止了氣流短路，是標(biāo)準(zhǔn)功率密度機(jī)房制冷效率較高，性價比較高，安裝簡單、安裝整潔、較為節(jié)能、美觀的一種實現(xiàn)方式。

需要提出的是，如果在施工過程中地板下方同時用于光電纜走線的話，容易出現(xiàn)地板下走線擁堵，送風(fēng)不暢的問題，這樣會使得空調(diào)氣流受阻，耗能增加。同時地板下走線不利于維護(hù)，無法直觀判斷線纜故障和蟲咬、火災(zāi)等故障，解決方式是光電纜走線采用走線架上走線方式，地板下僅用來送風(fēng)，兼顧高效制冷和走線便于擴(kuò)容維護(hù)的優(yōu)點。

4.2 房間級空調(diào)+密閉冷通道布局方式

圖2 冷通道方式

數(shù)據(jù)機(jī)房的機(jī)柜部署方式宜采用“背靠背、面對面”方式擺放，這樣在兩排機(jī)柜的正面組成的通道中間形成一個冷空氣區(qū)——“冷通道”，采用鋁型材框+附膜鋼化玻璃的形式將冷通道密封起來，通過通風(fēng)地板將冷空氣排放至封閉的冷通道中形成冷池，冷空氣通過機(jī)柜前門的通風(fēng)門流過服務(wù)器等設(shè)備，對設(shè)備降溫后形成熱風(fēng)，通過機(jī)柜后門（通風(fēng)門）排放到機(jī)柜背面中的“熱通道”中，熱風(fēng)上升通過回風(fēng)口回到空調(diào)系統(tǒng)，使整個機(jī)房氣流組織通暢，提高了機(jī)房制冷效果。

通道為單元模塊式設(shè)計，相對的兩臺機(jī)柜占用1個單元，列頭與列尾間分別設(shè)置一對活動門遏制冷空氣流有效地進(jìn)入設(shè)備。

封閉熱通道是封閉機(jī)柜背面熱通道，其他和冷通道同理，兩種封閉方案均是將冷熱通道進(jìn)行隔離，使冷熱通道分開，隔絕了冷熱氣流混合，充分利用冷氣流，提高了冷氣流有效利用率，減少了壓縮機(jī)的工作時間，有利于節(jié)省制冷系統(tǒng)能耗。

4.3 微模塊布局方式

圖3 微模塊方式

微模塊布局方式其實就是機(jī)柜近距離送風(fēng)（列間空調(diào)）+密閉冷/熱通道方式，此方式適合于中高功率密度場景，將空調(diào)（如圖3中AC）直接部署于機(jī)列內(nèi)，實現(xiàn)近距離精確制冷，列間空調(diào)前部吹出的冷風(fēng)送至面對面機(jī)柜間的密閉冷通道內(nèi)形成冷池，通過機(jī)柜前門的網(wǎng)眼門冷空氣流經(jīng)設(shè)備降溫后形成的熱空氣，排放到“熱通道”中，通過空調(diào)背部布置的回風(fēng)口回到空調(diào)系統(tǒng)。此方式通過列間空調(diào)直接近距離排出冷氣實現(xiàn)精確制冷，可以充分利用冷源，提高制冷效率，防止出現(xiàn)局部熱點。這時機(jī)房的防靜電地板下僅用來走列間空調(diào)管道，和設(shè)備機(jī)柜同列敷設(shè)需注意空調(diào)的防水處理，避免影響設(shè)備正常運行。

4.4 高功率密度場景采用液冷、冷板制冷等方式

液體制冷技術(shù)應(yīng)用于高功率場景，具備較高的制冷效率，并可以節(jié)省機(jī)房面積，是近年來快速發(fā)展的新興制冷技術(shù)，具有很好的前景，需要和服務(wù)器配合應(yīng)用，現(xiàn)階段在國外個別數(shù)據(jù)中心已開始有應(yīng)用。數(shù)據(jù)中心液體制冷技術(shù)按照制冷方式可以分為兩大類：

（1）浸泡式制冷：把服務(wù)器直接浸泡進(jìn)制冷液體中，通過液體流動達(dá)到熱量快速傳遞的效果。

（2）冷板接觸式制冷：制冷液體密封在板型導(dǎo)熱片內(nèi)，不直接同服務(wù)器接觸，導(dǎo)熱片與服務(wù)器發(fā)熱芯片直接接觸，通過熱量傳導(dǎo)的原理把芯片的熱量快速傳遞走。

上面兩種制冷方式各有特點和優(yōu)勢。首先，相比冷板式制冷方式，浸泡式制冷除了具有制冷效果更高的優(yōu)勢外，還不需要冷板及管路安裝的復(fù)雜過程，服務(wù)器安裝的過程相對要容易得多；同時浸泡式制冷方式不增加服務(wù)器的體積，浸泡技術(shù)重新組裝服務(wù)器配件，不需要服務(wù)器內(nèi)部的風(fēng)扇及風(fēng)扇電源等配件，使得服務(wù)器的制造成本能夠降低，所有留給風(fēng)扇散熱的空間都可以取消，這樣就可以極大地節(jié)省空間；浸泡式制冷對服務(wù)器內(nèi)部硬件具有防塵、防空氣中腐蝕氣體侵蝕等優(yōu)勢。

對比浸泡式制冷方式，冷板式接觸式液體制冷有下述優(yōu)勢：由于只是換熱板內(nèi)充滿制冷液體，服務(wù)器內(nèi)部空間不需要注滿液體，因此機(jī)柜整體的重量會輕很多；不像浸泡式制冷那樣必須采用固態(tài)硬盤，冷板式液體制冷可以使用普通的硬盤，在服務(wù)器成本上會低一些。

5 結(jié)束語

現(xiàn)階段，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)方興未艾，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部關(guān)鍵設(shè)備的安全穩(wěn)定運行，需要大量的輔助系統(tǒng)，包括不間斷電力供給、制冷供給、機(jī)房工藝及安全監(jiān)控系統(tǒng)等，缺一不可，根據(jù)各個數(shù)據(jù)中心具體需求和特點選擇適合自己的輔助系統(tǒng)尤為重要。也成為決定了數(shù)據(jù)中心的高效節(jié)能的關(guān)鍵點。