數(shù)據(jù)中心建筑設計探究

李 峰 中通服咨詢設計研究院有限公司中級建筑師

隨著5G 時代的到來，數(shù)據(jù)業(yè)務逐漸呈現(xiàn)出大帶寬、大容量、低延時、大連接等特點。數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)業(yè)務的載體，隨著新興技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的建筑模式開始引起數(shù)據(jù)中心設計人員及運營人員的關注。

1 數(shù)據(jù)中心的內(nèi)涵及設計特點

數(shù)據(jù)中心主要用于存放IT 設備，伴隨IT設備的不斷演進，數(shù)據(jù)中心建筑設計也在不斷發(fā)生著變化，數(shù)據(jù)中心的電力、供冷需求和空間尺寸也在不斷改變。伴隨信息產(chǎn)業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的建設規(guī)模逐漸擴大。除了互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、通信運營商以外，政府機關、大型企業(yè)、銀行等都離不開數(shù)據(jù)中心。它以成為現(xiàn)今社會不可或缺的建筑類型。

數(shù)據(jù)中心的使用周期大約是50 年，在建成之后，隨著IT 設備的需求變化，它的空間組合、設備配套形式以及結構等可能會無法滿足IT 設備的需求，哪怕只進行局部改造，也會耗費大量的資金[1]（見圖1）。

圖1 數(shù)據(jù)中心空間設計

2 數(shù)據(jù)中心建筑與傳統(tǒng)建筑在設計理念與方法方面的差異

傳統(tǒng)建筑能夠為人們的活動遮風擋雨，起到防火、防盜、屏蔽外力侵害的作用，服務的主體是人；數(shù)據(jù)中心建筑也可以提供這些功能，但服務主體是互聯(lián)網(wǎng)服務的機柜。如果在設計中忽視這一點，會多走很多彎路。

在某數(shù)據(jù)中心建筑設計中，該地塊位于十字路口的一角，出于對城市景觀的考慮，把機房樓設置為兩頭尖的梭形。此種規(guī)劃比較符合使用需要，但隨著后續(xù)的不斷發(fā)展，發(fā)現(xiàn)尖角空間作為機房的使用率非常低。在數(shù)據(jù)中心建筑設計中，需要遵循“以服務器為本、以工藝要求為主導”的原則。

與傳統(tǒng)建筑設計中的牽頭部門不同，數(shù)據(jù)中心的建筑設計則是雙龍頭專業(yè)，即建筑專業(yè)與工藝設計專業(yè)，前者對工藝要求的相關土建標準不夠熟悉，需要得到后者的支持，后者對建筑規(guī)范不夠了解，需要借助前者的專業(yè)知識確保方案落地。

3 數(shù)據(jù)中心的分類與等級

數(shù)據(jù)中心可以分為自用型與出租型，它們在功率、密度以及連鎖反應等方面存在差異。

出租型數(shù)據(jù)中心主要面向不需要自建機房的中小客戶，其數(shù)據(jù)量是有限的，通常租幾個機柜或者是機柜中的幾臺機器即可，對于這類機房來說，對安全等級的要求也比較低。因此，其配套的供電系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)要求都會下降，反映在建筑設計方面，即主機房的“得房率”要略高于配套機房，對一些高保障性的構筑物需要較少，比如蓄冷機房、排煙設備、柴油發(fā)電機房等。

自用型機房與之相反，通常業(yè)主都是一些比較有實力的大企業(yè)。自用型機房密度的提高對保障系統(tǒng)提出了更高的要求：發(fā)熱量更高，所以對冷卻能力有著更高的要求，對供電能力要求也比較高。因為具有自用的特點，業(yè)主對此類機房的節(jié)能效果有著非常高的要求。

受這些因素的影響，自用型機房的占比更高，對數(shù)據(jù)中心建筑設計的綜合布線和一體化橋架提出了更高的要求。按照數(shù)據(jù)中心機房等級的不同，不同工藝提供方是不同的，但是業(yè)內(nèi)主要利用ASNI 標準統(tǒng)一劃分數(shù)據(jù)中心建筑的等級，將其分成4 個等級，即T1、T2、T3、T4。國內(nèi)數(shù)據(jù)中心機房的等級主要是T3、T4，由于T4 的成本比較高，所以衍生出了T3+的標準[2]。

4 數(shù)據(jù)中心建筑設計的要點

在數(shù)據(jù)中心的設計建造中，需要耗費大量的資源。隨著時代的不斷發(fā)展，低碳、環(huán)保的數(shù)據(jù)中心建設受到越來越多的關注，因此在工程建設的前期規(guī)劃階段，應當把綠色、環(huán)保放在首要位置，分別從設計階段、施工階段和運營階段逐層落實，更好地實現(xiàn)建筑目標。數(shù)據(jù)中心建設工程較為復雜，一方面需要滿足建筑使用功能，另一方面要按照項目特點展開綜合的工藝設計、結構設計、機電設計等工作，提升該建筑設計的合理性、可靠性、靈活性與安全性，整體提升運維管理水平。

4.1 數(shù)據(jù)中心建筑空間的組合

4.1.1 功能和空間組成

目前，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)歷了4 個發(fā)展階段：第1 階段是大型計算機；第2 階段是小型機和PC 服務器；第3 階段是互聯(lián)網(wǎng)與寬帶；第4 階段是高密度云計算平臺。但是，其功能空間并未發(fā)生較大變化，空間組成主要包括公共用房、數(shù)據(jù)機房和基礎配套設備等。

4.1.2 空間組合特點

在數(shù)據(jù)中心建筑中，各個機房空間不具備嚴格的流線標準，各個機房通過各類工藝孔洞實現(xiàn)互相溝通和聯(lián)系。項目建筑的基礎設備布置中，為了便于布置管線，常采取集中設置管線的方式，因此應結合氣體消防分區(qū)的標準設置氣體消防氣瓶?？照{(diào)風柜房以及電池電力室應采取分組布置，其余的空間要依據(jù)人流和機柜的進出情況進行設計。

數(shù)據(jù)中心是逐步投入裝機運營的，因此在空間組合工作中，應采取模塊化配置的方式合理設置通信機房、空調(diào)風柜房和電池電力室。各個機房模塊中包含了很多不同類型的機房，整個機房按照不同的模塊逐漸投入使用。

按照不同的溫度，可以將數(shù)據(jù)中心分成冷空間、暖空間以及熱空間。其中，冷空間主要包括交換機房、數(shù)據(jù)機房、電池電力室及傳輸機房等，具有恒溫供冷的特點；暖空間主要包括公共空間、未投入使用的機房等；熱空間主要包括高低壓變配電房、空調(diào)制冷機房及自備發(fā)電機房等，該空間不設置空調(diào)，但設備會少量發(fā)熱。為了減輕冷熱空間上下和左右的冷凝結露，需要從空間組合方面避免冷空間和熱空間相鄰，如果不能避免冷熱空間相鄰，必須采取相應的保溫措施。

4.1.3 數(shù)據(jù)中心層高

數(shù)據(jù)中心層高的影響因素非常多，具體包括空調(diào)風管高度、橋架高度、走線架高度、結構高度和消防管線高度等。在使用過程中，消防管線高度、結構高度、架空地板高度和空調(diào)風管高度通常是保持不變的，但是隨著IT設備的更新?lián)Q代，機架高度與走線架高度會發(fā)生相應的改變。

數(shù)據(jù)中心建筑的層高是提升機房空間對IT 設備適應性的關鍵指標，但是層高并非項目建筑成本控制的敏感指標，在實際設計中通常要留有一定的冗余，層高通常大于5.4 m。

4.2 數(shù)據(jù)中心造型和外墻構造方法的確定

數(shù)據(jù)中心建筑的機房空間是一個恒溫、恒濕的空間，因此對于項目外墻來說，保溫是首要的標準。在選擇建筑外墻與造型材料時，不可以將窗的面積設計得過大，同時還要科學設計外墻保溫結構。

南方地區(qū)氣候濕熱，降雨較多，對于在南方地區(qū)建設的數(shù)據(jù)中心建筑，由于長時間遭受室外溫差的影響，外墻很容易出現(xiàn)裂縫，如果遇到暴雨天氣，雨水可能會順著裂縫進入機房，影響數(shù)據(jù)中心的運行安全。因此在設計時應盡量使用幕墻類的外墻材料，使幕墻外飾面和基層的墻體之間保持10 ～15 cm 的距離，就算雨水滲進外墻也無法進入機房[3]。

4.3 合理選擇數(shù)據(jù)中心的結構和建筑設備

4.3.1 數(shù)據(jù)中心的結構

一般情況下，IT 設備更新?lián)Q代的時間大概在5 ～10 年。結合當前數(shù)據(jù)設備的發(fā)展趨勢，IT 設備的重量會不斷增加，在實際設計期間，應適當提升機房樓面等效均布活荷載。為有效提升數(shù)據(jù)中心對于未來數(shù)據(jù)設備的適應能力，在通信數(shù)據(jù)中心的結構設計中，需要提高樓面等效均布活荷載的數(shù)值。

4.3.2 空調(diào)系統(tǒng)

隨著IT 設備的不斷更新，空調(diào)系統(tǒng)的設計也在不斷優(yōu)化，當前常用的空調(diào)制冷系統(tǒng)主要可以分為3 種，分別是集中水冷制冷系統(tǒng)、集中風冷制冷系統(tǒng)和分散式制冷系統(tǒng)。隨著大規(guī)模、高發(fā)熱量數(shù)據(jù)中心的建設與發(fā)展，集中水冷制冷系統(tǒng)的應用越來越廣泛。在空調(diào)的送風形式方面，先冷機房后冷設備的送風方式已經(jīng)不再適用，逐漸被機架內(nèi)設冷通道以及分設冷熱通道的送風方式取代，其中，機架內(nèi)設冷通道方式的送風效率更高。

4.3.3 電源

數(shù)據(jù)中心建筑的電源工程包含許多內(nèi)容，包括備用電源、外電引入、高低壓變配電等，在電源的穩(wěn)定性方面具有非常高的要求。外電引入需要有兩個穩(wěn)定的獨立電源，分別引入兩路10 kV 供電線路。同時，還要精心設計柴油發(fā)電機的備用電源，5 kW 的數(shù)據(jù)中心耗電量大概是1 kW/m2，約是普通辦公樓的10 倍。

大型數(shù)據(jù)中心建筑的用電量在超過40 MVA時，地塊應當預留專用的變電站，同時使用110 kV 電壓或者更高的電壓進行供電，為每個110 kV 變電站預留3 100 m2的建設用地。此外，外電容量也是大型數(shù)據(jù)中心建筑設計規(guī)模的重要影響因素，在制定大型數(shù)據(jù)中心建筑的詳細建設規(guī)劃時，需要做好供電規(guī)劃工作。

4.4 平面交通流線的優(yōu)化設計

針對那些規(guī)模超過3 000 個標準機架的單體數(shù)據(jù)中心，必須保證機房平面交通流線的便捷，為室內(nèi)各類管線提供充足的承載空間。在機房平面交通空間設計方面，常采用回字形布局和工字形布局。例如，在3 600 m2的標準層設計中，工字型形的交通平面設計需要注意以下幾點。第一，連接兩大消防分區(qū)4 個主機房空間和4 個安全疏散樓梯，保證安全的前提下最大限度地利用走道空間[4]。第二，走道的設計便于各類管線在未穿越機房的狀態(tài)下保證貫通，更好地保障機房的內(nèi)部安全。第三，確保安全疏散通道與逃生通道連接標準層的各個功能房，保證室內(nèi)走廊任意一點到達出口的距離滿足國家的有關標準，盡量縮短疏散的距離，保證走道沒有疏散死角。第四，電池室、空調(diào)風柜室、電力室以及主機房等都需要設置一個面向走道的獨立出入口，便于實現(xiàn)對機房的分級、分區(qū)管理，更好地滿足高端租戶的使用需要。

4.5 柴油發(fā)電機的優(yōu)化設計

為了給數(shù)據(jù)中心提供穩(wěn)定的電力保障，在項目建筑中，需要給柴油發(fā)電機房預留一定的功能空間，在確定建設規(guī)模之后，功能空間的大小也會引起出架率的變化。例如，對于一棟自帶基礎設施可以自行生產(chǎn)運營的大型數(shù)據(jù)中心，采用的分區(qū)規(guī)劃方式為室外集裝箱油機和首層室內(nèi)柴油發(fā)電機房兩種，首層建筑沿著建筑的短邊分別設置了8 臺0.4 kV 的低壓發(fā)電機，室外對應位置處設置了6 臺0.4 kV 的低壓發(fā)電機。

低壓發(fā)電機的布置原則如下。第一，在本次設計中，將柴油發(fā)電機安裝在數(shù)據(jù)中心建筑中，沒有使用室外柴油發(fā)電機布置的計劃，從場地規(guī)劃的角度來看，可以減小構筑物的占地面積，降低建筑的密度，減少建筑數(shù)量。第二，首層和室外分別設置了柴油發(fā)電機，能夠突破首層柴油發(fā)電機過多占用室內(nèi)空間的問題，給其余的設備預留更多的功能空間。第三，上下各設置了低壓柴油發(fā)電機組，遵循節(jié)約母線長度、就近供電的基本原則，首層的8 臺柴油發(fā)電機為1 ～3 層提供用電保障，屋面設置的6 臺柴油發(fā)電機為4 ～6 層提供用電保障，在供電規(guī)劃方面能夠降低損耗，節(jié)省運維的成本[5]。

綜上所述，數(shù)據(jù)中心的設計需要綜合考慮各類設計影響因素，在綜合權衡利弊后設計合理的方案，滿足不同業(yè)主的多元化需求。此外，數(shù)據(jù)中心設計的關鍵點不是一成不變的，需要業(yè)主、設計師和運維工作人員的相互配合，充分發(fā)揮出建筑設計師在數(shù)據(jù)中心建筑設計中的協(xié)調(diào)能力。

5 結語

隨著信息產(chǎn)業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的建設規(guī)模逐漸擴大，數(shù)據(jù)中心的建筑設計受到越來越多的關注。數(shù)據(jù)中心設計人員應當充分了解數(shù)據(jù)中心的需求特點，準確把握數(shù)據(jù)中心設計環(huán)節(jié)中需要重點關注與配合的問題，保證數(shù)據(jù)中心設計的質(zhì)量與效率，以更好地滿足業(yè)務需求。