數(shù)據中心設計中存在的問題及對策

宋嘉

中通服咨詢設計研究院有限公司 江蘇 南京 210000

引言

數(shù)據是21世紀全球的基礎性戰(zhàn)略資源。2015年，黨的十八屆五中全會提出“實施國家大數(shù)據戰(zhàn)略”，全面推進大數(shù)據產業(yè)發(fā)展，加快建設數(shù)字中國工程。當前，全球新一代信息產業(yè)處于加速變革期，大數(shù)據技術和應用處于創(chuàng)新突破期，我國大數(shù)據產業(yè)面臨關鍵性的發(fā)展機遇。與大數(shù)據產業(yè)配套的數(shù)據中心的建設越來越受到全社會的重點關注。

1 數(shù)據中心設計的概念

數(shù)據中心即互聯(lián)網數(shù)據中心（Internet Data Center）簡稱IDC。是通過互聯(lián)網通信線路、帶寬資源，建立標準化的專業(yè)級機房環(huán)境，可為政府和企事業(yè)單位提供安全、可靠、快速、全面的數(shù)據存放、服務器托管、租賃以及相關增值等方面的全方位服務的一類新型的公共建筑。數(shù)據中心設計配合專業(yè)包括：建筑（含機房工藝平面）、結構、給排水（含園區(qū)綜合管網）、建筑電氣、建筑暖通、變配電、電源及UPS、智能化（含傳輸）、機房精密空調、柴油發(fā)電機（含室外油罐）、造價、室外工程及景觀、機房裝飾、綠色建筑、海綿城市、人防工程、BIM等，相較傳統(tǒng)民用建筑設計數(shù)據中心設計周期安排更緊密，參與的專業(yè)多，團隊人員多，專業(yè)協(xié)調難，設計和施工過程中變更頻繁，設計工作千頭萬緒，某一個環(huán)節(jié)出了問題，都會造成較大的經濟損失[1]。

2 我國數(shù)據中心設計存在的問題

2.1 數(shù)據中心設計方案的合理性

數(shù)據中心設計受到的制約較一般民用建筑多，成功的數(shù)據中心設計往往需要做大量的技術比選工作。目前，很多數(shù)據中心的設計存在諸多可優(yōu)化之處，產生這樣問題的主要原因可以歸納為以下3點。

首先，外部接入條件的不確定性。數(shù)據中心是一種極其依賴外部接入條件的建筑類型，這些條件主要包括：能耗指標、電力資源、水資源、通信網絡資源等。項目是否能順利拿到發(fā)改委的能耗指標、能拿到多少、能耗指標和用地規(guī)模與建筑規(guī)模是否匹配；項目建成后能否如期接入雙路市電、市電的容量能否滿足建設規(guī)模、項目能否建設110-220kV變電站；項目周邊是否能提供環(huán)狀供水管網、水量是否滿足暖通專業(yè)的需求、項目建設用地是否存在洪澇風險；項目周邊通信網絡接入條件如何、是否有專線接入、網絡速度如何等。上述是極其重要的社會資源，其中的任何一種都能夠決定數(shù)據中心設計的成敗，且具有最不確定的因素，當以上四種資源做到最優(yōu)配置，數(shù)據中心設計就完備的外部接入條件。

其次，項目前期對數(shù)據中心設計研究工作不充分。數(shù)據中心投資大，建設周期緊，項目建議書和可行性研究報告的重要性毋庸置疑。為了項目能夠保證盡快獲批建設，咨詢專業(yè)偏重于對項目建設的必要性、重要性等政策層面的研究，但是對資金來源、投資回收期、潛在客戶、技術架構等核心問題研究不充分且缺乏詳細的數(shù)據支撐，對建設方案的比選也較少，很多項目的實施方案與項目建議書和可研的方案相比，要做出較大的調整，甚至發(fā)生過推翻可研設計方案、項目建成后運營能力和技術先進性未達到設計預期的情況，給建設單位造成了無可挽回的經濟損失。

第三，標準化平面不能因地制宜。以互聯(lián)網頭部企業(yè)為先導開始推廣標準化平面。一方面，標準化平面讓繁雜的數(shù)據中心設計變得簡單且有章可循；另一方面，標準化平面將設計、施工和采購的顆粒度細化，真正做到了建設成本可控。由于我國國土面積廣大，數(shù)據中心分布較廣，受建設用地范圍、場地高差、氣候溫度、規(guī)劃設計條件和要求、接入條件等眾多外部因素影響，機械的使用標準化平面常常設計變得并不標準，數(shù)據中心或多或少會突破標準化框架形成符合自身特點的設計。這種情況集中反映在數(shù)據中心空調系統(tǒng)的選用上，我國缺水的北方地區(qū)往往采用新風AHU加冷凍水系統(tǒng)，而水量豐沛的南方地區(qū)往往采用蒸發(fā)水冷卻機組，采用不同的空調系統(tǒng)經常導致平面布局變化。

2.2 數(shù)據中心建筑表達手法的創(chuàng)新性

數(shù)據中心作為全新的公共建筑類型，其建筑表達手法還有待進一步提升。我國很多大型數(shù)據中心的建設用地選址緊靠北上廣深城市周邊，直線距離從十幾公里到一百公里不等，這些項目的選址遠離主城區(qū)，多以工業(yè)項目立項，用地屬性為工業(yè)用地，參照工業(yè)建筑規(guī)范進行設計。建設單位從成本控制的角度出發(fā)，考慮園區(qū)綜合管線的復雜性，往往將數(shù)據中心的建筑表達參照工業(yè)廠房進行簡單處理，導致設計中出現(xiàn)場地高差處理沒有順應地形，規(guī)劃道路急升急降，建筑單體幾何形態(tài)規(guī)整單一，過分尊重功能而忽視了建筑形象的塑造，建筑造型沒有結合項目所在地的建筑風貌，外立面失去個性，千篇一律，著色用材簡陋且設計缺少細節(jié)，景觀綠化率偏低、種植品種單一等問題，這樣的設計與大數(shù)據產業(yè)的技術先進性完全不匹配，與先進的數(shù)據中心建設理念存在很大的差距。

2.3 數(shù)據中心設計的專業(yè)間協(xié)調

數(shù)據中心設計參與專業(yè)多，協(xié)調難是設計單位一致認同的難點。與傳統(tǒng)的民用建筑設計團隊相比，數(shù)據中心設計團隊規(guī)模一般在30～40人，涉及專業(yè)包括建筑（含機房工藝平面）、結構（含裝配式）、給排水（含園區(qū)綜合管網）、建筑電氣、建筑暖通、變配電、電源及UPS、智能化（含傳輸）、機房暖通空調、柴油發(fā)電機（含室外油罐）、造價、室外工程及景觀、機房裝飾裝修、綠色建筑、海綿城市、人防工程、BIM等十多個專業(yè)，項目負責人需要熟悉整個團隊的人員，已經就耗費很多時間。在牽頭所有專業(yè)進行設計的同時，還要協(xié)調各專業(yè)進度，組織技術研討解決技術問題，并負責對外聯(lián)絡工作。在數(shù)據中心項目設計過程中，項目負責人更多地承擔項目經理人的管理角色，除了肩負技術總負責人的職責保持與建設單位的順暢溝通，還要把更多的具體技術工作和問題梳理、細化、分解給各專業(yè)負責人和設計人員，將主要精力用在人員組織和協(xié)調、監(jiān)督各專業(yè)設計人員認真履職等方面。能否用好“人”是考驗數(shù)據中心設計項目負責人是否稱職的關鍵。

2.4 數(shù)據中心設計在節(jié)能減排方面的不足

2017年4 月，工信部在《關于加強“十三五”信息通信業(yè)節(jié)能減排工作的指導意見》中指出：“十二五”期間新建大型數(shù)據中心的能耗效率（PUE）要普遍低于1.5；到2020年，新建大型、超大型數(shù)據中心的能耗效率（PUE）值必須達到1.4以下。數(shù)據中心作為耗能大戶，節(jié)能降耗的主要問題在于缺乏國家層面的指導性標準，包括缺乏科學的能耗測量方法，缺乏節(jié)能規(guī)劃設計和節(jié)能技術改造的數(shù)值依據，缺乏整體節(jié)能規(guī)劃，設計和節(jié)能技術改造的評估和驗收標準。所以，有效的節(jié)能措施將影響數(shù)據中心節(jié)能規(guī)劃目標的實現(xiàn)[2]。

3 針對上述問題的解決對策

3.1 項目建議書和可行性研究應該從實際出發(fā)

數(shù)據中心投資大、建設總體周期緊，搞好項目建議書和可行性研究這兩個環(huán)節(jié)非常重要，前期的決策失誤導致數(shù)據中心建成后沒有按期產生經濟效益，就有可能損失慘重。如何避免這一問題呢？首先，咨詢專業(yè)應該從實際需求、業(yè)務布局、潛在客戶這3個主要方面出發(fā)，用長遠的眼光圍繞資金來源、投資回收期、技術架構前瞻性等核心問題進行研究。其次，項目前期應該盡早引入成熟的設計團隊和項目負責人，發(fā)揮專業(yè)協(xié)同的優(yōu)勢，讓項目建議書和可行性研究中的建設方案具備可實施性。

3.2 重視數(shù)據中心設計預規(guī)劃的作用

數(shù)據中心設計預規(guī)劃可以看成項目建設前的沙盤預演，對項目從用地現(xiàn)狀條件、規(guī)劃建設要點及條件、接入條件等多專業(yè)和多維度的一次梳理和排查，在最有利于項目建設的角度，規(guī)劃數(shù)據中心實施需要的各種條件，將不能滿足和可能不滿足的條件作為風險點逐一羅列，形成風險評估報告提供給建設單位和政府部門進行決策，確定哪些條件可以滿足，哪些條件不能滿足，在簽署投資協(xié)議之前對建設單位和政府部門進行層面的有效引導，保證項目規(guī)劃設計條件更加經濟和合理，在后續(xù)的設計過程中避免出現(xiàn)因設計條件不合理導致返工和工期延誤，造成不必要的經濟損失。

3.3 創(chuàng)新建筑設計理念

數(shù)據中心設計的工藝復雜，管線設備相互交錯，會直接或間接影響數(shù)據中心建筑設計的總平面布局和建筑外立面設計。數(shù)據中心設計中要結合平面功能、工藝流程，認真分析建設條件，在總體規(guī)劃上重點考慮場地標高、土方平衡、道路走向、建筑布局、管網綜合等問題，盡可能利用原有地形，分段消化場地高差，利用建筑自然過渡的手法，避免采用粗暴的削山填水、橫平豎直的規(guī)劃策略，確保數(shù)據中心總體規(guī)劃體現(xiàn)先進性。

數(shù)據中心作為數(shù)據存儲的設施，其建筑外立面應具有科技性和標志性，展現(xiàn)企業(yè)精神和形象，起到企業(yè)宣傳的作用。立面造型應遵循經濟實用、綠色節(jié)能的原則，建筑外形簡潔大方，在遵循建筑美學的基礎上，需提供必要的標識性和可識別性，在體現(xiàn)行業(yè)建筑的高科技特點的同時，更應該具備當?shù)亟ㄖL貌特色。作為城市基礎設施的一部分，起到豐富了城市形象的作用。

3.4 數(shù)據中心設計的全過程管理

針對數(shù)據中心設計中，因為專業(yè)多、協(xié)同難，普遍存在設計“背靠背”現(xiàn)象，日常的設計管理過程中，項目負責人、專業(yè)負責人應對設計工作進行全面的跟蹤和指導，切實落實設計例會制度（專業(yè)例會，專業(yè)間例會），設計人員與負責人之間應和保持順暢的溝通，設計例會上有問題盡早提出、有問題及時討論、有問題共同解決，讓設計工作做到透明化和有序管理，全面提升設計質量。

3.5 運用新技術降低數(shù)據中心PUE值

目前，我國普遍認為節(jié)能的新建數(shù)據中心PUE值在1.4左右，部分經濟發(fā)達地區(qū)對PUE值控制的要嚴格很多在1.25～1.3之間，部分國內運營超過5年以上的數(shù)據中心PUE值都在2.0以上。影響PUE值的主要因素包括以下幾點：項目選址及其氣候條件、機柜和服務器功耗、數(shù)據中心電路傳輸?shù)膿p耗、數(shù)據中心空調制冷的損耗等。降低PUE值，首先要選擇合適的建設地點，既要靠近業(yè)務需求的主要區(qū)域，又要具備良好的自然條件，利于使用優(yōu)越的自然條件降低PUE，同時滿足以上兩點的區(qū)域，主要是北部京津冀周邊地區(qū)、渝蓉地區(qū)和南部粵港澳周邊山區(qū)；其次，當選址不具備良好的自然條件時，就需要使用技術手段有效降低PUE，比如：供電系統(tǒng)模塊化降低供電系統(tǒng)能耗，目前主要使用巴拿馬電源系統(tǒng)將10kV市電直接轉化為240V數(shù)據中心用電，大大減少了供電系統(tǒng)內的損耗；采用高效空調系統(tǒng)降低空調能耗，在自然條件優(yōu)越的地區(qū)，結合當?shù)貧夂驐l件、易于將冷凍水系統(tǒng)(間接自然冷)和新風風墻(直接自然冷)等多種運行工況適時地組合起來，其他地區(qū)推廣采用封閉冷熱通道結合風冷式精密空調的形式；推廣數(shù)據中心微模塊，完全整合機柜、空調、消防、照明、布線、配電、動環(huán)監(jiān)控等系統(tǒng)，不僅節(jié)能，還能降低建設成本，縮短建設周期；推廣浸沒式液冷技術和裝配式數(shù)據中心等。

3.6 管理系統(tǒng)自動化、智能化，數(shù)字化技術普遍應用

AI能效優(yōu)化：利用AI動態(tài)建模技術，建立能耗與IT負載、氣候條件、設備運行數(shù)量等的機器學習模型，可在保障設備、系統(tǒng)可靠的基礎上，實時診斷各個子系統(tǒng)的能耗，準確推理和配置出數(shù)據中心最優(yōu)控制邏輯，實時調節(jié)參數(shù)，降低數(shù)據中心PUE。無人運維：傳統(tǒng)大型數(shù)據中心運維主要依賴于人工，運維效率低下，巡檢多為被動響應，質量不可控。未來數(shù)據中心基礎設施將逐步實現(xiàn)運維的自動駕駛。一方面，通過數(shù)字化技術，可實現(xiàn)7×24不間斷巡檢，大大提升運維效率，降低對運維人員的技能要求與依賴程度。另一方面，依托聲音識別、圖像識別、智能傳感器、機器人等，將極大提升數(shù)據中心無人巡檢準確度，變被動告警為預測性維護，最大程度降低數(shù)據中心運維風險和成本。提升資源使用率和運營收益，提升數(shù)據中心運營管理水平[3]。

4 結束語

綜上所述，數(shù)據中心設計是一項不斷優(yōu)化提升、自我升華的創(chuàng)造性工作，需要建筑設計人員突破傳統(tǒng)建筑手段，結合互聯(lián)網工作思路和模式，探索更加合理的標準化與前瞻性的建筑設計方法，助力國家和社會數(shù)字化轉型升級。