舒建軍 南京大學(xué)無線電學(xué)士， 復(fù)旦大學(xué)MBA碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)任中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司計(jì)劃建設(shè)部基建管理處經(jīng)理，中國(guó)建筑業(yè)協(xié)會(huì)智能建筑分會(huì)專家工作委員會(huì)數(shù)據(jù)中心專業(yè)組副組長(zhǎng)。近年來負(fù)責(zé)研究中國(guó)移動(dòng)數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃布局、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與建設(shè)方案，并推進(jìn)項(xiàng)目建設(shè)，具有豐富的數(shù)據(jù)中心規(guī)劃與建設(shè)管理經(jīng)驗(yàn)。主持或參與公司重大研發(fā)項(xiàng)目多項(xiàng)，獲得省部級(jí)和公司級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)二十余項(xiàng)，專利授權(quán)14項(xiàng)，發(fā)表各類論文十余篇。
1 引言
數(shù)據(jù)中心是互聯(lián)網(wǎng)重要的基礎(chǔ)設(shè)施，是承載云計(jì)算與未來業(yè)務(wù)發(fā)展的重要載體。在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)客戶需求等因素的驅(qū)動(dòng)下，中國(guó)IDC市場(chǎng)保持快速持續(xù)增長(zhǎng)。2008-2015年，中國(guó)IDC市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)約9倍，2015年中國(guó)IDC市場(chǎng)規(guī)模接近500億元。
在保障機(jī)房安全運(yùn)行的情況下，如何因地制宜利用環(huán)境與資源條件，合理規(guī)劃與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心土建與機(jī)電工程，提高裝機(jī)效率，降低建設(shè)投資與運(yùn)行成本，并能靈活適應(yīng)IT設(shè)備的發(fā)展，是數(shù)據(jù)中心建設(shè)者面臨的共同課題。中國(guó)移動(dòng)近年數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，在數(shù)據(jù)中心園區(qū)總平面、建筑結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等方面著力開展了創(chuàng)新研究與論證，通過推行“集中化、標(biāo)準(zhǔn)化”，優(yōu)化形成標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)房平面布局與機(jī)電系統(tǒng)配置方案，并在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中規(guī)模應(yīng)用，收到了良好成效。
2 規(guī)劃建設(shè)原則
數(shù)據(jù)中心規(guī)劃建設(shè)需從全生命周期的角度，圍繞“安全、高效、節(jié)能、靈活”的原則，努力實(shí)現(xiàn)IT、土建、機(jī)電等各系統(tǒng)的最佳匹配。
安全：為主設(shè)備正常運(yùn)行提供連續(xù)不間斷的環(huán)境條件，保障機(jī)房安全穩(wěn)定運(yùn)行。
高效：科學(xué)合理設(shè)計(jì)，減少不必要的冗余，推行標(biāo)準(zhǔn)化，提高裝機(jī)率，降低建設(shè)投資及后期運(yùn)行維護(hù)成本，確保效益。
節(jié)能：積極推行新技術(shù)、新工藝，PUE值嚴(yán)格控制在1.5以下并盡可能降低。
靈活：適應(yīng)云計(jì)算、IT、機(jī)電等技術(shù)發(fā)展形勢(shì)，具有前瞻性、通用性，確保遠(yuǎn)期平滑擴(kuò)容。規(guī)劃建設(shè)階段適應(yīng)不同客戶與等級(jí)需求，運(yùn)行階段可根據(jù)實(shí)際負(fù)荷靈活調(diào)配資源。
3 技術(shù)方案研究
3.1 土建工程
3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)化平面
統(tǒng)籌考慮功能需求、交通流線、防火分區(qū)等因素，壓縮機(jī)柜列間距，減少輔助用房面積和不必要的交通面積，研究提出緊湊合理的單棟?rùn)C(jī)房樓標(biāo)準(zhǔn)化平面，盡可能提升裝機(jī)率。
在園區(qū)總平面圖方面，提出單獨(dú)建設(shè)、兩兩集水母管連接、大集中建設(shè)3種總體平面布局，并優(yōu)先考慮集水母管連接或大集中方案。
3.1.2 限定鋼筋混凝土用量
機(jī)房樓采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，選用合理的地基與基礎(chǔ)形式，根據(jù)最新規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，研究確定鋼筋及混凝土的合理用量范圍，降低造價(jià)。
3.1.3 限制裝修標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)機(jī)房特點(diǎn)，限定外裝修采用涂料，不得采用石材或幕墻，不應(yīng)設(shè)置與使用功能無關(guān)的裝飾造型。內(nèi)裝修中的墻面、頂棚飾面應(yīng)采用乳膠漆。
3.2 空調(diào)系統(tǒng)
3.2.1 冷源
在機(jī)組選型方面，大型數(shù)據(jù)中心冷源主要包括風(fēng)冷冷水機(jī)組和水冷冷水機(jī)組兩種形式。風(fēng)冷冷水機(jī)組一般選用帶自然冷卻的螺桿機(jī)組，過渡季節(jié)或冬季選擇自然冷卻器運(yùn)行；水冷冷水機(jī)組一般選用離心式機(jī)組、開式冷卻塔和板式換熱器組合的方案，夏季通過冷水機(jī)組和冷卻塔供冷，過渡季節(jié)或冬季不開壓縮機(jī)，通過開式冷卻塔和板式換熱器供冷。綜合比較，水冷機(jī)組較風(fēng)冷機(jī)組效率更高，機(jī)組容量更大，同樣冷負(fù)荷下機(jī)組數(shù)量與占地面積均較小，節(jié)省初始投資；避免熱島效應(yīng)，有利于保障系統(tǒng)安全運(yùn)行；PUE較風(fēng)冷形式降低0.07左右，即使考慮耗水后，運(yùn)行成本也較風(fēng)冷形式更低。因此，一般情況下，水冷冷水機(jī)組更合理。以某棟2×104m2、工藝負(fù)荷1.5×104kW、電價(jià)0.38元/m3、水價(jià)4.45元/m3的機(jī)房樓為例，選用水冷機(jī)組形式，節(jié)約投資超過2 000萬，水電運(yùn)營(yíng)成本每年可節(jié)約140多萬元。
在機(jī)組供電方面，通常有低壓或高壓供電兩種形式。大容量高壓離心式冷水機(jī)組可有效降低設(shè)備數(shù)量，減少占地面積；節(jié)省水泵、管道系統(tǒng)投資；減少變壓器投資與運(yùn)行損耗，群控系統(tǒng)更容易控制，因此具有更大優(yōu)勢(shì)。對(duì)于初期業(yè)務(wù)設(shè)備負(fù)荷較低時(shí)，冷水機(jī)組可以采用間歇運(yùn)行模式或冷水機(jī)組與蓄冷罐交替運(yùn)行模式，使冷凍水溫度波動(dòng)維持在一定范圍內(nèi)，避免發(fā)生喘振現(xiàn)象。
在系統(tǒng)架構(gòu)方面，大型數(shù)據(jù)中心園區(qū)一般規(guī)劃若干棟?rùn)C(jī)房樓，兩棟相鄰機(jī)房樓的制冷系統(tǒng)集水母管連接貫通（“手拉手”貫通），如圖1所示，形成一套制冷系統(tǒng)，提高系統(tǒng)安全性，更好地適應(yīng)運(yùn)行初期低負(fù)荷的問題，便于集中運(yùn)維管理。同時(shí)，按一套系統(tǒng)計(jì)算冷水機(jī)組冗余配置，可減少備用主機(jī)數(shù)量，減少占地面積，降低建設(shè)投資。
圖1 集水母管連接示意
3.2.2 自然冷源
水冷冷水機(jī)組一般采用板換與開式冷卻塔的方式利用自然冷源。以某嚴(yán)寒地區(qū)數(shù)據(jù)中心為例，全年52%以上的時(shí)間可以完全關(guān)閉壓縮機(jī)，比完全采用壓縮機(jī)電制冷節(jié)能42%以上。
提升供回水溫度，可以有效挖掘節(jié)能潛力，能夠提高空調(diào)顯熱比和制冷效率，同時(shí)增加自然冷源的利用時(shí)間。溫度每提升2℃，針對(duì)不同地區(qū)（除夏熱冬暖地區(qū)外），完全自然冷卻小時(shí)數(shù)增加350～850 h以上。但提高冷凍水供回水溫度，也會(huì)帶來一些不利影響，如空調(diào)末端換熱器規(guī)格增大、服務(wù)器功耗增加以及系統(tǒng)斷電后，機(jī)房溫升到報(bào)警時(shí)間縮短等問題。目前，數(shù)據(jù)中心一般供回水溫度為10℃～15℃。綜合考慮冷機(jī)效率、應(yīng)用自然冷源時(shí)間、末端功耗等影響，供回水溫度設(shè)置在14℃～19℃以上較為合理。
對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)，采用開式冷卻塔獲取自然冷源需要注意防凍與應(yīng)急措施，包括填料壁增加保溫、加長(zhǎng)導(dǎo)流板、增加進(jìn)風(fēng)口擋風(fēng)板、集水盤電加熱器、風(fēng)機(jī)變頻等措施。也可以采用開式間接蒸發(fā)冷卻塔，通過進(jìn)口風(fēng)處預(yù)熱，有效防止塔體內(nèi)結(jié)冰。
(1) 新型空調(diào)末端
目前，空調(diào)末端正在從房間級(jí)制冷向行級(jí)制冷、機(jī)架級(jí)制冷推進(jìn)。
冷凍水機(jī)房專用空調(diào)是常用的房間級(jí)制冷末端形式。該末端送風(fēng)距離較長(zhǎng)，風(fēng)壓要求較高，空調(diào)末端PUE因子約為0.1，能耗較高。
中國(guó)移動(dòng)在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，研究并規(guī)模應(yīng)用了冷凍水列間空調(diào)、熱管背板等機(jī)柜級(jí)空調(diào)末端形式。圖2為數(shù)據(jù)中心空調(diào)末端的演進(jìn)。新型空調(diào)末端可以實(shí)現(xiàn)列間級(jí)、機(jī)架級(jí)就近制冷，制冷效率高，節(jié)能率可達(dá)到60%以上；減少空調(diào)設(shè)備間，節(jié)省機(jī)房空間，裝機(jī)率提高10%以上。
其中，熱管背板為機(jī)架級(jí)就近制冷，安裝在機(jī)柜后門，通過背板的液態(tài)制冷劑吸收熱空氣的熱量，制冷劑沸騰并氣化成為蒸汽狀態(tài)，在自身壓差的作用下，被輸送至機(jī)房外的換熱器中，并被重新冷卻成液態(tài)制冷劑，然后回流至背板中。系統(tǒng)運(yùn)行依靠重力，無須其它動(dòng)力；系統(tǒng)借助工質(zhì)相變吸熱，制冷效率高；氣體輸送距離短，風(fēng)機(jī)壓頭較小；水不進(jìn)入機(jī)房，安全性高。
圖2 數(shù)據(jù)中心空調(diào)末端的演進(jìn)
列間空調(diào)通過空調(diào)前部出風(fēng)，水平吹向兩側(cè)機(jī)柜，經(jīng)過機(jī)柜前門并對(duì)設(shè)備制冷，經(jīng)機(jī)柜后門再回風(fēng)到空調(diào)后部。采用封閉通道減少混風(fēng)損失，但需要采用防水措施保障安全。
(2) 余熱利用
在機(jī)房余熱散發(fā)到室外大氣之前，將冷凍水的回水與熱泵進(jìn)行熱交換，普通熱泵機(jī)組可產(chǎn)生45℃～50℃的熱水，為生活園區(qū)提供生活熱水與采暖；通過高溫?zé)岜脵C(jī)組可生產(chǎn)60℃～65℃熱水，為生活園區(qū)提供散熱器采暖。
電鍋爐每產(chǎn)生100kW熱量需要消耗100 kW以上電能，而熱泵機(jī)組僅需消耗20 kW電能，即可搬移80 kW低品位的機(jī)房余熱，轉(zhuǎn)化成100 kW的高品位熱量。因此，熱泵機(jī)組更節(jié)能。以某嚴(yán)寒地區(qū)數(shù)據(jù)中心為例，3年左右即可收回全部建設(shè)投資。
3.3 電源系統(tǒng)
3.3.1 高壓發(fā)電機(jī)組
高壓發(fā)電機(jī)組額定輸出電壓為10 kV，多臺(tái)機(jī)組形成并機(jī)資源池，大幅提高安全性；可減少冗余配置，減少油機(jī)并相應(yīng)減少配電設(shè)備和油機(jī)室；提高電壓等級(jí)，節(jié)省大量母排投資。圖3為高低壓發(fā)電機(jī)組架構(gòu)示意圖。
圖3 高低壓發(fā)電機(jī)組架構(gòu)
3.3.2 336V高壓直流
整流模塊將交流電源輸出的380 V交流轉(zhuǎn)換成336 V直流，336 V直流經(jīng)直流配電單元給主設(shè)備供電。圖4為電源轉(zhuǎn)換對(duì)比。推行336 V高壓直流替代UPS，開關(guān)電源系統(tǒng)側(cè)減少一次DC/AC變換，IT設(shè)備側(cè)減少一次AC/DC變換，效率提升3%；與“雙系統(tǒng)雙回路”的UPS相比，高壓直流采用“單系統(tǒng)雙回路”，投資可減少40%以上，占地面積節(jié)省50%；由于直流系統(tǒng)電池直掛母線，供電可靠性提升。
3.3.3 市電直供
圖5為市電直供示意圖，市電不經(jīng)過不間斷電源轉(zhuǎn)換，正常時(shí)由市電直接給設(shè)備供電；市電中斷時(shí)切換至備用電源系統(tǒng)，保證設(shè)備不間斷運(yùn)行，PUE可繼續(xù)降低0.03以上。
圖4 電源轉(zhuǎn)換對(duì)比
4 技術(shù)發(fā)展展望
4.1 土建工程
數(shù)據(jù)中心機(jī)房未來將逐步向“大空間廠房”演變。根據(jù)數(shù)據(jù)中心特性，機(jī)房應(yīng)按廠房定性，減少消防、節(jié)能等諸多限制；在布局方面，柱網(wǎng)尺寸進(jìn)一步擴(kuò)展，同時(shí)擴(kuò)大機(jī)房平面，增加機(jī)架布置靈活性，提高裝機(jī)率。
4.2 空調(diào)系統(tǒng)
冷源系統(tǒng)將向提升冷凍水供回水溫度，減少壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)一步演進(jìn)。空調(diào)末端方面，未來將向“芯片級(jí)制冷”進(jìn)一步演變，圖6為芯片級(jí)制冷示意圖。通過芯片級(jí)制冷，帶走CPU等主要發(fā)熱單元熱量，大幅提高利用自然冷源時(shí)間，進(jìn)一步降低PUE值與投資。
4.3 電源系統(tǒng)
近期主要推行市電直供以及架頂母線等新型通信電源技術(shù)。架頂母線通過始端箱代替列頭柜和線纜，可節(jié)約列頭柜占地，提高裝機(jī)率，提高配電系統(tǒng)柔性。飛輪UPS通過與油機(jī)的精準(zhǔn)配合，在市電中斷后、油機(jī)啟動(dòng)帶載之前向重要負(fù)載供電，可以取消蓄電池等。
圖5 市電直供示意
圖6 芯片級(jí)制冷示意
根據(jù)電池技術(shù)的發(fā)展，未來可能進(jìn)一步向“分布式、直流電源”方向發(fā)展，包括IT機(jī)柜內(nèi)分布式鋰電池形式。
4.4 智能化系統(tǒng)
智能化管理系統(tǒng)向“全面監(jiān)測(cè)、集中管理、系統(tǒng)調(diào)控”進(jìn)一步演變。利用建筑設(shè)備、動(dòng)力環(huán)境、能源管理、資源管理等功能，通過全景視圖等手段，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)電系統(tǒng)的工作狀態(tài)，歸集、分析各系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并根據(jù)控制邏輯及策略對(duì)主要耗能設(shè)備進(jìn)行節(jié)能控制，保證系統(tǒng)在高效率、低能耗狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行。
5 應(yīng)用案例
中國(guó)移動(dòng)在新建數(shù)據(jù)中心中全面應(yīng)用上述措施，包括采用水冷大容量冷水機(jī)組，冷凍水供回水溫度提升至14℃～19℃以上，冷卻塔與板換方式利用自然冷源，同時(shí)結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件開展余熱利用，采用熱管、列間空調(diào)等更為貼近IT設(shè)備的新型末端，集中部署高低壓變配電與高壓油機(jī)，采用336 V高壓直流等措施，同時(shí)統(tǒng)一冷水機(jī)組、發(fā)電機(jī)等主要機(jī)電設(shè)備的型號(hào)規(guī)格。目前，嚴(yán)寒地區(qū)新建數(shù)據(jù)中心年均設(shè)計(jì)PUE值達(dá)到1.32，南方地區(qū)控制在1.49以下，全國(guó)平均為1.4，與國(guó)家五部委要求PUE控制值1.5相比，每棟2×104m2的機(jī)房樓年可節(jié)電900萬元以上（電價(jià)按0.7元測(cè)算），單機(jī)架建設(shè)成本降低20%以上，逐步形成了業(yè)界領(lǐng)先的技術(shù)水平和競(jìng)爭(zhēng)能力。
6 結(jié)束語
數(shù)據(jù)中心建筑、空調(diào)與電源系統(tǒng)規(guī)劃是提高裝機(jī)效率、節(jié)約建設(shè)投資與降低運(yùn)行維護(hù)成本的重點(diǎn)。圍繞“安全、高效、節(jié)能、靈活”的目標(biāo)，運(yùn)營(yíng)商應(yīng)重點(diǎn)從科學(xué)規(guī)劃平面布局、充分利用自然冷源、推行市電直供等創(chuàng)新措施著手，推行標(biāo)準(zhǔn)化方案與配置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心低成本高效率運(yùn)營(yíng)。
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本文標(biāo)題：數(shù)據(jù)中心技術(shù)創(chuàng)新研究與發(fā)展展望
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