影響數(shù)據(jù)中心空間使用效率的六大因素

2020年3月4日，中共中央政治局常務(wù)委員會召開會議指出，要加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的進(jìn)度，政策的推動和需求的影響將會讓數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。根據(jù)賽迪資訊的分析，未來8年國內(nèi)數(shù)據(jù)流量將實(shí)現(xiàn)32倍的增長，同時考慮到服務(wù)器性能提升每4~5年實(shí)現(xiàn)8倍增長，未來8年數(shù)據(jù)中心的機(jī)架數(shù)量將是目前的2~3倍。預(yù)計到2022年新增投資1.5萬億元，帶動相關(guān)投資3.5萬億元。

以“新基建”為契機(jī)，加快數(shù)據(jù)中心建設(shè)，增強(qiáng)在新形勢下的競爭力顯得尤為重要，善用每一寸空間是提高數(shù)據(jù)中心競爭力的手段之一。數(shù)據(jù)中心空間總是不夠，這其實(shí)是有限資源和無限需求之間的矛盾，可以通過增加空間或提高空間的利用率來解決空間不夠的問題。對于設(shè)計好的數(shù)據(jù)中心無法再增加空間，只能通過提高空間利用率、增大密度來解決，而部署新數(shù)據(jù)中心的時候，應(yīng)當(dāng)在規(guī)劃和設(shè)計之初就解決好空間使用效率的問題。

影響數(shù)據(jù)中心空間使用效率的六大因素

數(shù)據(jù)中心的空間使用效率簡單地說是用于裝機(jī)的建筑面積與數(shù)據(jù)中心總建筑面積的比值，這個比值越低越好，越低意味著更多的空間用于安裝機(jī)架，一般用單機(jī)架建筑面積或單千瓦建筑面積來計算和衡量?？臻g使用效率有平面空間和高度空間兩個層面，規(guī)劃設(shè)計時需要兩個層面統(tǒng)一考慮，達(dá)成合理的解決方案。

數(shù)據(jù)中心空間使用效率與多方面的因素相關(guān)，包含服務(wù)器的選擇與安裝、機(jī)電方案的設(shè)置及設(shè)備的選型、保障等級及平面布局等。

機(jī)架空間分析

隨著服務(wù)器越來越小型化，在同樣的機(jī)架空間內(nèi)，安裝的服務(wù)器越多，意味著單機(jī)架的功耗越大、計算能力越集約、越節(jié)省空間，同時單機(jī)架所對應(yīng)的配套用房面積也就越大，但總體來說單機(jī)架功耗越大，空間越節(jié)省，單千瓦的建筑面積越小，數(shù)據(jù)中心空間的密度越高，空間的利用效率越好。

機(jī)架的高度決定安裝服務(wù)器的數(shù)量，可以通過提高機(jī)架的高度來提高裝機(jī)密度，從而提高機(jī)房的空間利用率。機(jī)架的高度并不是越高越好，單純追求機(jī)架高度會給日常的運(yùn)維帶來很大不便。另外，機(jī)柜太高會導(dǎo)致服務(wù)器數(shù)量多、線纜多，對機(jī)房的布線也會帶來很大的壓力。綜合考慮這兩方面因素，機(jī)架合理高度為2.2米~2.5米。

制冷方案分析

數(shù)據(jù)中心有風(fēng)冷、水冷、間接蒸發(fā)冷、液冷等多種制冷方式，空調(diào)類型有房間級制冷、行級制冷、機(jī)柜級制冷，各種制冷方式及空調(diào)形式對空間的要求有很大的區(qū)別。簡單來說制冷效率越低，越需要更多的空間進(jìn)行散熱，也就是說所需要的空間越大。

如風(fēng)冷的制冷效率相對較低，需要靜壓箱、回風(fēng)空間，還需要很多的室外機(jī)平臺；水冷方案制冷效率相對較好，僅需要冷機(jī)空間、末端空間，對空間的使用效率有一定的提高；液冷服務(wù)器制冷與服務(wù)器相結(jié)合，就近制冷，制冷效率非常高，數(shù)據(jù)中心的功率密度也很高，單千瓦的空間使用效率得到很大的提高。數(shù)據(jù)中心制冷越靠近熱源，制冷效率越高、越節(jié)能，同時單千瓦所對應(yīng)的空間越小，空間的利用率越好。

供電方案分析

數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電系統(tǒng)涉及市電供電、柴油發(fā)電機(jī)、UPS不間斷供電、低壓配電系統(tǒng)、電纜及電纜路由、列頭柜配電系統(tǒng)等，供電系統(tǒng)的設(shè)計與保障等級、供電方式及設(shè)備類型有很大的關(guān)系。

就保障等級而言，保障等級越高安全性越高，所要求的冗余也相對越多，可知所需要空間也越大，單機(jī)架建筑面積或單千瓦的建筑面積就越大。

就供電方式而言，最能節(jié)省空間的當(dāng)屬供電損耗最小的市電直供方案，不需要UPS設(shè)備，節(jié)省了很大的空間。UPS方案分為分散供電和集中供電模式，分散式供電結(jié)構(gòu)將不間斷電源系統(tǒng)分散安裝在用電設(shè)備的列頭或列間，就地為ICT設(shè)備供電，取消電力電池室的建設(shè)，也就提高了數(shù)據(jù)中心空間使用效率。

就設(shè)備選型而言，數(shù)據(jù)中心小母線供電不占用平面空間，與列頭柜供電相比省去了列頭柜，能夠最大化利用寶貴的數(shù)據(jù)中心空間，用于安裝實(shí)際生產(chǎn)用的機(jī)柜；大容量UPS和變壓器融合，鋰電池做后備，可節(jié)省使用空間；巴拿馬電源省去傳統(tǒng)的變壓器，節(jié)省了變壓器空間用于裝機(jī)；天蝎機(jī)柜自帶分布式鋰電池，省去傳統(tǒng)的UPS及蓄電池裝置；飛輪UPS節(jié)省蓄電池面積；大容量柴油發(fā)電機(jī)組可節(jié)省油機(jī)臺數(shù)，從而節(jié)省使用面積；燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電作為第三路電源，可省去柴油發(fā)電機(jī)。這些新技術(shù)和新產(chǎn)品都是對數(shù)據(jù)中心更加節(jié)能高效和提高空間使用效率的探索和應(yīng)用。

智能管控分析

提高數(shù)據(jù)中心空間使用效率另一種方法是做好資產(chǎn)管理、容量分析，持續(xù)不斷地進(jìn)行資源的配置和規(guī)劃，找到并利用未開發(fā)容量的閑置資源。監(jiān)控工具和智能機(jī)架PDU可提供有關(guān)可用容量的信息以及部署其他服務(wù)器的可能影響，一旦找到未使用的資源，就可以整合并更好地平衡和匹配。容量的管理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵資源的高效利用，提高資源利用率。借助容量管理，數(shù)據(jù)中心可以充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的容量資源。

通過使用數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施管理軟件實(shí)現(xiàn)對容量資源的有效利用，之前所構(gòu)建的數(shù)據(jù)中心可能被過度構(gòu)建，以滿足當(dāng)時的需求，通過管理軟件可以進(jìn)一步匹配IT設(shè)備所需的空間，可充分提高數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有空間的使用效率。

綜合布線分析

數(shù)據(jù)中心高度空間的利用率很大程度上取決于綜合布線系統(tǒng)的設(shè)計。數(shù)據(jù)中心內(nèi)的綜合管線多達(dá)十余種，有空調(diào)水管、電纜橋架、光纜橋架、風(fēng)管、智能化橋架、消防水管及一些需要放在走廊內(nèi)的設(shè)備。在進(jìn)行綜合布線的時候，遵行法律法規(guī)的要求，在滿足安全和運(yùn)維的需求基礎(chǔ)之上，應(yīng)將數(shù)據(jù)中心的高度空間利用率達(dá)到最佳。

數(shù)據(jù)中心內(nèi)眾多管線中，工藝、電源和空調(diào)路由管線設(shè)計影響最大。數(shù)據(jù)中心的工藝布線系統(tǒng)分為銅纜系統(tǒng)和光纜系統(tǒng)，銅纜也可以采用高密度，但這種高密度對空間的節(jié)省實(shí)在有限，在同樣的空間里要得到更多的傳輸帶寬，改用光纜傳輸是一個必然的選擇。電源母線槽通過合理、安全的結(jié)構(gòu)，將幾根導(dǎo)線包裹在金屬外殼內(nèi)，組成一個整體的具有電氣連續(xù)性的輸配電系統(tǒng)，分接方便、占有空間小。

制冷系統(tǒng)的水管或者風(fēng)管也是影響數(shù)據(jù)中心高度空間的重要因素，制冷方式不同其斷面的大小，路徑等都有很大的區(qū)別。在進(jìn)行數(shù)據(jù)中心空間規(guī)劃時需要結(jié)合投資考慮各種管線的合理布置和取舍，讓數(shù)據(jù)中心的空間利用更加有效。

平面布局分析

數(shù)據(jù)中心的平面布局包含兩個層面，一是數(shù)據(jù)中心的整體布局，各系統(tǒng)之間的合理配置；二是機(jī)房內(nèi)空間布局實(shí)現(xiàn)更多裝機(jī)。

數(shù)據(jù)中心的整體布局高效匹配主要在于用電容量、冷量、空間與工藝功耗之間的配置關(guān)系，空間足夠用，整體的用電容量和冷量不夠，也不能達(dá)到空間使用的高效。數(shù)據(jù)中心的空間確定后，就需要各系統(tǒng)之間做到合理匹配，如果某個方面出現(xiàn)瓶頸，其他方面充足也不能達(dá)到高效，甚至?xí)斐衫速M(fèi)。在一定的空間內(nèi)，合理配置單機(jī)架功耗、設(shè)備臺數(shù)、容量，達(dá)到空間和容量雙匹配，才能說數(shù)據(jù)中心的空間使用效率較優(yōu)。

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部空間應(yīng)當(dāng)考慮如何在滿足國家法律法規(guī)對消防疏散的要求下，在滿足綜合管線合理的布置下，讓數(shù)據(jù)中心平面的輔助空間面積、交通面積更合理，以便有更多的空間用于安裝機(jī)架。消防疏散的要求包含防火分區(qū)、疏散距離、消防方式等，規(guī)劃和設(shè)計數(shù)據(jù)中心時應(yīng)當(dāng)追求防火分區(qū)的最大面積，讓豎向的疏散空間充分利用，追求最長的疏散距離，讓橫向的疏散空間充分利用。也就是說，提高數(shù)據(jù)中心的空間利用效率，應(yīng)當(dāng)在滿足功能及安全性的前提下盡可能地減少疏散空間。而機(jī)房內(nèi)部應(yīng)當(dāng)考慮設(shè)備搬運(yùn)通道、柱網(wǎng)與機(jī)架、列間距的匹配，才能達(dá)到一定的空間內(nèi)機(jī)架數(shù)量最大，讓空間使用效率最好。

提高數(shù)據(jù)中心空間使用效率的解決方案

根據(jù)需求提供定制的數(shù)據(jù)中心解決方案，往往空間的利用效率相對較高。但是建設(shè)數(shù)據(jù)中心初期需求往往不能確定，而是要求數(shù)據(jù)中心能夠不斷適應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展的變化及需求的調(diào)整等因素，在這樣的情況下，做好數(shù)據(jù)中心空間規(guī)劃顯得尤為重要，是保障數(shù)據(jù)中心長期高效運(yùn)營的基本條件。筆者就目前應(yīng)用最為普遍的機(jī)電系統(tǒng)和設(shè)備，提供兩個系列的數(shù)據(jù)中心土建解決方案。

標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)中心解決方案

提高數(shù)據(jù)中心空間的使用效率，需要合理確定其平面、柱網(wǎng)和機(jī)房的尺寸及高度。

確定數(shù)據(jù)中心的平面尺寸應(yīng)結(jié)合法律法規(guī)的要求和實(shí)際用地的情況進(jìn)行。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定數(shù)據(jù)中心合理的平面尺寸為5000平方米左右，這個平面大小最大限度地利用了防火分區(qū)的面積，將疏散空間降到最低，以爭取最大的空間用來安裝機(jī)架。

確定數(shù)據(jù)中心的柱網(wǎng)尺寸需要結(jié)合各系統(tǒng)設(shè)計，柱網(wǎng)的設(shè)計圍繞機(jī)架展開，一切為了更多安裝機(jī)架。同時讓柱子盡可能不設(shè)置在列間，把通道打開，不僅可以多安裝機(jī)架，還便于冷熱通道的封閉，機(jī)房也更加美觀和開敞。

確定機(jī)房的尺寸，大柱網(wǎng)大開間的機(jī)房讓裝機(jī)效率提高，但機(jī)房的尺寸與消防有很大的關(guān)系，如果采用水消防，機(jī)房的大小只受到疏散距離的限制，如果是氣體滅火系統(tǒng)，受到高度和體積的限制，一般一個機(jī)房的大小在500~700平方米較合適。機(jī)房寬度的確定與主次通道和機(jī)列長度有關(guān)，這樣可以使機(jī)房的裝機(jī)效率最高，就冷凍水系統(tǒng)機(jī)列最長為15米較合理，主運(yùn)輸通道1.5米，次要維護(hù)通道1米，這樣機(jī)房的凈寬為17.5米左右較為合理；對于風(fēng)冷系統(tǒng)而言，與送風(fēng)距離、風(fēng)速及制冷效率有很大的關(guān)系，機(jī)房的凈寬需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行計算確定。

機(jī)房高度空間的確定與綜合管線設(shè)計密切相關(guān)，與機(jī)架的高度、制冷的方案、網(wǎng)絡(luò)布線的形式、電源系統(tǒng)與輸送方式的選擇關(guān)系很大，而走廊內(nèi)的管線排布將是最大的制約因素，走廊內(nèi)管線多，需要考慮運(yùn)維和運(yùn)輸?shù)目臻g。一般認(rèn)為機(jī)房的層高4.8~5.4米為較為經(jīng)濟(jì)合理的高度。標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)中心空間解決方案示例如圖1所示。

由于未來很大可能存在需求的變化，在空間設(shè)計上留有余量，考慮可能的需求變化帶來的影響，讓數(shù)據(jù)中心的空間利用效率不會因?yàn)樾枰淖兓蠓档?。故?shù)據(jù)中心的空間使用效率與各系統(tǒng)的匹配關(guān)系有很大的關(guān)系。以目前應(yīng)用最廣的水冷系統(tǒng)作為研究對象，數(shù)據(jù)中心設(shè)計中需要統(tǒng)籌考慮制冷站、空調(diào)末端、冷卻塔變壓器、UPS、電池以及各種管道路由通道等多方面因素進(jìn)行合理匹配。

模塊化數(shù)據(jù)中心解決方案

隨著數(shù)據(jù)中心市場的快速發(fā)展，模塊化數(shù)據(jù)中心以其高可靠、高效節(jié)能和整體快速部署的優(yōu)勢，因此成為中小型數(shù)據(jù)中心發(fā)展的主流趨勢，在大型數(shù)據(jù)中心也有大量應(yīng)用。在構(gòu)建新的數(shù)據(jù)中心時，這些模塊可以作為更靈活有機(jī)的數(shù)據(jù)中心設(shè)計的一部分，并且不斷更新升級。這種靈活的、不斷升級的的模式能更好地適應(yīng)未來不確定的變化，讓空間的匹配降到一個很小的范圍內(nèi)，降低了因需求變化帶來的影響范圍，讓數(shù)據(jù)中心的空間使用效率做得更優(yōu)。

采用微模塊的部署方式，其機(jī)房內(nèi)部設(shè)計主要與微模塊的尺寸有很大的關(guān)系，設(shè)計之初如果可以選定微模塊產(chǎn)品進(jìn)行定制空間的設(shè)計，空間的使用效率匹配性將大大的提高，相應(yīng)機(jī)房空間的使用效率就能得到保證。

總之，做好數(shù)據(jù)中心的空間使用是一個系統(tǒng)工程，需要前瞻未來，預(yù)測不確定的變化，做好預(yù)留和應(yīng)對措施。同時還要根據(jù)目前的需求，做到各系統(tǒng)之間的最佳匹配，并對數(shù)據(jù)中心的資源做好監(jiān)測和調(diào)配，避免閑置浪費(fèi)。
責(zé)任編輯：tzh