大型数据中心规划与建设研究.docx
《大型数据中心规划与建设研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大型数据中心规划与建设研究.docx（7页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
大型数据中心规划与建设研究
大型数据中心规划与建设研究
【摘要】文章简要论述了大型数据中心规划的概念，分析了数据中心主要系统对物理环境的要求，详细阐述了数据中心与民用建筑在结构上的区别，提出在规划建设上应关注IT、业务及场地等各方面的需求，优先满足数据中心用电、制冷、面积三个相互制约的基本条件，提高数据中心可用性级别，降低运营成本。
【关键词】数据中心；规划；建设；模快化设计
【中图分类号】TU17【文献标识码】A【文章编号】1727-5123（2012）03-004-03
随着ＩＴ技术的迅猛发展，数据中心正以空前的速度拓展计算能力。
Ｇｏｏｇｌｅ在２００９年提出的“数据中心就是计算机”口号，正是这一趋势的最佳注释。
在中国，甚至有不少面积超过几万平方米的大型数据中心正在如火如荼地建设。
与传统的民用建筑相比，数据中心的建设具有其专业特性。
微软数据中心业务总经理凯文蒂蒙斯说，“在数据中心破土动工之前有７０％的设施必须要解决经济学问题”。
本文将就数据中心的规划与建设方案和实践方法展开讨论。
1 数据中心规划的概念
1.1 数据中心的规模。
数据中心的规模涉及三个因素：
面积（Ｓｐａｃｅ）、电量（Ｐｏｗｅｒ）、制冷量（Ｃｏｏｌｉｎｇ），简称ＳＰＣ，最终能够实际使用的规模取决于ＳＰＣ三者中的短板。
民用建筑规模的核心指标是面积，而数据中心规模三因素中电量是核心指标。
对于新建的数据中心，有了电量规模就可以直接推导出制冷量规模，可以从容地在设计中考虑制冷。
而面积则有一定的弹性，面积不足时可以做高密度设计，即在一个机柜中放入更多的ＩＴ设备，从而在一定范围内提高单位面积的计算能力，也节省了面积。
值得一提的是，并不是密度越高越好，当密度高到一定程度后（具体密度值依赖于具体设计方案），进一步提高密度反而不省面积（因为支撑它的电力和空调设备所占的面积会增加），造价也显著提高。
民用建筑的造价一般由面积决定，而数据中心的造价主要由电量和可用性级别决定，面积对数据中心造价的影响很小。
①电量。
涉及三个方面：
ａ．ＩＴ关键负载，即ＩＴ设备的实际用电负载；ｂ．总用电负载，即数据中心的总用电负载，包括ＩＴ设备、空调、照明等的负载；ｃ．市电进线容量，即向供电局申请的用电容量。
如果ＩＴ关键负载为１０００ｋＷ，在一个比较节能（ＰＵＥ＝１．６）的绿色数据中心，总用电负载为１０００×１．６＝１６００
ｋＷ，市电进线容量需求大约为１６００／０．９≈１８００ｋＶＡ，考虑适当容量冗余，向供电局申请的市电进线容量为２０００ｋＶＡ，高等级数据中心要申请两路各２０００ｋＶＡ的单独进线。
②面积。
ａ．ＩＴ设备区占用的面积，也常被称为“高架地板面积”；ｂ．机电设备区面积，即空调、电气设备占用的面积；ｃ．其他功能区面积，主要指辅助性功能区域的面积，如监控室、休息室、备品备件室等，完全按照业主需求设置。
功率密度是一个与电量和面积有关的概念，是ＩＴ关键负载与ＩＴ设备区面积的比值，其数值越高表示单位面积的耗电越高，计算能力也越强。
在实践中，新建数据中心的常见功率密度在１～２．５ｋＷ／ｍ２，专门设计的高密度数据中心可达到５ｋＷ／ｍ２以上。
级别越高、功率密度越高，机电设备区面积也要越大。
一个功率密度为１ｋＷ／ｍ２的等级４的数据中心，ＩＴ与机电区面积的常见比值为１：
３（经验值），即１０００ｍ２的ＩＴ设备区面积，需要３０００ｍ２的机电设备区面积。
1.2 数据中心的可用性级别。
提供尽可能高的可用性是数据中心的核心价值。
数据中心的可用性通过机电系统的不同冗余设计体现出来。
表１列出了数据中心可用性级别的常见标准。
国家标准Ａ级大致对应了Ｕｐｔｉｍｅ标准的等级４和等级３，Ｂ级对应了等级２，Ｃ级对应了等级１。
表１数据中心可用性级别的常见标准
数据中心级别越高停机时间越短，停机业务损失越低，但建造和运行的投入成本显然越高。
理论上可以通过算经济账来决定合适的等级，但业务损失不经过专业评估往往不易量化，也可采用同业参考的方法辅助决策。
1.3 数据中心的主要系统。
数据中心有众多子系统，其中最核心的是电气系统和空调系统，这两者一般占数据中心总基建投资的７０～８０％。
电气系统提供供电保证，设计核心是发电机和ＵＰＳ的冗余拓扑结构。
假设３台ＵＰＳ的容量能够达到数据中心负载（Ｎ＝３），常见的２Ｎ设计会使用６台ＵＰＳ（３主＜４５ｆ７＞＜８Ｆ３备），而ＲＲ设计则使用４台ＵＰＳ（３主１备），除此之外还有Ｎ＋１，ＤＲ，２（Ｎ＋１）等不同的拓扑结构，具有不同的可用性指标。
空调系统解决散热问题。
ＩＴ设备工作时会产生大量热量，如不及时送走这些热量，会因过热而停机。
空调系统有“水冷”（冷冻水系统空调）和“风冷”（自带压缩机风冷空调）之分，水冷系统的初期投资比风冷系统高，但规模较大的数据中心采用水冷系统会更节能，规模越大节能效果越明显。
对于一个１０００ｋＷ的数据中心，一般２～３年内水冷系统节省的电费就能超过增加的初期投资。
1.4 绿色数据中心指标ＰＵＥ。
ＰＵＥ为数据中心能源效率（ＰｏｗｅｒＵｓａｇｅＥｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ），计算公式：
ＰＵＥ＝中心总用电量／ＩＴ设备用电量。
输入到数据中心的电量经过供电系统的损耗之后，有部分供给了空调系统，还有照明、电梯等楼宇设施的用电，真正被ＩＴ设备使用的电量只是总电量中的一部分（见图１）。
图１数据中心耗能示意
ＰＵＥ＝１时意味着数据中心所有的电量都供给ＩＴ设备使用（理论上的最高能效），ＰＵＥ＝２时意味着ＩＴ设备每用１度电，非ＩＴ设备也要用１度电。
常见的ＰＵＥ值在２．２以上，甚至高达３．０，而绿色数据中心的ＰＵＥ值可达到１．６甚至更低。
低ＰＵＥ的获得主要依赖于空调系统的设计和散热的气流组织，需要综合采用各种节能技术，包括自然冷却技术。
以表２为例说明低ＰＵＥ设计的价值：
这是一个分两期实施的大型数据中心，一期总电量约为１３ＭＷ，ＰＵＥ为２．２０时最大ＩＴ负载约为６ＭＷ，而ＰＵＥ为１．５５时最大ＩＴ负载约为８ＭＷ，在总电量不变的情况下能够比前者多安装５０００台标准服务器。
当ＩＴ负载达到６ＭＷ时，两者每年的电费差异就高达近２５００万元（电费常常接近数据中心总运行成本的一半）。
表２某大型数据中心的能耗
1.5 模块化设计。
在大型数据中心中，运行着大量程度不同的关键应用，不同应用的停机损失差异很大。
在模块化设计技术的支持下，一个数据中心可以有不同级别的模块；空间布置采用模块化设计，同时各功能系统也采用模块化设计，在建造时可分模块、分楼层、分期建设。
模块化设计的优势：
①使IT部署能够灵活适应于业务增长，不同业务部门可以相对独立地按需部署；②分区域实施，节省初期投资；③模块化机房的可复制性强，简化后期建设难度；④未来的模块扩容对已运行模块的影响很小。
2 数据中心基础规划
早期的数据中心规模不大，每个机柜的散热量也比较低，但现在计算机密度越来越高，数据中心规模也越来越大，在基础设施规划上按传统建设方式往往会给现代数据中心带来先天的结构性缺陷，带来高成本运行和数据安全等问题。
新建数据中心在基础设施建设上应注意以下问题。
2.1 规划科学性。
“新数据中心落成之日，就是‘修修补补’开始之时”。
这是一些单位在建设数据中心后的切身体验。
从最初的概念到最终能够部署设备的机房，往往要用两三年时间，建设期间业务和IT都在高速发展，虽然做的是五年规划，但设备迁入新机房时已经占用了大半的电量或面积，空调冷量开始不够，很快要进行改造，同时还要保证IT系统的正常运行，像是给飞在空中的飞机换零件，危险性很高。
这里涉及两个核心问题：
①十年规划。
一项针对美国6500个企业数据中心的调查显示，这些数据中心的实际平均运行时间为12年。
新数据中心的生命周期至少应当设计在10年以上（见图3）。
②规模估算。
对未来数据中心规模的估算的确是一项挑战性工作。
缺乏有效的规模估算方法，难以提供有效的需求作为设计输入。
当前数据中心的规模估算往往成为IT部门的一项“拍脑袋”工作，“拍”出来的数据有多大的准确性心里却没底，而且也说不太明白是哪一年的数据。
一种可行的估算方法是：
以现有的IT设备规模为基础，结合业务规划和IT规划，并参考以往IT设备的历史增长情况、近期的大型项目建设、设备使用周期、业务系统的IT基础架构的变化、行业平均增长状况、IT技术的发展等因素，确定每年的IT设备增长率，由此得出未来多年的数据中心规模。
图3数据中心的全生命周期
2.2 面积、电量、制冷量平衡。
新建数据中心的面积规划大并不能说明规模大，因为数据中心的规模决定于面积、电量、制冷量三者中的短板。
面积大供电容量不足或制冷设备不够，再大的面积也无法作为数据中心使用。
2.3 建筑结构设计缺陷。
从我国现阶段数据中心建设实践来看，完全由传统土建设计单位设计的数据中心容易出现结构性缺陷，主要问题在层高不足、承重不足、柱距不合理、运输通道考虑不足、供配电系统布局预留不合理、空调系统中的管线布局不足且不合理等。
2.3.1 层高。
一般设计单位都了解数据中心要求比较高的层高，通常为数据中心设计的层高在4m，而专业设计的大型现代数据中心的机房层高一般会在6m甚至更高，设备层（发电机、冷冻机等）的常见层高为7.5～9m。
对普通民用建筑而言，层高的增加意味着造价的增加，传统土建设计单位想不出再增加层高的理由。
即使IT部门提出了层高的要求，也往往会被整个单位需要更多办公面积的要求牺牲掉（我国的数据中心多数情况下是一栋大楼里面的一层或多层，大楼有限高指标，增加层高就会减少大楼总面积）。
数据中心机房的层高是解决散热问题的最经济的手段，增加层高所增加的造价相对于数据中心的总造价几乎可以忽略不计，但带来的能源效率的提升却可以大大降低数据中心的运营成本，节能减排可以在设计中体现出来，而不需要在楼宇落成之后费钱费力地进行节能改造。
设备层的层高则是发电机的进风和排烟所必须，同时也为了能够容纳大型设备。
2.3.2 承重。
早期相当多的数据中心地板最大承重只有420kg/m2，无法满足大型设备的部署。
高等级数据中心的计算机主机房承重应不低于1000kg/m2，高压配电、变电室、电池间等重型设备房间承重不低于1500kg/m2。
2.3.3 柱距。
数据中心的柱距直接影响到IT设备部署的效率，必须考虑到IT设备和机电设备部署的特点才能设计出合理的柱距，从而最充分地利用空间，并且能够有效地和机柜一起组成冷、热通道，节能降耗。
图4为某数据中心平面布局，由于结构设计的缺陷，造成机架布局不合理，不仅浪费空间，而且冷却效果大打折扣。
图4某数据中心的平面布局
2.3.4 运输通道。
由于数据中心的设计寿命在10年以上，刚投入使用时必然有较大的容量空余，一次性部署所有机电系统会造成很大浪费，因此一般分期部署。
要考虑预留大型设备吊装孔和大型货梯，机电设备通道要足够宽、高，而且能够满足大型设备在运输中转弯。
缺乏数据中心专业经验的设计可能导致大型设备无法到位。
2.3.5 变配电和制冷系统设计缺陷。
对于大型数据中心而言，变配电和制冷设计是整个设计的核心部分，如果设计原则发生偏差，会给数据中心未来运营带来很大风险。
按照国内传统的设计分工，变配电和制冷设计通常是由土建设计单位负责，而国内土建设计单位目前对数据中心的变配电、制冷系统的高可用性要求往往不能准确地理解，也缺乏大型数据中心建设的相关经验，难以保证数据中心的可用性。
3 大型数据中心规划及建设流程
大型数据中心建设需要考虑综合经济问题，而传统基础设施建设观念已不能适应，需要用新的观念指导数据中心建设。
3.1 以全局观念规划建设数据中心。
数据中心的概念有狭义与广义之分，狭义的数据中心就是场地基础设施层，而广义的数据中心则涵盖了IT应用层、IT基础设施层和场地基础设施层。
本文论述的是狭义的数据中心，重点讨论场地基础设施。
数据中心场地通过支持IT基础设施和IT应用最终为业务提供服务。
IT应用层为业务层提供信息支撑，两层之间的桥梁是信息架构；IT基础设施层以可靠的方式为IT应用层提供应用运行的硬件及网络环境，两层之间的桥梁是IT基础架构；场地基础设施层则为IT基础设施层的设备提供场地保证，两层之间的桥梁是场地可用性级别和场地SPC。
3.2 树立优先满足数据中心功能需求的观念。
前文讨论了数据中心在整个园区或整个楼宇中的重要地位和忽略数据中心功能需求会造成的种种缺陷。
为满足数据中心建设的专业特点，在规划建设时应调整流程，优先考虑满足数据中心的需求，再考虑传统民用建筑需求。
3.2.1 以科学方式确定数据中心规模SPC和可用性等级（中国国家标准A、B、C级，或是TIA-942标准等级）和办公需求。
3.2.2 选择运行成本低、资源保障充分（多路供电、充足的供水供油、多路便捷交通、多路通信接入、人才资源充足）、自然灾害和人为灾害风险度低并且能够满足规模SPC需求的地区建设数据中心。
从实践情况看，新建数据中心的面积和制冷一般容易解决，而电量则常常成为规模瓶颈。
务必在选址时全面评估供电风险，风险过高时应当另行选址。
3.2.3 数据中心楼宇和园区总体概念设计中，先完成数据中心的功能区和机房模块的概念布局图（色块图），成为建筑设计师的设计输入，进而完成整个数据中心单体楼宇的概念设计。
如果建设的是多栋楼宇的园区，还要进行园区的概念设计。
数据中心楼宇概念设计与园区概念设计有相互依赖的关系，有可能要反复多次调整。
3.2.4 项目进入到设计阶段，分三步：
方案设计、初步设计和施工图设计。
建筑设计和数据中心设计应当同步协调配合完成。
3.2.5 数据中心的建设涉及业务、IT和场地建设多个层次的需求整合，同时需要IT、通信、机电、建筑等不同专业领域的通力协作，是多技术系统综合的复杂工程，应当按照其专业特点，启用符合数据中心建设规律的建设流程。
只有具备数据中心建设施工资质的专业团队才能将优秀的设计落实到位。
4 结束语
本文讨论了大型数据中心规划的概念，结合实际，分析了数据中心主要系统对物理环境的要求，详细阐述了数据中心与民用建筑在结构上的区别，提出在规划建设上应关注IT、业务及场地等各方面的需求，优先满足数据中心用电、制冷、面积三个相互制约的基本条件，提高数据中心可用性级别，降低运营成本。
参考文献
1 田峰等.无线区域网和认知无线电技术[J].中兴通信技术，2006，12
（4）:
61～64
2 钟景华.新一代绿色数据中心的规划与设计[M].北京：
电子工业出
版社，2010
升级会员 