典型数据中心机房设计方案

1、数据中心机房模型介绍

数据中心机房是为电子信息设备提供运行环境的场所,可以是一幢建筑物或建筑物的一部分,包括主机房、辅助区、支持区和行政管理区等。典型数据中心机房模型如图1所示。



典型数据中心机房工程按照功能划分,主要包括辅助设备区(UPS及其电池、柴油发电机组)、主机房、监控室、会商间和办公区等。在实际建设中数据中心机房功能区域的设置和平面布置可以视具体情况有所不同。

数据中心机房的使用性质、管理要求及其在经济和社会中的重要性决定了其特殊性和安全性。它作为建筑物或建筑物的一部分,必然会受到外部环境的干扰,从而影响数据中心机房内电子信息设备的正常运行,轻者遭到经济损失,重者可能影响社会稳定,造成不可估量的重大灾难。外部环境主要包括不安全人员、雷电、水灾、电磁干扰、地震等。典型数据中心机房的风险识别和控制措施如图2所示。



基于数据中心的特殊性和风险控制的需要,典型数据中心机房工程所涵盖的工程内容主要包括以下几方面。

(1)装饰装修工程

①机房区环境工程;

②办公区环境工程;

③监控区环境工程;

④动力区环境工程。

(2)电气工程

①柴油发电机系统;

②不间断电源配电系统;

③动力配电系统;

④照明配电系统;

⑤电源防雷系统;

⑥机房接地系统。

(3)空调工程

①专用空调系统;

②辅助空调系统;

③新排风系统工程。

(4)消防工程

①自动报警系统;

②分区气体灭火系统;

③分区水喷淋系统。

(5)弱电工程

①楼宇设备自控系统;

②安防控制管理系统;

③通信网络自动化管理系统;

④结构化布线系统;

⑤公共信息系统;

⑥监控中心控制系统。

典型数据中心机房专业分布如图3所示。



数据中心机房工程的用途决定了其设计和建设的复杂性。在工程设计和施工过程中应着重解决如下问题:可用性、可管理性、安全可靠、节能环保。

为了更好地解决上述问题,数据中心机房工程设计、施工等参与各方应综合各专业的技术要求,并进行有效的整合、协调和集成,使得各专业在数据中心机房中发挥应有的作用,并形成一个有效的整体,为其中的电子信息设备运行提供高效、平稳的运行环境。

数据中心机房工程设计和施工所涉及的问题极多。文中就几个横跨多个专业的问题展开讨论,并结合笔者多年的工程经验提出相应解决方案:冷热通道的气流组织;管线综合平衡;集中监控平台。

2冷热通道的气流组织

数据中心机房的气流组织形式应根据电子信息设备本身的冷却方式、设备布置方式、布置密度、设备散热量、设备散热方式、室内风速、防尘、噪声等要求,并结合建筑条件确定。机房气流组织形式、风口及送回风温差如表1所示。



数据中心机房工程中机柜或机架高度应大于1.8m、设备热密度大、设备发热量大或热负荷大,一般采用活动地板下送风、上回风的方式。目前应用最广泛、最适用的气流组织形式为冷热通道的送回风方式。冷空气从机柜或机架的前面吸入,热空气从机柜后面排除。设备放置在机柜或机架内,将会达到极好的散热效果,如图4所示。



按照上述气流组织的要求,以下问题应得到很好的解决:

(1)静压箱的形成

根据《电子信息系统机房设计规范GB50174-2008》的要求,活动地板下的空间作为静压箱时,地板高度不宜小于400mm。活动地板下空间作为静压箱还应做好如下工作:

①应尽量选择优质的活动地板,以保证在长期低温恒湿环境下材料不变形,不膨胀。

②活动地板的铺装应加强质量管理,尤其在边角处理上一定要牢固,以免发生变形影响静压箱的密闭性。

③活动地板下的空间应做好封堵工作,尤其在管槽出入处、门(洞)口、轻质隔断等部位的封堵,以保证静压箱的密闭性。

④机柜或其它电子信息设备下方及下进线口应保证密封。

(2)保温处理

目前,多数数据中心机房工程选用机房专用空调。为了将机房温度控制在23℃±1℃,无论是水冷还是风冷系统,空调机组的出风口的空气温度一般在15℃以下。这样,整个静压箱的空气温度也将维持在此水平上。而机房下层作为办公区域,其空间温度一般维持在25℃左右。这样,机房地面(即下层楼板)上下会形成将近10℃的温差,极易在下层楼板结露,从而影响下层办公区域的使用。因此,地板下必须做好保温处理。保温材料的选择应满足消防要求,并应采用环保材料。目前,地板下保温材料多选用闭泡橡塑板。

(3)设备布置

为了保证气流组织顺畅,数据中心机房内设备布置应有利于空调送回风。目前广泛采用的方式为设备列与空调机组送风方向保持水平,避免交叉甚至垂直。图1所示的典型数据中心机房模型中,空调机组正面应与机柜(或设备)列正反面保持垂直。

机柜或机架的前门应朝向冷通道,而后门则朝向热通道。因为大量电子信息设备的风扇安装在设备后侧,这样将有利于冷通道吹出的冷空气在设备内主动流通,大大提高了散热效果。

在不同数据中心机房中可能安装不同类型的电子信息设备,但只要采用冷热通道气流组织,均应尽量按照上述原则进行设备布置。

(4)地板排布及风口安装

数据中心机房工程在采用冷热通道送回风方式时一般采用架空活动地板。目前,机房工程大量采用的是600×600(mm)的抗静电地板。选择风口地板时,应尽量选择与相应地板配套的风口地板。按照冷热通道气流组织要求,冷通道应安装风口地板,而在机柜或其它电子信息设备下方则应密封。照此原则,为了后期运行维护方便以及机房整洁美观,冷通道(设备列中)安装的风口板应尽量选择整板。结合地板的尺寸,如果冷通道放置两列风口地板(地板尺寸为600×600mm)时,宽度不宜小于1200mm(即可安装两整块风口地板),考虑到设备或机柜的尺寸,热通道的宽度可以做适当调整,以保证设备或机柜与地板缝协调。

数据中心机房设计时,设计人员应在地板平面图中注明风口地板安装数量和位置。风口地板的数量及安装位置应按照设备散热量、风口地板通风率、室内温差控制等因素综合考虑,由空调专业人员计算设计。在工程后期调试阶段,调试人员可以根据测试数据适当调整风口地板的数量和安装位置,但必须经过设计单位同意。

(5)管线综合

数据中心机房管线综合是一项复杂又必要的工作,具体解决方案详见后文。在采用冷热通道气流组织的机房工程中,管线综合应按照有利于气流组织顺畅的原则进行综合。

(6)回风保证措施

如图4所示,热通道的热空气应该顺畅地回到空调机组进行制冷处理,才能有效保证气流组织的顺畅性,从而有效降低设备温度。保证回风的措施主要包括:

按照图4所示,机柜或设备上方应该留有足够的空间才能有效保证回风要求。按照工程经验,机柜或设备的高度一般不超过2m,上方净空不宜小于0.6m。即机房的有效吊顶下净高应保持在2.6m以上,尤其是上走线方式的机房更应该保证不小于2.6m的净高。机房选址时应充分考虑建筑物的层高,以保证机房的净高。

在上走线机房内,管线综合时应充分考虑有利于回风的原则。

空调机组回风口应保证回风通畅,不应有遮挡。

(7)防尘处理

按照数据中心机房要求,静态条件下测试,机房内≥0.5μm的尘粒数≤18000粒/升。在采用冷热通道气流组织的数据中心机房内,空气的流动是十分顺畅的。这要求在气流组织通道内必须做好防尘处理。

地板下原地面应做好防尘处理。在地面保温和地板施工前,原地面应做好洁净处理,并刷(喷)防尘涂料,做好隐蔽检查记录。

原楼板(或有效转换层)做好防尘处理。在吊顶或转换层施工前,原楼板(或有效转换层)做好洁净处理,并刷(喷)防尘涂料,做好隐蔽检查记录。

数据中心机房内风管等保温材料应尽量避免使用玻璃丝绵等易起尘的材料。

(8)环保和节能措施

最新数据中心机房工程要求绿色和可持续发展,绿色数据中心机房是设计和施工参与人员今后长期一段时间共同的目标。

绿色数据中心工程涉及的专业多、内容也十分复杂。笔者结合工程实践经验,就采用冷热通道气流组织的机房工程在环保和节能方面的注意事项做如下介绍:

前文讲到为了有效回风,机房的净空不宜小于2.6m。但并不是说机房的净高越高越好。因为机房净空过高,气流组织空间加大,空调的负荷将加大,不利于节能。而机房净高在2.6～3.0m之间将会在回风和节能方面达到平衡。所以,机房选址时应尽量考虑这方面的因素。如果机房层高过高,一般建议增加二次吊顶及转换层,以降低机房净高。

为了保证气流通畅,机房空调机组将加压送风。空调设备出风口至最远端风口地板的距离俗称送风距离。送风距离如果较远,设备送风压力就大,而压力越大,机房噪声也将越大,而且空调效率也会大大降低。有人值守的主机房和辅助区,在电子信息设备停机时,在主操作员位置测量的噪声值应小于65dB(A)。为了降低机房噪声、提高空调设备效率,送风距离不宜超过15m。在机房选址、设计、平面规划时应考虑这方面的问题。

3管线综合平衡

数据中心机房是涉及多专业的集成工程。为了更好地解决数据中心工程专业协调、环保节能、使用方便、可扩展性和观感美观等关键问题,数据中心管线综合是一项十分必要而又复杂的工作。在项目设计和施工前、过程中,设计和施工等参与人员应该结合本工程做好规划和落实。

目前,更多的数据中心工程采用上走线无吊顶方式进行管线综合设计。笔者就此类典型的数据中心机房工程在管线综合方面做如下介绍。

(1)顶部联合支架安装

在采用上走线方式的数据中心机房中,顶部会有大量的机电安装工作,比如灯具、强弱电桥架、风管、消防报警、气体灭火管道、摄像机等。按照传统的安装方式,施工人员将在机房原顶板打大量的孔并采用膨胀螺栓连接。这种安装方式将产生如下不利影响:

①在原顶板大量打孔将有损原楼板结构;

②安装完成的设备不能移动位置,将不利于后期电子信息设备的安装和使用。

③可扩展性较差。随着机房后期发展,机房内设备有可能增加,相应强弱电线槽等将增加。如果采用传统的安装方式,势必在后期安装时将重新打孔,成品保护将是一个难题。

顶部联合支架安装方式将很好地解决上述不利影响。所谓顶部联合支架是指在原楼板下安装一层1200mm×1200mm网格∏型钢转换层。上述所有安装工作均在转换层受力,并与转换层卡接,而不是焊接。这样所安装的设备将可以在转换层上滑动,这样可以提高机房的灵活性及可扩展性。灯具的安装则采用倒∏型大龙骨,相应电源线敷设在大龙骨内,而灯具也可以根据实际需要在大龙骨上滑动。图5所示顶部联合支架安装实例。(未完待续)



(2)顶部气体灭火管道和报警管线排布和安装

顶部无吊顶的机房内只在顶部安装一层气体灭火管道和报警。消防报警应安装在顶部最高处,而气体灭火管道则紧贴转换层安装。

(3)顶部新排风管道排布和安装

为了保证机房内净高和气流组织顺畅,新排风管道排布应在满足规范的前提下尽量沿机房墙体贴顶安装,但不得安装在空调机组上前方或正上方,以免影响空调回风。此外,风管排布应与空调送回风方向顺直,不宜交叉甚至垂直。

(4)灯具排布和安装

无吊顶机房顶部的灯具应安装在设备或机柜列中上方,不宜安装在设备或机柜正上方。这样可以保证操作人员作业时有效利用照明。灯具的安装高度应在消防设施(气体灭火和报警)和强弱电管槽之间。

(5)上走线强弱电桥架排布和安装

采用上走线方式的机房在强弱电桥架安装时应结合机柜或设备的下线方式排布。比如某些机柜或设备在其背侧下线，相应桥架安装时应靠后侧安装,反之亦然。此外，为了保证桥架至设备下线弯曲半径符合规范，并且顺直美观，桥架高度以高出机柜200～400mm为宜，但距装修完成地面不宜低于2.2m，并要求机房内同类桥架高度尽量一致。

强弱电桥架安装时应与空调回风方向顺直,不宜交叉甚至垂直,尤其要避免在空调机组回风口附近交叉或垂直。

(6)地板下气体灭火管道和报警管线排布和安装

地板下气体灭火管道和报警管线应尽量贴近活动地板底部安装,并且与空调送风方向顺直,不宜交叉甚至垂直,尤其要避免在空调机组送风口附近交叉或垂直。

(7)地板下线槽排布和安装

目前,无吊顶机房大部分采用弱电上走线,强电下走线。强电线槽在地板下安装时应与空调送风方向顺直,不宜交叉甚至垂直,尤其要避免在空调机组送风口附近交叉或垂直。

为了保证送风顺畅,线槽应在热通道地板下敷设。这里要特别说明空调机组电源电缆敷设时,线槽应在机组后侧安装,以免影响空调机组送风。