某鋼鐵企業數據中心機房建設方案的比選研究

沈 璐

（湖南省建筑設計院有限公司，長沙410012）

0 引言

數據中心機房作為企業內部的重要領域，對安全性能要求非常高，機房的基礎設施建設需保障業務系統連續穩定的運行需求。 因此，傳統數據中心建設與運營都面臨著壓力和挑戰，為了使設計建造最優化，需要改變傳統的規劃設計和建造模式，采用符合當代數據中心發展潮流的一體化、標準化、模塊化、高效節能的機房設計建造原則。

1 需求分析

本案例為某鋼鐵企業數據中心項目，機房面積約為1 140m2，其中主機房面積約500m2，機房輔助區約640m2，規劃建設80 個IT 機柜，信息化設備分兩期實施，每期部署40 個IT 機柜，機房土建一次性建設到位。 機房工程按A 級數據中心標準進行建設。

該機房是鋼鐵企業信息化建設的關鍵節點，保障鋼鐵企業信息化工作的正常穩定運行。 該機房建成后需要滿足5～8 年內的可靠性和先進性，并具備在更長生命周期內的可擴容性。

本文將就模塊化和傳統數據中心的建設方案進行分析和比選，對數據中心UPS 和精密空調等主要設備容量進行選型計算，得出適合本工程的解決方案。

2 模塊化數據中心和傳統數據中心方案比選

2.1 機房裝修

本工程地面采用陶瓷防靜電地板，墻面采用彩鋼板，吊頂采用微孔鋁合金天花。 按傳統機房建設，機房凈高宜保證3.2m 以上；按模塊化機房建設，凈高保證2.6m 即可滿足使用要求。 本工程設置在一層，梁下凈高3.88m，兩個方案都滿足要求。

2.2 機房制冷

傳統機房：精密空調采用“下送風上回風”的氣流組織，先冷環境，再冷設備，制冷量需求等于IT 設備能耗與環境能耗的綜合，考慮冗余20%；下送風方式，機柜上部容易出現局部熱點，冷熱空氣混合，制冷效率低。

模塊化機房：封閉冷通道，集中對設備制冷，制冷量需求需滿足IT 設備能耗，考慮冗余20%。 冷熱空氣隔離，制冷效率高。

相較之下，模塊化機房可減少環境能耗，制冷效率更高，空調能耗更小，需配置的空調數量更少，空調配比節約25%。

2.3 功率密度

目前傳統機房功率密度一般最大3kW／機柜，超過后將出現局部熱點；若機房面積增大，將會使制冷效率更低，出現局部熱點幾率更大。 按照80 個IT 機柜計算，機房總功率為240kW。 而模塊化機房一般每個機柜功率密度3 ～12kW，最高時可達到每個機柜21kW。

在本次工程建設中，筆者所在單位進行了靈活選擇，按照每個機柜6kW 或9kW 來算，總功率分別為480kW 或者720kW。 相較而言，模塊化機房機柜功率密度更大，占地面積僅為傳統機房的50%甚至更低。

2.4 PUE 值

假設一期機房共有IT 負載機柜40 個，每機柜平均負載功率為3kW，則IT 設備總能耗為120kW。目前國內傳統機房的PUE 值一般在2 ～3 之間，本次取值2.2。 根據權威測試，模塊化機房的PUE 值一般在1.45～1.6 之間，本次取最大值1.6。 根據公式，PUE 等于機房總能耗除以IT 設備能耗，按照目前每度電1 元計算，則：傳統機房總能耗＝120kW×2.2 ＝264kW， 傳統機房一年總電費＝264kW×24×365×1 ＝231 萬元；模塊化機房總能耗＝120kW×1.6＝192kW，模塊化機房一年總電費：192×24×365×1 ＝168 萬元。

根據數據對比，模塊化機房每年節約電費約63萬元，節約能耗約27%。

通過上述分析，相較傳統建設模式，模塊化的建設模式具備了更多優勢，另外模塊化機房所有產品模塊經由在廠家預制、現場拼接、去工程化設計等操作之后，建設周期較傳統機房縮短一半以上。另外，模塊化機房若統一品牌，故障處理只需找一個廠家解決，故障修復時間短、可維護性更強，具有一定的可擴展性；但傳統機房基于多家產品的應用，外觀搭配不和諧，不如模塊化機房形象統一。

針對本項目的要求， 一、二期分別建設2 個雙排通道的微模塊，每個雙排通道由2 組單排柜體位分兩列面對面排列，和封閉通道組件組合形成封閉冷通道的微模塊。 每個微模塊包括20 個IT 機柜；2臺配電列頭柜分配本通道的機柜用電，每個機柜配兩條PDU 組成雙路供電；2 臺配線列頭柜分配本通道的機柜的綜合布線。

3 機房UPS 方案比選

UPS 選型可以采用工頻機和高頻模塊機兩種方案。

工頻機的工作原理是基于變壓器輸出的UPS，使用SCR 晶閘管器件作為整流器元件，整流器調制工作頻率與電網頻率（50Hz）一致。 優點：過載能力、抗輸入浪涌能力、輸出抗沖擊及短路能力高；在市電惡劣的環境下，工頻機能提供更安全和可靠的保護；維護簡單。 缺點：尺寸大，噪聲大，對負載和市電變化的動態響應性能較差；效率低。 一般應用于石油石化、化工、高端制造等行業。

高頻模塊機的工作原理是將直流提升到UPS輸出所需的電壓，從而省掉了輸出變壓器，整流器采用高頻調整方式；通過把高頻UPS 的功率部分單獨做成一個個功率模塊，把旁路切換模塊和控制單元做成模塊單元，并基于每個模塊并聯輸出。 優點：體積小、重量輕、功率密度大、整機效率高、輸入諧波電流??； UPS 功率部分即可實現“N＋1”冗余，性價比高。 缺點：過載能力、抗輸入浪涌能力，輸出抗沖擊、短路能力一般；模塊數量較多時增大了故障頻率；維護較復雜。 常應用于通信、IDC 機房。

考慮到本工程為鋼鐵制造企業，電源質量比較復雜，高頻模塊機在環境適應性和抗沖擊能力上仍然不及成熟度更高的工頻機，本工程UPS 選用工頻UPS。 項目一期的機房設備總負荷為3×40kW ＝120kW，根據冗余1.2，UPS 輸出功率因數0.9，UPS最佳運行負載70%計算，則UPS 的選型容量為120×1.2÷0.9÷0.7 ＝229kVA。

此外，基于對機房重要性及后期可擴展性的考量，選用可靠性更高帶有輸出隔離變壓器的300kVA工頻UPS。 根據A 級機房設計要求，本次設計方案采用兩臺300kVA UPS 組成2N 架構，保障機房負載供電的穩定性及可靠性。 本工程設置柴油發電機，UPS 的后備時間要求15min，根據恒功率計算方式，每臺UPS 需采用32 節12V／220Ah 蓄電池，滿足后備時間的要求。

4 機房空調方案比選

機房主要的熱負荷來源于IT 設備、基礎設施（如供配電等設備自身損耗發熱）、照明設備、建筑維護結構的傳導、太陽照射玻璃窗帶來的輻射熱、換氣及室外侵入、人員等。

IT 設備熱負荷和基礎設施熱負荷可合并歸作機房設備熱負荷，用Q1 表示；其余熱負荷可合并歸作機房環境熱負荷，用Q2 表示。 因Q2 中的傳導熱負荷和輻射熱負荷，與季節、時間、地理位置和太陽的照射角度均有關聯，很難精確測算，故一般根據經驗對Q2 進行估算，則Q2（黃河以南）＝0.18kW／m2×機房面積；機房總熱負荷用Qt 表示，Qt ＝Q1＋Q2。

根據以上理論，對本項目微模塊熱負荷進行計算推導，則Q1 ＝IT 設備熱負荷＋UPS 損耗發熱＝60kW＋［（60kW／電池逆變效率94%）－60kW］ ＝63.8kW；Q2 ＝0.18kW／m2×機房面積＝0.18kW／m2×微模塊占地面積（8.4×3.6）m2＝5.44kW；Qt ＝Q1＋Q2 ＝69.24kW。

4.1 行間空調方案

根據機房微模塊熱負荷計算結果，項目一期中每套微模塊采用3 臺39kW 行間空調組成2＋1 冗余系統，保障微模塊內的制冷要求。 兩期共計12 臺39kW 行間空調。

（1）氣流組織：側送風，機柜后回風。

（2）行間空調方案的優點：微模塊集成度較高，減少機房分區；水平送風，無局部熱點，冷熱空氣隔離，制冷效率高，適合高密度大型數據中心。

（3）行間空調方案的缺點：行間空調位于微模塊，意味著對機房供電和制冷設備的操作、維護和巡檢都需要進入機房最核心的IT 機柜冷通道中，機房的動力維護和IT 維護無法實現物理隔離，增加安全隱患；行間空調的制冷范圍是其所屬的微模塊，按“N＋1 冗余”要求意味著每個微模塊都必須冗余一臺行間空調。 以該項目為例，4 套微模塊需要冗余4 臺行間空調，冗余成本大、擠占過多IT 機柜位、極大增加了室外機安放選址難度；此外，數量較多的行間空調管道較多，風險點較多，相對漏水的隱患較多，直接危及相鄰IT 設備；行間空調自身工作時的振動對相鄰IT 機柜內的設備有難以預料的影響。

4.2 房間級空調方案

根據機房微模塊熱負荷計算結果，選用70kW精密空調1 臺，項目一期中兩套微模塊共計3 臺70kW 精密空調，組成“N＋1 冗余”系統。 兩期共計6 臺70kW 精密空調。

（1）氣流組織：冷通道地板下送風，上回風。

（2）房間級空調方案優點：避免了采用行間空調的缺點。

（3）房間級空調方案的缺點：房間級空調體積較大，維護較復雜，熱負荷需要在行間空調方案的計算基礎上增加靜電地板下靜壓箱的熱負荷，制冷效率受到靜壓箱尺寸影響。

4.3 機房PUE 值計算

PUE ＝數據中心總能耗／IT 設備總能耗＝1＋供配電因子（PLF）＋制冷因子（CLF）。

（1）供配電因子PLF

計算數學模型為：供配電因子＝低壓配電系統損耗＋UPS 系統損耗＋供電電纜損耗，考慮到低壓配電系統和供電電纜損耗很?。ɑ臼倾~損與接觸電阻損耗，統計數據一般為1%～3%），且本項目電纜路由較長，這里取3%。

本項目UPS 選用300kVA UPS，供配電系統為2N 雙母線系統，單機柜3kW 考慮，總負載約為240kW，當負載率為100%時，UPS 效率約為94.5%，損耗率為5.5%，即0.055，故PLF ＝0.03 ＋0.055＝0.085。

（2）制冷因子CLF

計算數學模型為：制冷因子＝制冷消耗功率／制冷量＝1／空調整機能效比

方案一采用行間空調39kW 共計12 臺。 根據權威機構出具的第三方測試報告，空調能效比為3.65，CLF ＝1／3.65 ＝0.27；電池室精密空調的能效比為3.2，CLF＝1／3.2 ＝0.31。

因此，PUE（100%）＝1＋供配電因子（PLF）＋制冷因子（CLF）＝1 ＋0.085 ＋0.58 ＝1.665，按單機柜3kW 滿載計算，為94.5%。

同理，PUE（60%）＝1＋供配電因子（PLF）＋制冷因子（CLF）＝1 ＋0.11 ＋0.58 ＝1.69 時，則為92%；PUE（30%）＝1 ＋供配電因子（PLF） ＋制冷因子（CLF）＝1＋0.14＋0.58 ＝1.72 時，為89%。

方案二采用房間級空調70kW 共計6 臺。 根據權威機構出具的第三方測試報告，空調能效比為4.95，CLF ＝1／4.95 ＝0.20；電池室精密空調的能效比為3.2，CLF＝1／3.2 ＝0.31。

因此，PUE（100%）＝1＋供配電因子（PLF）＋制冷因子（CLF）＝1.595（單機柜3kW 滿載計算）。

同理（供配電因子（PLF）計算結果同方案一），PUE（60%）＝1 ＋供配電因子（PLF） ＋制冷因子（CLF）＝1＋0.11＋0.51 ＝1.62；PUE（30%）＝1＋供配電因子（PLF）＋制冷因子（CLF）＝1 ＋0.14 ＋0.51＝1.65。

如表1 所示，為行間空調方案和房間級空調方案的運營成本對比。 由表1 可知，從前期投入來看，行間空調的成本約為155 萬元，房間級空調的成本約為200 萬元，投入相差45 萬元左右，根據表1 運營成本每年可節省約78 萬元，半年多的時間即可節省出前期投入費用，并達到持續節能的目的。

行間空調方案和房間級空調方案的運營成本對比 表1

5 結束語

通過上述分析可以了解，模塊化的建設模式相較傳統建設模式具備更多優勢，在滿足客戶業務需求的同時創造更多價值，是未來數據中心建設模式的方向標。 相對于幾百上千個IT 機柜規模的大型數據中心，本工程的建設規模較小，因此高能效的房間級空調經濟效益更高。

對于大型數據中心還是應優先考慮模塊化行間空調；對于UPS 的選擇方面，因為鋼鐵企業對可靠性的要求很高，且廠區市電質量有可能出現惡劣情況，故采用工頻機UPS 作為數據中心后備電源。因此，模塊化數據中心選型時應根據實際應用場景平衡低投資、高回報之間的矛盾，滿足高密低耗、快速部署、靈活擴展的需求。