舒建军 南京大学无线电学士， 复旦大学MBA硕士，高级工程师，现任中国移动通信集团公司计划建设部基建管理处经理，中国建筑业协会智能建筑分会专家工作委员会数据中心专业组副组长。近年来负责研究中国移动数据中心的规划布局、建设标准与建设方案，并推进项目建设，具有丰富的数据中心规划与建设管理经验。主持或参与公司重大研发项目多项，获得省部级和公司级奖励二十余项，专利授权14项，发表各类论文十余篇。
1 引言
数据中心是互联网重要的基础设施，是承载云计算与未来业务发展的重要载体。在云计算、大数据、互联网客户需求等因素的驱动下，中国IDC市场保持快速持续增长。2008-2015年，中国IDC市场规模增长约9倍，2015年中国IDC市场规模接近500亿元。
在保障机房安全运行的情况下，如何因地制宜利用环境与资源条件，合理规划与设计数据中心土建与机电工程，提高装机效率，降低建设投资与运行成本，并能灵活适应IT设备的发展，是数据中心建设者面临的共同课题。中国移动近年数据中心建设中，在数据中心园区总平面、建筑结构、空调系统、电源系统等方面着力开展了创新研究与论证，通过推行“集中化、标准化”，优化形成标准化机房平面布局与机电系统配置方案，并在数据中心建设中规模应用，收到了良好成效。
2 规划建设原则
数据中心规划建设需从全生命周期的角度，围绕“安全、高效、节能、灵活”的原则，努力实现IT、土建、机电等各系统的最佳匹配。
安全：为主设备正常运行提供连续不间断的环境条件，保障机房安全稳定运行。
高效：科学合理设计，减少不必要的冗余，推行标准化，提高装机率，降低建设投资及后期运行维护成本，确保效益。
节能：积极推行新技术、新工艺，PUE值严格控制在1.5以下并尽可能降低。
灵活：适应云计算、IT、机电等技术发展形势，具有前瞻性、通用性，确保远期平滑扩容。规划建设阶段适应不同客户与等级需求，运行阶段可根据实际负荷灵活调配资源。
3 技术方案研究
3.1 土建工程
3.1.1 标准化平面
统筹考虑功能需求、交通流线、防火分区等因素，压缩机柜列间距，减少辅助用房面积和不必要的交通面积，研究提出紧凑合理的单栋机房楼标准化平面，尽可能提升装机率。
在园区总平面图方面，提出单独建设、两两集水母管连接、大集中建设3种总体平面布局，并优先考虑集水母管连接或大集中方案。
3.1.2 限定钢筋混凝土用量
机房楼采用钢筋混凝土结构，选用合理的地基与基础形式，根据最新规范标准，研究确定钢筋及混凝土的合理用量范围，降低造价。
3.1.3 限制装修标准
根据机房特点，限定外装修采用涂料，不得采用石材或幕墙，不应设置与使用功能无关的装饰造型。内装修中的墙面、顶棚饰面应采用乳胶漆。
3.2 空调系统
3.2.1 冷源
在机组选型方面，大型数据中心冷源主要包括风冷冷水机组和水冷冷水机组两种形式。风冷冷水机组一般选用带自然冷却的螺杆机组，过渡季节或冬季选择自然冷却器运行；水冷冷水机组一般选用离心式机组、开式冷却塔和板式换热器组合的方案，夏季通过冷水机组和冷却塔供冷，过渡季节或冬季不开压缩机，通过开式冷却塔和板式换热器供冷。综合比较，水冷机组较风冷机组效率更高，机组容量更大，同样冷负荷下机组数量与占地面积均较小，节省初始投资；避免热岛效应，有利于保障系统安全运行；PUE较风冷形式降低0.07左右，即使考虑耗水后，运行成本也较风冷形式更低。因此，一般情况下，水冷冷水机组更合理。以某栋2×104m2、工艺负荷1.5×104kW、电价0.38元/m3、水价4.45元/m3的机房楼为例，选用水冷机组形式，节约投资超过2 000万，水电运营成本每年可节约140多万元。
在机组供电方面，通常有低压或高压供电两种形式。大容量高压离心式冷水机组可有效降低设备数量，减少占地面积；节省水泵、管道系统投资；减少变压器投资与运行损耗，群控系统更容易控制，因此具有更大优势。对于初期业务设备负荷较低时，冷水机组可以采用间歇运行模式或冷水机组与蓄冷罐交替运行模式，使冷冻水温度波动维持在一定范围内，避免发生喘振现象。
在系统架构方面，大型数据中心园区一般规划若干栋机房楼，两栋相邻机房楼的制冷系统集水母管连接贯通（“手拉手”贯通），如图1所示，形成一套制冷系统，提高系统安全性，更好地适应运行初期低负荷的问题，便于集中运维管理。同时，按一套系统计算冷水机组冗余配置，可减少备用主机数量，减少占地面积，降低建设投资。
图1 集水母管连接示意
3.2.2 自然冷源
水冷冷水机组一般采用板换与开式冷却塔的方式利用自然冷源。以某严寒地区数据中心为例，全年52%以上的时间可以完全关闭压缩机，比完全采用压缩机电制冷节能42%以上。
提升供回水温度，可以有效挖掘节能潜力，能够提高空调显热比和制冷效率，同时增加自然冷源的利用时间。温度每提升2℃，针对不同地区（除夏热冬暖地区外），完全自然冷却小时数增加350～850 h以上。但提高冷冻水供回水温度，也会带来一些不利影响，如空调末端换热器规格增大、服务器功耗增加以及系统断电后，机房温升到报警时间缩短等问题。目前，数据中心一般供回水温度为10℃～15℃。综合考虑冷机效率、应用自然冷源时间、末端功耗等影响，供回水温度设置在14℃～19℃以上较为合理。
对于严寒地区，采用开式冷却塔获取自然冷源需要注意防冻与应急措施，包括填料壁增加保温、加长导流板、增加进风口挡风板、集水盘电加热器、风机变频等措施。也可以采用开式间接蒸发冷却塔，通过进口风处预热，有效防止塔体内结冰。
(1) 新型空调末端
目前，空调末端正在从房间级制冷向行级制冷、机架级制冷推进。
冷冻水机房专用空调是常用的房间级制冷末端形式。该末端送风距离较长，风压要求较高，空调末端PUE因子约为0.1，能耗较高。
中国移动在数据中心建设中，研究并规模应用了冷冻水列间空调、热管背板等机柜级空调末端形式。图2为数据中心空调末端的演进。新型空调末端可以实现列间级、机架级就近制冷，制冷效率高，节能率可达到60%以上；减少空调设备间，节省机房空间，装机率提高10%以上。
其中，热管背板为机架级就近制冷，安装在机柜后门，通过背板的液态制冷剂吸收热空气的热量，制冷剂沸腾并气化成为蒸汽状态，在自身压差的作用下，被输送至机房外的换热器中，并被重新冷却成液态制冷剂，然后回流至背板中。系统运行依靠重力，无须其它动力；系统借助工质相变吸热，制冷效率高；气体输送距离短，风机压头较小；水不进入机房，安全性高。
图2 数据中心空调末端的演进
列间空调通过空调前部出风，水平吹向两侧机柜，经过机柜前门并对设备制冷，经机柜后门再回风到空调后部。采用封闭通道减少混风损失，但需要采用防水措施保障安全。
(2) 余热利用
在机房余热散发到室外大气之前，将冷冻水的回水与热泵进行热交换，普通热泵机组可产生45℃～50℃的热水，为生活园区提供生活热水与采暖；通过高温热泵机组可生产60℃～65℃热水，为生活园区提供散热器采暖。
电锅炉每产生100kW热量需要消耗100 kW以上电能，而热泵机组仅需消耗20 kW电能，即可搬移80 kW低品位的机房余热，转化成100 kW的高品位热量。因此，热泵机组更节能。以某严寒地区数据中心为例，3年左右即可收回全部建设投资。
3.3 电源系统
3.3.1 高压发电机组
高压发电机组额定输出电压为10 kV，多台机组形成并机资源池，大幅提高安全性；可减少冗余配置，减少油机并相应减少配电设备和油机室；提高电压等级，节省大量母排投资。图3为高低压发电机组架构示意图。
图3 高低压发电机组架构
3.3.2 336V高压直流
整流模块将交流电源输出的380 V交流转换成336 V直流，336 V直流经直流配电单元给主设备供电。图4为电源转换对比。推行336 V高压直流替代UPS，开关电源系统侧减少一次DC/AC变换，IT设备侧减少一次AC/DC变换，效率提升3%；与“双系统双回路”的UPS相比，高压直流采用“单系统双回路”，投资可减少40%以上，占地面积节省50%；由于直流系统电池直挂母线，供电可靠性提升。
3.3.3 市电直供
图5为市电直供示意图，市电不经过不间断电源转换，正常时由市电直接给设备供电；市电中断时切换至备用电源系统，保证设备不间断运行，PUE可继续降低0.03以上。
图4 电源转换对比
4 技术发展展望
4.1 土建工程
数据中心机房未来将逐步向“大空间厂房”演变。根据数据中心特性，机房应按厂房定性，减少消防、节能等诸多限制；在布局方面，柱网尺寸进一步扩展，同时扩大机房平面，增加机架布置灵活性，提高装机率。
4.2 空调系统
冷源系统将向提升冷冻水供回水温度，减少压缩机运行时间进一步演进。空调末端方面，未来将向“芯片级制冷”进一步演变，图6为芯片级制冷示意图。通过芯片级制冷，带走CPU等主要发热单元热量，大幅提高利用自然冷源时间，进一步降低PUE值与投资。
4.3 电源系统
近期主要推行市电直供以及架顶母线等新型通信电源技术。架顶母线通过始端箱代替列头柜和线缆，可节约列头柜占地，提高装机率，提高配电系统柔性。飞轮UPS通过与油机的精准配合，在市电中断后、油机启动带载之前向重要负载供电，可以取消蓄电池等。
图5 市电直供示意
图6 芯片级制冷示意
根据电池技术的发展，未来可能进一步向“分布式、直流电源”方向发展，包括IT机柜内分布式锂电池形式。
4.4 智能化系统
智能化管理系统向“全面监测、集中管理、系统调控”进一步演变。利用建筑设备、动力环境、能源管理、资源管理等功能，通过全景视图等手段，实时监测机电系统的工作状态，归集、分析各系统运行数据，并根据控制逻辑及策略对主要耗能设备进行节能控制，保证系统在高效率、低能耗状态下稳定运行。
5 应用案例
中国移动在新建数据中心中全面应用上述措施，包括采用水冷大容量冷水机组，冷冻水供回水温度提升至14℃～19℃以上，冷却塔与板换方式利用自然冷源，同时结合当地条件开展余热利用，采用热管、列间空调等更为贴近IT设备的新型末端，集中部署高低压变配电与高压油机，采用336 V高压直流等措施，同时统一冷水机组、发电机等主要机电设备的型号规格。目前，严寒地区新建数据中心年均设计PUE值达到1.32，南方地区控制在1.49以下，全国平均为1.4，与国家五部委要求PUE控制值1.5相比，每栋2×104m2的机房楼年可节电900万元以上（电价按0.7元测算），单机架建设成本降低20%以上，逐步形成了业界领先的技术水平和竞争能力。
6 结束语
数据中心建筑、空调与电源系统规划是提高装机效率、节约建设投资与降低运行维护成本的重点。围绕“安全、高效、节能、灵活”的目标，运营商应重点从科学规划平面布局、充分利用自然冷源、推行市电直供等创新措施着手，推行标准化方案与配置，实现数据中心低成本高效率运营。
核心关注：拓步ERP系统平台是覆盖了众多的业务领域、行业应用，蕴涵了丰富的ERP管理思想，集成了ERP软件业务管理理念，功能涉及供应链、成本、制造、CRM、HR等众多业务领域的管理，全面涵盖了企业关注ERP管理系统的核心领域，是众多中小企业信息化建设首选的ERP管理软件信赖品牌。
转载请注明出处：拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
本文标题：数据中心技术创新研究与发展展望
本文网址：http://www.toberp.com/html/consultation/10839720665.html
相关文章
