数据中心基础设施:建设与设计

    数据中心的基础设施是计算机机房建设的重要环节。计算机机房工程不仅集建筑、电气、安装、网络等多个专业技术于一体,更需要丰富的工程实施和管理经验。计算机机房设计与施工的优劣直接关系到机房内计算机系统是否能稳定可靠地运行,是否能保证各类信息通讯畅通无阻。由于计算机机房的环境必须满足计算机等各种电子设备和工作人员对温度、湿度、洁净度、电磁场强度、噪音*、安全保安、防漏、电源质量、震动、防雷和接地等要求。因此,一个合格的现代化计算机机房,应该是一个安全可靠、舒适实用、节能高效和具有可扩充性的具有绿色理念的现代化机房。

　　一个现代化的数据中心建设一般应包括以下几个方面:装饰装修系统工程、供配电系统工程、空调和新风系统工程、建筑智能化系统工程、防雷系统工程以及消防系统工程等。而每个系统工程又由若干个子系统构成,每个子系统又由若干个单项工程组成。正是由这些不可再分的单项工程共同组成了一个复杂的数据中心的有机体。

1 数据中心供配电系统

　　1.1 设计理念

　　数据中心的负载大都是用于存储重要信息的服务器,任何的电力系统事故都将可能造成不可估量的损失,因此供配电设计力求安全可靠、系统清晰,且具有良好的可扩充性能。

　　1.2 设计要点

　　计算机机房负载分为主设备负载和辅助设备负载。主设备负载指计算机及网络系统、计算机外部设备及机房监控系统,这部分供配电系统称为“设备供配电系统”,它对供电质量要求非常高,应采用UPS供电以保证供电的稳定性和可靠性。在要求较高的机房项目中,UPS可采用并机技术。辅助设备负载指空调设备、动力设备、照明设备、测试设备等。“辅助供配电系统”的供电由市电直接供电。

　　机房内的电气施工应选择优质电缆、线槽和插座。插座应分为市电、UPS及主要设备专用的防水插座,并注明易区别的标志。照明应选择机房专用的无眩光高级灯具。

　　机房供配电系统是机房安全运行的动力保证,机房往往采用机房专用配电柜来规范机房供配电系统,保证机房供配电系统的安全。机房一般采用市电、柴油发电机组双路供电,柴油发电机组作为主要的后备动力电源,运行成本较低。

　　机房接地系统是涉及多方面的综合性信息处理工程,是机房建设中的一项重要内容。接地系统是否良好是衡量一个机房建设质量的关键性问题之一。机房一般具有四种接地方式:交流工作地、安全保护地、直流工作地和防雷保护地。在机房接地时应注意两点:

　　1信号系统、电源系统、高压系统和低压系统不应使用共地回路;

　　2灵敏电路的接地应各自隔离或屏蔽,以防止地回路和静电感应而产生*。机房接地宜采用综合接地方案,综合接地电阻应小于1Ω。

　　1.3 绿色理念在供配电设计中的运用

　　大型数据中心为了完成企业的数据处理与分析任务,设置了几十台或上百台甚至上千台的服务器,以及供服务器存放数据的大量磁盘阵列等设备,为了协同工作,这些设备还要通过网络级联起来,并且还有协同工作软件和设备把它们管理起来,这就造成设备众多、效率低下、占地空间很大,机房的供电、静音、空调、散热等问题都一一显示出来。因此综合起来,绿色数据中心建设是一项系统工程,因为它面临着诸多要解决的问题,对于IT行业来讲,主要就是提高IT设备(服务器、存储器、网络设备等)的电能利用率,尽量降低电能的损耗,此外,在提高计算密度的同时,通过新的散热技术和数据中心的整体设计来解决散热问题。

　　要解决这些问题,首先要了解和分析数据中心应用的具体情况,针对这些问题提出一个整体解决方案,只有这样,才能实现提高数据中心效能和降低电力损耗以及减少占地空间的整体目标。

2 机房空调和机房新风系统

　　2.1 设计理念

　　一般情况下，空调的设计要考虑备份，因为服务器设备工作时会散发出大量的热量，一旦空调设备出现故障就会导致机房内温度激升造成停机丢失数据等不可逆转的损失。因此一般考虑“一用一备”,或者“两用一备”的方式。一般不主张在数据中心内安装水冷机组,避免漏水事故造成停电。

　　2.2 设计要点

　　机房精密空调系统的任务是为保证机房设备能够连续、稳定、可靠地运行,需要排放机房内设备及其它热源所散发的热量,维持机房内恒温恒湿状态,并控制机房的空气含尘量。为此要求机房精密空调系统具有送风、回风、加热、加湿、冷却、减湿和空气净化的能力。

　　机房精密空调系统是保证良好机房环境的关键设备,应采用恒温、恒湿精密空调系统。

　　机房新风换气系统主要有两个作用:其一,给机房提供足够的新鲜空气,为工作人员创造良好的工作环境;其二,维持机房对外的正压差,避免灰尘进入,保证机房有更好的洁净度。

　　机房内的气流组成形式应结合计算机系统要求和建筑条件综合考虑。新排风系统的风管及风口位置应配合空调系统和室内结构来合理布局,其风量根据空调送风量大小和机房操作人员数量而定,一般取值是每人新风量为50m3/h,新风换气系统可采用吊顶式安装或柜式机组,通过风管进行新风与污风的双向独立循环。

　　新风换气系统中应加装防火阀并能与消防系统联动,一但发生火灾事故,能自动切断新风进入。如果机房是无人值守的则没必要设置新风换气系统。

　　2.3 绿色理念在空调设计中的运用

　　空调和新风的设计和配电一样,也是数据中心的核心内容。空调的热交换一直是造成大气污染的重要因素,因此在设计时要注意热量的计算尽量准确,避免很大的冗余造成能源的浪费。同时,虽然水冷机组要慎用,但是在防护得当措施得力的情况下,使用水冷机组将大大减少对环境的污染。在人员办公区,空调的设计更应该响应国家的号召,不能超量设计。

3 建筑智能化系统

　　3.1 设计理念

　　智能化设计在计算机机房建设中日益显示出重要的地位,其着眼于利用先进的设备和软件技术对数据中心内的人员和设备进行监控和管理,方便操作人员对数据中心进行维护。

　　3.2 设计要点

　　机房监控系统的规模不大,却是建立机房安全防范机制不可缺少的环节,能够24小时监视并记录机房内发生的任何事件。

　　机房门禁系统多采用非接触式智能IC卡综合管理系统。该系统可灵活、方便地限定进入机房的人员、时间、权限,防止人为因素造成的破坏,保证机房的安全。

　　机房的水患来源主要有：机房顶棚屋面漏水;机房地面由于上下水管道堵塞造成漏水;空调系统排水管设计不当或损坏漏水;空调系统保温不好形成冷凝水。机房水患影响机房设备的正常运行甚至造成机房运行瘫痪。因此，机房漏水检测是机房建设和日常运行管理的重要内容之一，除施工时对水害重点注意外，还应安装漏水检测系统。

　　随着社会信息化程度的不断提高,机房计算机系统及其环境设备均日益增多,机房环境设备(如供配电系统、UPS、空调、消防系统、保安系统等)必须时刻为计算机系统提供正常的运行环境。因此,对机房动力设备及环境实施监控就显得尤为重要。

　　机房环境及动力设备监控系统主要是对机房设备(如供配电系统、UPS、防雷器、空调、消防系统、保安门禁系统等)的运行状态,温度、湿度、洁净度,供电的电压、电流、频率,配电系统的开关状态,测漏系统等进行实时监控并记录历史数据,实现对机房遥测、遥信、遥控、遥调的管理功能,为机房高效的管理和安全运营提供有力的保证。

　　3.3 绿色理念在建筑设计中的运用

　　在智能化设计中要根据自身数据中心的特点和投资情况综合考虑，不能一味地追求最好的产品和技术，应该理性选择合适的方案。比如在设计保安监控系统时，有的用户要求24h不间断录像，这在实际应用中大可不必。可以选用追踪动态录像产品，一旦监控区域有移动目标出现时自动启动录像功能，这样就大大降低了对存储介质的需求，从而节省大量的投资。另外，在设计时要充分考虑系统的可扩展性和兼容性，否则新的产品和技术出现以后其升级改造会是一个难以解决的问题。

4 机房装饰装修系统

　　4.1 设计理念

　　机房内的装饰设计从风格上一般力求简洁、明快;从使用功能上吊顶和地板可拆卸以便维护,甚至有的用户要求墙面也要做到可拆卸;从功能分区上要遵循机房使用的一些基本需求,如更衣室、缓冲间、主机房、维修间、备品备件室、监控中心、参观走廊等都是必备的功能划分;从平面布局上力求合理和实用;从层高的考虑上不可一味追求大空间,这样会加大空调的配置。层高也不能过低,否则会造成压抑等不适感,同时在过矮的情况下如果摆放机柜过密还会影响机柜操作区域的照度;层高一般宜在2400mm左右,不宜高于3000mm,不宜低于2200mm。

　　4.2 设计要点

　　(1)隔断的设计

　　为了保证机房内不出现内柱,机房建筑常采用大跨度结构。针对计算机系统的不同设备对环境的不同要求,便于空调控制、灰尘控制、噪音控制和机房管理,往往采用玻璃隔断墙将大的机房空间分隔成较小的功能区域。机房外门窗多采用防火防盗门窗,机房内门窗一般采用无框大玻璃门,这样既保证机房的安全,又保证机房有通透、明亮的效果。

　　(2)地面的设计

　　在机房工程的技术施工中,机房地面工程是一个很重要的组成部分。机房地板一般采用防静电活动地板。活动地板具有可拆卸的特点,因此,所有设备的导线电缆的连接、管道的连接及检修更换都要便利。随着材料技术的发展,在很多无人办公的配电机房，越来越多地采用抗静电地板或者抗静电地板漆的地面设计，这样的好处是节省空间和成本，在层高受限制且采用上走线方式的配电室特别适用。地板的铺高一般在300mm左右，但是随着网络服务器等设备发热量的增加，需要更大的地板下空间来实现空调的送风和配电的线槽敷设。

　　(3)吊顶的设计

　　计算机机房内的吊顶设计宜采用金属板材,其一,满足防火规范;其二,不起尘、不掉纤维,可保证机房洁净度;其三,模数化的成品材料便于灯具、风口等设备的布置;其四,便于现场装配施工,缩短工期,且因避免现场二次加工而能充分保证产品质量。在大多数的通信机房设计里面,目前也较多采用无吊顶式的设计方案,这样做的好处是可以有效降低装修的成本。但与有吊顶的房间比,由于空间的加大会增加空调配置以及增大气体灭火保护区的容积,而这些投资往往有时候会超过装修节省的费用,而且美观性会大打折扣。因此在设计吊顶时要综合考虑如下因素:层高限制、美观影响、投资限制。

　　(4)墙面的设计

　　计算机机房内的墙面一般宜采用金属板材。其一,装饰效果好;其二,便于厂家根据现场测量的尺寸定制加工确保质量;其三,便于现场装配化施工,提高效率;其四,防火性能好,满足消防规范的要求。以前曾较多地使用铝塑板来做墙面的装饰，但因其不可拆卸，而且现场粘贴还会产生污染，防火性能比金属板差，因此逐渐淡出了设计师的视线。乳胶漆有时候也是一种不错的选择，从防火性能和成本上都能起到很好的效果。但对于需要在墙体内隐蔽走线的时候，施工的难度会加大。

　　4.3 绿色理念在装饰设计中的运用

　　在现代化的数据中心建设中,作为设计师必须强调绿色设计概念。所谓绿色设计是指环保无污染的可持续发展的设计理念。在装饰设计中,首先从平面规划上注意不要追求超大、超宽、超高。其次从选材上必须选用绿色环保产品。在用材方面不要一味追求奢华、高价,要选择与投资规模和使用功能最匹配的设计方案和材料。在设计时还要考虑今后几年的发展,一些房间的功能可以通过隔断的改造轻松合并,这样就赋予了计算机机房新的含义。

5 机房防雷系统

　　5.1 设计理念

　　防雷设计是一个非常重要的环节,国内外有很多关于数据中心遭受雷击的报道。数据中心一般要实现三级防雷保护。

　　5.2 设计要点

　　机房雷电分为直击雷和感应雷。对直击雷的防护主要由建筑物所装的避雷针完成;机房的防雷(包括机房电源系统和弱电信息系统)工作主要是防感应雷引起的雷电浪涌和其他原因引起的过电压。

　　5.3 绿色理念在防雷设计中的运用

　　在满足国家规范的前提下,还要考虑各地方气象部门的具体规定。在弱电防雷方面一定要结合实际。曾经碰到过一个案例,用户要求对局域网的每一个终端模块进行防雷设计,结果投资呈十倍以上的增长。实际上如果加以改进,既可以有效地起到防雷的作用,又可以大幅减少投资。

6 机房消防系统

　　6.1 设计理念

　　数据中心的消防设计要注重对人员和设备均不造成伤害,而且一定要注意与电气系统和空调系统的联动。

　　6.2 设计要点

　　机房应设置气体灭火系统,气瓶房间应设在机房外面。为管网式结构,在屋顶上设置喷嘴,火灾报警系统由消防控制箱、烟感、温感联网组成。

　　机房消防系统应采用气体消防系统,常用气体为七氟丙烷。

　　6.3绿色理念在消防设计中的运用

　　设计时要考虑喷射的气体必须无毒,对人员无害,对服务器设备不造成机械性损伤。因此,产品的选择是至关重要的环节。同时要结合装修设计,合理分区,合理设计层高等,这样可以优化消防设计,减少药剂的使用量,节约资金。

7 我国数据中心建设的现状

　　7.1 需要建设数据中心的单位对“绿化”认识不足

　　目前绝大多数需要建立大型数据中心的单位,对数据中心“绿化”认识不足。在系统规划时,只是看到了数据中心的处理能力如何,磁盘阵列要多大,网络怎么规划,UPS如何配置等情况。而对数据中心的能耗、空调、环保设计还缺乏认识，或者根本没有把数据中心的节能、降耗、运营成本等进行综合考虑。节能减排是国家可持续发展的战略决策，还需要加大力度提高IT行业对建设“绿色数据中心”的认识，并且要求任何单位在进行数据中心规划时,都要考虑数据中心的“绿化”问题。

　　7.2 真正做到节能、降耗的IT产品还不多,用户选择空间不大

　　数据中心的“绿风”虽然已经吹起,市场潜在需求很大，但技术驱动的动力不足，也就是说，真正能保证数据中心的效能又节能、降耗、环保的IT产品少，无论是服务器、网络、存储还是UPS等品种少，门类不全，希望IT业生产厂商和研制单位尽快研制出数据中心“绿化”的系列产品，在绿色数据中心建设中，充分发挥技术驱动的作用。

　　7.3 数据中心整体架构需要变革

　　实际上目前使用的服务器架构已经沿用了几十年了,存在问题已经浮出水面,刀片机的问世使服务器的架构设计向前迈进了一步,但也带来了通风散热的问题,数据中心众多的网络设备、存储设备等,虽然通过网络连接起来,但实际上仍是一个个独立的群体。数据中心设备的整合、优化,进行集约化、集成设计已经提到了日程。实现提高服务器的效率和整个数据中心的效能,具有节能降耗和降低整体成本的功能,这就要求数据中心和服务器的体系架构设计必须变革,用户在期待新一代服务器时期的到来。

　　7.4 绿色数据中心建设缺少统一的标准和规范

　　绿色数据中心建设的春风已经吹起,但是什么是绿色数据中心,绿色数据中心应该参照什么标准进行设计等等,没有一个公认的概念和标准,这对绿色数据中心的建设发展不利。要更快地出台这方面的规范和标准,指导数据中心的建设。

　　绿色数据中心建设是一个系统工程,它不仅取决于IT技术发展的驱动,而且也和建筑技术发展有关。信息技术与建筑技术的结合可以更有力地驱动绿色数据中心的建设向前发展,在看到了希望和前途的同时,也要认识到绿色数据中心的建设任重而道远。