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提高数据中心空间使用率助力数字新基建
2020-08-13分类:数字新基建 / 数字新基建来源:通信世界全媒体

新金融网2020年3月4日,中共中央政治局常务委员会召开会议指出,要加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设的进度,政策的推动和需求的影响将会让数据中心产业快速发展。根据赛迪资讯的分析,未来8年国内数据流量将实现32倍的增长,同时考虑到服务器性能提升每4~5年实现8倍增长,未来8年数据中心的机架数量将是目前的2~3倍。预计到2022年新增投资1.5万亿元,带动相关投资3.5万亿元。


以“新基建”为契机,加快数据中心建设,增强在新形势下的竞争力显得尤为重要,善用每一寸空间是提高数据中心竞争力的手段之一。数据中心空间总是不够,这其实是有限资源和无限需求之间的矛盾,可以通过增加空间或提高空间的利用率来解决空间不够的问题。对于设计好的数据中心无法再增加空间,只能通过提高空间利用率、增大密度来解决,而部署新数据中心的时候,应当在规划和设计之初就解决好空间使用效率的问题。


影响数据中心空间使用效率的六大因素


数据中心的空间使用效率简单地说是用于装机的建筑面积与数据中心总建筑面积的比值,这个比值越低越好,越低意味着更多的空间用于安装机架,一般用单机架建筑面积或单千瓦建筑面积来计算和衡量。空间使用效率有平面空间和高度空间两个层面,规划设计时需要两个层面统一考虑,达成合理的解决方案。


数据中心空间使用效率与多方面的因素相关,包含服务器的选择与安装、机电方案的设置及设备的选型、保障等级及平面布局等。


机架空间分析


随着服务器越来越小型化,在同样的机架空间内,安装的服务器越多,意味着单机架的功耗越大、计算能力越集约、越节省空间,同时单机架所对应的配套用房面积也就越大,但总体来说单机架功耗越大,空间越节省,单千瓦的建筑面积越小,数据中心空间的密度越高,空间的利用效率越好。


机架的高度决定安装服务器的数量,可以通过提高机架的高度来提高装机密度,从而提高机房的空间利用率。机架的高度并不是越高越好,单纯追求机架高度会给日常的运维带来很大不便。另外,机柜太高会导致服务器数量多、线缆多,对机房的布线也会带来很大的压力。综合考虑这两方面因素,机架合理高度为2.2米~2.5米。


制冷方案分析


数据中心有风冷、水冷、间接蒸发冷、液冷等多种制冷方式,空调类型有房间级制冷、行级制冷、机柜级制冷,各种制冷方式及空调形式对空间的要求有很大的区别。简单来说制冷效率越低,越需要更多的空间进行散热,也就是说所需要的空间越大。


如风冷的制冷效率相对较低,需要静压箱、回风空间,还需要很多的室外机平台;水冷方案制冷效率相对较好,仅需要冷机空间、末端空间,对空间的使用效率有一定的提高;液冷服务器制冷与服务器相结合,就近制冷,制冷效率非常高,数据中心的功率密度也很高,单千瓦的空间使用效率得到很大的提高。数据中心制冷越靠近热源,制冷效率越高、越节能,同时单千瓦所对应的空间越小,空间的利用率越好。


供电方案分析


数据中心机房供电系统涉及市电供电、柴油发电机、UPS不间断供电、低压配电系统、电缆及电缆路由、列头柜配电系统等,供电系统的设计与保障等级、供电方式及设备类型有很大的关系。


就保障等级而言,保障等级越高安全性越高,所要求的冗余也相对越多,可知所需要空间也越大,单机架建筑面积或单千瓦的建筑面积就越大。


就供电方式而言,最能节省空间的当属供电损耗最小的市电直供方案,不需要UPS设备,节省了很大的空间。UPS方案分为分散供电和集中供电模式,分散式供电结构将不间断电源系统分散安装在用电设备的列头或列间,就地为ICT设备供电,取消电力电池室的建设,也就提高了数据中心空间使用效率。


就设备选型而言,数据中心小母线供电不占用平面空间,与列头柜供电相比省去了列头柜,能够最大化利用宝贵的数据中心空间,用于安装实际生产用的机柜;大容量UPS和变压器融合,锂电池做后备,可节省使用空间;巴拿马电源省去传统的变压器,节省了变压器空间用于装机;天蝎机柜自带分布式锂电池,省去传统的UPS及蓄电池装置;飞轮UPS节省蓄电池面积;大容量柴油发电机组可节省油机台数,从而节省使用面积;燃气轮机发电作为第三路电源,可省去柴油发电机。这些新技术和新产品都是对数据中心更加节能高效和提高空间使用效率的探索和应用。


智能管控分析


提高数据中心空间使用效率另一种方法是做好资产管理、容量分析,持续不断地进行资源的配置和规划,找到并利用未开发容量的闲置资源。监控工具和智能机架PDU可提供有关可用容量的信息以及部署其他服务器的可能影响,一旦找到未使用的资源,就可以整合并更好地平衡和匹配。容量的管理实现数据中心的关键资源的高效利用,提高资源利用率。借助容量管理,数据中心可以充分利用现有数据中心的容量资源。


通过使用数据中心基础设施管理软件实现对容量资源的有效利用,之前所构建的数据中心可能被过度构建,以满足当时的需求,通过管理软件可以进一步匹配IT设备所需的空间,可充分提高数据中心现有空间的使用效率。


综合布线分析


数据中心高度空间的利用率很大程度上取决于综合布线系统的设计。数据中心内的综合管线多达十余种,有空调水管、电缆桥架、光缆桥架、风管、智能化桥架、消防水管及一些需要放在走廊内的设备。在进行综合布线的时候,遵行法律法规的要求,在满足安全和运维的需求基础之上,应将数据中心的高度空间利用率达到最佳。


数据中心内众多管线中,工艺、电源和空调路由管线设计影响最大。数据中心的工艺布线系统分为铜缆系统和光缆系统,铜缆也可以采用高密度,但这种高密度对空间的节省实在有限,在同样的空间里要得到更多的传输带宽,改用光缆传输是一个必然的选择。电源母线槽通过合理、安全的结构,将几根导线包裹在金属外壳内,组成一个整体的具有电气连续性的输配电系统,分接方便、占有空间小。


制冷系统的水管或者风管也是影响数据中心高度空间的重要因素,制冷方式不同其断面的大小,路径等都有很大的区别。在进行数据中心空间规划时需要结合投资考虑各种管线的合理布置和取舍,让数据中心的空间利用更加有效。


平面布局分析


数据中心的平面布局包含两个层面,一是数据中心的整体布局,各系统之间的合理配置;二是机房内空间布局实现更多装机。


数据中心的整体布局高效匹配主要在于用电容量、冷量、空间与工艺功耗之间的配置关系,空间足够用,整体的用电容量和冷量不够,也不能达到空间使用的高效。数据中心的空间确定后,就需要各系统之间做到合理匹配,如果某个方面出现瓶颈,其他方面充足也不能达到高效,甚至会造成浪费。在一定的空间内,合理配置单机架功耗、设备台数、容量,达到空间和容量双匹配,才能说数据中心的空间使用效率较优。


数据中心内部空间应当考虑如何在满足国家法律法规对消防疏散的要求下,在满足综合管线合理的布置下,让数据中心平面的辅助空间面积、交通面积更合理,以便有更多的空间用于安装机架。消防疏散的要求包含防火分区、疏散距离、消防方式等,规划和设计数据中心时应当追求防火分区的最大面积,让竖向的疏散空间充分利用,追求最长的疏散距离,让横向的疏散空间充分利用。也就是说,提高数据中心的空间利用效率,应当在满足功能及安全性的前提下尽可能地减少疏散空间。而机房内部应当考虑设备搬运通道、柱网与机架、列间距的匹配,才能达到一定的空间内机架数量最大,让空间使用效率最好。


提高数据中心空间使用效率的解决方案


根据需求提供定制的数据中心解决方案,往往空间的利用效率相对较高。但是建设数据中心初期需求往往不能确定,而是要求数据中心能够不断适应业务发展的变化及需求的调整等因素,在这样的情况下,做好数据中心空间规划显得尤为重要,是保障数据中心长期高效运营的基本条件。笔者就目前应用最为普遍的机电系统和设备,提供两个系列的数据中心土建解决方案。


标准化数据中心解决方案


提高数据中心空间的使用效率,需要合理确定其平面、柱网和机房的尺寸及高度。


确定数据中心的平面尺寸应结合法律法规的要求和实际用地的情况进行。根据工程经验确定数据中心合理的平面尺寸为5000平方米左右,这个平面大小最大限度地利用了防火分区的面积,将疏散空间降到最低,以争取最大的空间用来安装机架。


确定数据中心的柱网尺寸需要结合各系统设计,柱网的设计围绕机架展开,一切为了更多安装机架。同时让柱子尽可能不设置在列间,把通道打开,不仅可以多安装机架,还便于冷热通道的封闭,机房也更加美观和开敞。


确定机房的尺寸,大柱网大开间的机房让装机效率提高,但机房的尺寸与消防有很大的关系,如果采用水消防,机房的大小只受到疏散距离的限制,如果是气体灭火系统,受到高度和体积的限制,一般一个机房的大小在500~700平方米较合适。机房宽度的确定与主次通道和机列长度有关,这样可以使机房的装机效率最高,就冷冻水系统机列最长为15米较合理,主运输通道1.5米,次要维护通道1米,这样机房的净宽为17.5米左右较为合理;对于风冷系统而言,与送风距离、风速及制冷效率有很大的关系,机房的净宽需要根据实际情况进行计算确定。


机房高度空间的确定与综合管线设计密切相关,与机架的高度、制冷的方案、网络布线的形式、电源系统与输送方式的选择关系很大,而走廊内的管线排布将是最大的制约因素,走廊内管线多,需要考虑运维和运输的空间。一般认为机房的层高4.8~5.4米为较为经济合理的高度。标准化数据中心空间解决方案示例如图1所示。


由于未来很大可能存在需求的变化,在空间设计上留有余量,考虑可能的需求变化带来的影响,让数据中心的空间利用效率不会因为需要的变化而大幅降低。故数据中心的空间使用效率与各系统的匹配关系有很大的关系。以目前应用最广的水冷系统作为研究对象,数据中心设计中需要统筹考虑制冷站、空调末端、冷却塔变压器、UPS、电池以及各种管道路由通道等多方面因素进行合理匹配。


模块化数据中心解决方案


随着数据中心市场的快速发展,模块化数据中心以其高可靠、高效节能和整体快速部署的优势,因此成为中小型数据中心发展的主流趋势,在大型数据中心也有大量应用。在构建新的数据中心时,这些模块可以作为更灵活有机的数据中心设计的一部分,并且不断更新升级。这种灵活的、不断升级的的模式能更好地适应未来不确定的变化,让空间的匹配降到一个很小的范围内,降低了因需求变化带来的影响范围,让数据中心的空间使用效率做得更优。


采用微模块的部署方式,其机房内部设计主要与微模块的尺寸有很大的关系,设计之初如果可以选定微模块产品进行定制空间的设计,空间的使用效率匹配性将大大的提高,相应机房空间的使用效率就能得到保证。模块化数据中心空间解决方案示例如图2所示。


总之,做好数据中心的空间使用是一个系统工程,需要前瞻未来,预测不确定的变化,做好预留和应对措施。同时还要根据目前的需求,做到各系统之间的最佳匹配,并对数据中心的资源做好监测和调配,避免闲置浪费。




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