不同功率密度机柜对数据中心的影响分析

景传刚，李 楠，宋晓伟

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

0 引 言

早期的数据中心主要是电信运营商用于开展通信业务的基础设施用房，通信机房中ICT设备的功率密度（平均单机架运行功耗）一般低于4 kW。随着4G、互联网+、大数据及物联网的发展，相关行业对数据中心的需求逐年增大。由于具有更高的性能、更小的占地面积，高功率密度机柜数据中心越来越多的被行业和企业青睐[1]。

高功率密度意味着机柜更大空间、更大耗电量及更大的重量等，因此对数据中心在层高、荷载、冷却等方面提出了更高的要求。目前在用数据中心单机柜功率密度形式多样，分为低功率密度为＜5 kW/架，中功率密度为5～10 kW/架，高功率密度为≥10 kW/架[2]。

1 机柜尺寸

不同功率密度的机柜，可容纳ICT设备数量（服务器、存储器及交换机等）不同。通常，高功率密度机柜在容纳服务器、存储器、交换机及均衡器等方面，较低功率密度机柜多，图1为不同功率密度机柜尺寸图。

目前，市场中在用机柜尺寸主要有1 200 mm×600 mm×2 000 mm（ 深 × 宽× 高）、1 200 mm×600 mm×2 200 mm（ 深 × 宽× 高）、1 200 mm×600mm×2 500 mm（深×宽×高）等多种规格，不同功率密度机柜，空间容量不同。表1为不同功率密度机柜尺寸表，机柜尺寸针对常规的19英寸服务器设备使用，特殊情况不计列。

由表1可知，不同功率密度的机柜，要求机柜尺寸和容量不同，设计中要考虑；高功率机柜优选空间容量大的机柜，确保满足需求；中低功率密度机柜，机柜选择应考虑经济性。

图1 不同功率密度机柜尺寸图

表1 不同功率密度机柜容量尺寸表

2 机房净高

不同功率密度的机柜，对数据中心机房的净高要求不同[3]。层高过低，影响整个机房设备的规划布置，且在综合布线、机房维护等方面有较多不便。在数据中心建设时，针对不同功率密度的机柜需考虑合理的机房层高。

机房内净高为H，公式H=H1+H2+H3。其中，H1为设备底座高度（如有架空地板，和架空地板高度相同）；H2为ICT机柜高度；H3为机柜上方与房间梁的间距，含走线架、光纤槽道及消防喷头等。

图2为机房内机柜空间布置图。

图2 机房内机柜空间布置图

针对3 kW、5 kW、10 kW等三种不同功率密度的机柜进行布置，并考虑不同空调末端方式、小母线供电等因素，得出不同功率密度机柜对机房净高的要求，表2为不同功率密度机房净高值表。其中，机房净高指机房地面到主梁下高度，不含主次梁、楼板等。

因此，在数据中心建设中，机房的净高需考虑不同功率密度机柜的影响，并考虑预留。对于层高较低的机房，则可从降低机柜功率密度入手，选择合理的布置方案。

3 机房荷载

不同功率密度的机柜容纳服务器等设备数量不同，对楼板荷载要求不同，表3为不同功率密度机柜满负荷的重量表。

表2 不同功率密度机房净高值表

表3 不同功率密度机柜重量表

图3 不同功率密度机柜布置图

机房内除了布置机柜外，还有制冷空调、列头配电柜、恒湿机及防静电地板等。在一个使用面积为376 m2的机房中，布置功率密度为5 kW、10 kW的机柜，以分析不同功率密度机柜对楼板的荷载影响，图3为不同功率密度机柜布置图。

在计算不同功率密度机房荷载的过程中，设备对地面的荷载为等效分布荷载[4]，表4为不同功率密度的机房均布荷载值表。

表4 不同功率密度的机房荷载值表

因此，对于新建数据中心，机房的荷载应按照最大功率密度机柜的需求考虑。对于楼板荷载小的机房，可通过降低机柜功率密度、增大机柜布置间距等方案来满足要求。

4 供电方式

目前，数据中心机房供电形式有交流和直流两种。交流电压主要为220 V、380 V，直流电压为-48 V、240 V及336V等。不同形式的供电电压对应机柜输入电流值不同，影响电缆线径选择和供电效率，机柜输入电流计算公式如下：

其中：IAC、IDC为输入交流电、直流电；P为ICT机柜运行功耗；U为ICT机柜供电电压；cosφ为交流供电功率因素，取0.85～0.95，直流电为1。

针对不同功率密度的机柜，计算出多种供电电流值，表5为不同电压等级下的电流值表。

表5 不同电压等级下的电流值表

由表5可知，对于高功率密度机柜，优选较高电压的形式供电；对于中、低功率密度机柜，供电电流不大，可采用多种形式电压供电；如果机房供电为低电压，机柜功率密度不宜过高。

5 空调末端形式

数据中心建设中，空调末端的选用十分重要，直接影响数据中心的装机效率。机房级空调末端可分为传统型、新型应用型两类。传统型空调主要为风冷型机房专用空调（下送风、上送风）、冷冻水型机房专用空调（下送风），新型空调末端方式有列间空调末端（冷冻水型、重力热管型及动力热管型）、背板空调（冷冻水型、重力热管型及动力热管型）。

对于传统型空调末端，对机房环境整体降温，能够适应不同的设备气流组织，空调数量相对少，维护方便，但是需要独立空调区域，占用机房空间，且制冷效率偏低。

对于列间空调末端，列间空调更加贴近热源，气体输送距离短，采用封闭冷（热）通道措施可以优化气流组织，其不足是占据部分机架位置。

对于背板空调末端，对机柜解耦度不高，装机率高，但是数量较多，安装维护工作量大。表6为常用空调末端的参数值表，按照机柜进出风温度18～27 ℃，机房内湿度＜60%考虑；尺寸、显冷量按照常用数据统计，以实际工程为准，本表供参考。

表6 为常用空调末端的参数值表

在一个电力充足、使用面积约376 m2的数据中心机房中，冷冻水温度相同的情况下，对3 kW、5 kW、10 kW三种不同功率密度的机柜进行布置，分别采用冷冻水型机房专用空调、列间空调（冷冻水型、重力热管型、动力热管型）、背板空调（冷冻水型、重力热管型、动力热管型）进行测算模拟，相应的装机数量不同，图4为不同功率密度的装机数量图。

由图4可知，不同功率密度的机柜，采用不同空调末端，装机数量差别较大；中、高功率密度机柜优选热管背板型空调，次之为列间空调末端；低功率密度机柜的空调末端形式选择较多，根据需求选用经济节能型。

图4 不同功率密度的装机数量

6 结 论

本文首先对不同功率密度的机柜进行了高、中、低三种类别划分，并分析了不同功率密度的机柜对数据中心机房层高、机柜尺寸、机房荷载、供电电压、空调末端等多方面的影响，得出了相应结论。通过本文的分析，对不同功率密度的数据中心的建设提供了一些技术方案，最终实现数据中心建设的高效、绿色、节能。