微模块智能数据中心设计与探讨

◆陈 玲 陈 泽 刘 坤

（中国电子科技集团公司第二十八研究所 江苏 210007）

快速发展的云计算、大数据技术使数据中心成为各类数据汇聚中心、数据集中处理中心以及数据挖掘中心[1]。2012 年9 月美国国防部发布的《核心数据中心参考体系结构1.0 版本》指出达到最终目标状态（到2017/2018 年）的核心数据中心将大量采用云技术和大数据技术。结合物联网技术的广泛应用，传统的数据中心也将逐步被智能化的新型数据中心取代，智能化新型数据中心的发展建设将处于高速时期。

数据中心为信息服务设备、存储设备、网络通信设备等电子信息设备提供安全可靠的运行环境，其设计与施工的优劣，直接关系到数据中心内部各类电子信息设备能否稳定可靠地运行[2]。智能化数据中心通过持续收集数据中心资源信息以及各类设备的运行状态，分析、处理和提炼有效数据，进而协助数据中心运维人员更有效地管理数据中心，并提升数据中心的性能。

本文推出了一种微模块智能新型数据中心，具备节能高效、智能管控和高可扩展性等特性。

1 传统数据中心特点

传统数据中心设计、部署与土建及基础设施之间的耦合较多，导致建设周期比较长。一旦规划发生变化，变更设计非常困难，需要考虑很多因素，占地空间、供配电、制冷都需要重新部署，因此部署的灵活性很差。若是在开始规划时就考虑之后5～10 的体量，预留空间、制冷和供配电，则又会造成资源浪费，进一步增加系统能耗。研究显示，电力成本在数据中心TCO（Total Cost of Ownership，总拥有成本）中占比很大，我国传统数据中心由于建设水平较低，导致能耗较高，PUE 值在2.2～3 之间[3]。传统数据中心智能化程度低，人力运维成本高，可维性和可用性不高。

2 微模块智能数据中心设计

模块化数据中心经过多代发展，逐步形成了微模块数据中心的概念，对比传统的数据中心，微模块数据中心的优势主要体现在以下几个方面：

（1）高扩展性

微模块数据中心将供配电、制冷、机柜、动环监控、照明和综合布线统一集成，具有统一的输入输出接口，通过多个独立功能的微模块组合形成不同规模的数据中心，实现数据中心灵活扩展[3]。

（2）节能高效

微模块数据中心生产预安装与基建过程耦合度较低，可同步并行实施，建设周期不到传统数据中心的一半时间[3]。

（3）先进性

微模块数据中心采用了“三化两层”的第四代数据中心建设理念，优化了能耗指标PUE，对比传统的数据中心，节约能耗可达20%～30%，节省空间30%～40%。

2.1 需求分析

设计一个中小型的数据中心，能满足用户3-5 年发展使用需求的模块化数据中心，需要占用20 套设备机柜，具有独立电源供电能力和恒温恒湿功能，提供可视化界面，具有配电监控，空调监控，视频监控，温湿度检测，漏水、烟雾状态检测及实时告警功能。

2.2 微模块智能数据中心的布局设计

微模块机柜为双排模块化结构，两排中间为1.2 米的密封通道，具体如下：

（1）2 套一体化UPS 及供配电系统，含30 分钟后备电池，UPS 主机、后备电池和供配电均为1+1 热备冗余。

（2）4 台恒温恒湿精密空调，3+1 台冗余配置。

（3）18 套IT 机柜和2 套网络通信柜，主要部署计算设备、存储设备和网络通信设备。

微模块智能数据中心布局图如图1 所示。

图1 微模块智能数据中心布局图

2.3 微模块智能数据中心子系统设计

微模块智能数据中心统一集成了模块化UPS 系统、智能温控系统、机柜及通道系统、动环监控系统和综合布线系统。

（1）模块化UPS 系统

为降低数据中心能耗，提高系统功率因数，优化供电效率，本文选用模块化UPS 系统，降低了设备成本，模块化UPS 采用并联冗余设计，任一模块发生故障，不会对负载供电造成影响，更换方便，具有高可靠性和高扩展性。

本文设计的微模块机柜内IT设备安装密度按10 台/机柜设计，目前市面上2U 机架式服务器平均功耗约400W/台，因此本机房内机柜功率密度按5kW/柜设计（单柜最大支持7kW），同 时系数取0.9（等效4.5kW/柜）。为满足数据中心未来5 年的发展使用需求，机柜规模上配置不少于20 台IT 机柜。

IT 设备负载=20 柜×5 kW/柜×0.9=90kW。

据GB 50174《数据中心设计规范》，UPS 冗余系数为1.2。

数据中心机房所需要的UPS 容量为：1.2×90=108kVA。

根据计算结果，数据中心机房配置125kVA 模块化UPS 机框2 台（入列摆放），组成物理隔离的1+1 冗余供电系统。

数据中心UPS 后备时间按约30 分钟配置，共配置12V100AH电池2 组（共80 只），每机框连接1 组电池。

（2）智能温控系统

研究表明，制冷在整个数据中心能耗中占比高达一半，因此制冷水平很大程度上影响了数据中心的能效水平[3]。本方案智能温控系统通过风冷行级精密空调和定制机柜共同组成密封通道，实现精密送风和冷热空气隔离，如图2 所示。行级空调就近制冷，气流通路短，减少了距离导致的气流压力损失，且系统冷热通道隔离，避免因冷热气流混合导致的冷空气泄漏损失，从而有效提高了空调制冷效率，降低数据中心能耗。

数据中心机柜所需制冷量

=1.2×IT 设备总功率

=1.2×机柜数×单柜功率×同时系数

=1.2×20 柜×5kW/柜×0.9

=108kW

据GB 50174《数据中心设计规范》，A 级数据中心专用空调应N+X 冗余（X=1～N），主机房中每个区域冗余X 台。B 级数据中心宜采用N+1 冗余。

本方案微模块数据中心选用不低于40kW 制冷量的恒温恒湿空调，需要108kW/40kW=2.7 台，采用N+1 冗余配置，实际应配置不低于40kW 制冷量恒温恒湿空调4 台，实现模块内行间精密空调3+1 的冗余配置。

图2 密封通道制冷系统示意图

（3）机柜及通道系统

本方案采用双排机柜密封通道系统，包括IT 柜、一体化UPS柜、空调、天窗、门、走线槽等部件。

微模块数据中心结构采用双排机柜密封通道系统，选用宽1.2 米的冷通道，IT 机柜单柜安装高度42U，深度1.2 米。每个设备机柜敷设两条电力电缆，部署两个PDU，为设备机柜内的双电源IT 设备提供双路供电。

在密封通道的两端安装端门，增加门禁设备，使得整个微模块形成一个独立的整体，提升设备的工作效率的同时，增加系统运行安全性。

门框及通道的灯槽内安装灯带，接入动环监控平台，与系统告警功能关联，显示不同颜色代表不同的告警级别。

（4）动环监控系统

动环监控系统需要对各类动力环境子系统和设备进行一体化监控管理，具备全网拓扑管理功能、故障管理功能、多类设备开放集成能力和体系化分析处置能力[4]。动环监控系统由各类智能传感器、信息采集设备、网络设备、服务存储设备、监控管理软件等组成，可实现对微模块内环境状况、设备实时状况、告警信息和配置信息的可视化管理。主要监控的设备如下：

动力设备：智能温控设备、不间断电源（UPS）、配电柜等。 环境设备：水浸传感器、感烟探测器、温湿度报警器等。 视频设备：摄像头、视频监控系统等。

门禁设备：门禁机、出门按钮、电磁锁等。

动环监控系统通过对微模块内智能空调、UPS、供配电、温湿度、烟雾、漏水检测、视频、门禁等设备的不间断监控，可实现环境及设备异常及时告警功能、视频实时监控、录像备份回放、门禁权限管理功能、及时发现部件故障或参数异常，第一时间采取灯光颜色、E-mail 和声音告警等多种报警方式，同时记录历史数据和报警事件。动环监控系统架构图如图3 所示。

图3 动环监控架构图

（5）综合布线系统

微模块智能数据中心的综合布线为星型拓扑结构，分为主配线区、水平配线区和设备配线区。微模块机柜内部设备网络配线柜，用于汇聚来自同一微模块内其他IT 柜的网络电缆和光缆，而通信机房的总配线柜则用于汇聚来自不同微模块内网络配线柜的光缆。数据中心网络结构图如图4 所示。

图4 数据中心网络结构图

微模块数据中心采用上走线的布线方式，在机柜顶部安装网格桥架和走线槽，实现线缆的有序管理。综合布线时要注意强电走线槽和弱电走线槽分离，并做好标识。

数据中心综合布线涉及的线缆类型如下：

电源线：包括UPS 电源线、电池柜电源线、空调电源线、PDU 电源线等。

保护接地线：包括PDU 接地线、电池柜接地线、IT 柜接地线等。

信号线缆：包括空调、UPS、各种传感器、视频和门禁告警等监控线缆，以及微模块机柜中的各类弱电信号线缆。

3 结束语

综上，基于传统数据中心所面临的能耗高、扩展灵活性差、管理不智能等现状，微模块智能数据中心一体化集成了供配电系统、智能温控系统、机柜及通道系统、动环监控系统和综合布线系统，可实现快速扩容功能，不仅缩短了建设周期、提升了灵活性，同时还降低了能耗、增强了自动化运维能力，是未来数据中心发展的趋势。