数据中心建筑设计探究

李 峰 中通服咨询设计研究院有限公司中级建筑师

随着5G 时代的到来，数据业务逐渐呈现出大带宽、大容量、低延时、大连接等特点。数据中心是数据业务的载体，随着新兴技术的发展，数据中心的建筑模式开始引起数据中心设计人员及运营人员的关注。

1 数据中心的内涵及设计特点

数据中心主要用于存放IT 设备，伴随IT设备的不断演进，数据中心建筑设计也在不断发生着变化，数据中心的电力、供冷需求和空间尺寸也在不断改变。伴随信息产业与互联网产业的不断发展，数据中心的建设规模逐渐扩大。除了互联网企业、通信运营商以外，政府机关、大型企业、银行等都离不开数据中心。它以成为现今社会不可或缺的建筑类型。

数据中心的使用周期大约是50 年，在建成之后，随着IT 设备的需求变化，它的空间组合、设备配套形式以及结构等可能会无法满足IT 设备的需求，哪怕只进行局部改造，也会耗费大量的资金[1]（见图1）。

图1 数据中心空间设计

2 数据中心建筑与传统建筑在设计理念与方法方面的差异

传统建筑能够为人们的活动遮风挡雨，起到防火、防盗、屏蔽外力侵害的作用，服务的主体是人；数据中心建筑也可以提供这些功能，但服务主体是互联网服务的机柜。如果在设计中忽视这一点，会多走很多弯路。

在某数据中心建筑设计中，该地块位于十字路口的一角，出于对城市景观的考虑，把机房楼设置为两头尖的梭形。此种规划比较符合使用需要，但随着后续的不断发展，发现尖角空间作为机房的使用率非常低。在数据中心建筑设计中，需要遵循“以服务器为本、以工艺要求为主导”的原则。

与传统建筑设计中的牵头部门不同，数据中心的建筑设计则是双龙头专业，即建筑专业与工艺设计专业，前者对工艺要求的相关土建标准不够熟悉，需要得到后者的支持，后者对建筑规范不够了解，需要借助前者的专业知识确保方案落地。

3 数据中心的分类与等级

数据中心可以分为自用型与出租型，它们在功率、密度以及连锁反应等方面存在差异。

出租型数据中心主要面向不需要自建机房的中小客户，其数据量是有限的，通常租几个机柜或者是机柜中的几台机器即可，对于这类机房来说，对安全等级的要求也比较低。因此，其配套的供电系统和制冷系统要求都会下降，反映在建筑设计方面，即主机房的“得房率”要略高于配套机房，对一些高保障性的构筑物需要较少，比如蓄冷机房、排烟设备、柴油发电机房等。

自用型机房与之相反，通常业主都是一些比较有实力的大企业。自用型机房密度的提高对保障系统提出了更高的要求：发热量更高，所以对冷却能力有着更高的要求，对供电能力要求也比较高。因为具有自用的特点，业主对此类机房的节能效果有着非常高的要求。

受这些因素的影响，自用型机房的占比更高，对数据中心建筑设计的综合布线和一体化桥架提出了更高的要求。按照数据中心机房等级的不同，不同工艺提供方是不同的，但是业内主要利用ASNI 标准统一划分数据中心建筑的等级，将其分成4 个等级，即T1、T2、T3、T4。国内数据中心机房的等级主要是T3、T4，由于T4 的成本比较高，所以衍生出了T3+的标准[2]。

4 数据中心建筑设计的要点

在数据中心的设计建造中，需要耗费大量的资源。随着时代的不断发展，低碳、环保的数据中心建设受到越来越多的关注，因此在工程建设的前期规划阶段，应当把绿色、环保放在首要位置，分别从设计阶段、施工阶段和运营阶段逐层落实，更好地实现建筑目标。数据中心建设工程较为复杂，一方面需要满足建筑使用功能，另一方面要按照项目特点展开综合的工艺设计、结构设计、机电设计等工作，提升该建筑设计的合理性、可靠性、灵活性与安全性，整体提升运维管理水平。

4.1 数据中心建筑空间的组合

4.1.1 功能和空间组成

目前，数据中心已经历了4 个发展阶段：第1 阶段是大型计算机；第2 阶段是小型机和PC 服务器；第3 阶段是互联网与宽带；第4 阶段是高密度云计算平台。但是，其功能空间并未发生较大变化，空间组成主要包括公共用房、数据机房和基础配套设备等。

4.1.2 空间组合特点

在数据中心建筑中，各个机房空间不具备严格的流线标准，各个机房通过各类工艺孔洞实现互相沟通和联系。项目建筑的基础设备布置中，为了便于布置管线，常采取集中设置管线的方式，因此应结合气体消防分区的标准设置气体消防气瓶。空调风柜房以及电池电力室应采取分组布置，其余的空间要依据人流和机柜的进出情况进行设计。

数据中心是逐步投入装机运营的，因此在空间组合工作中，应采取模块化配置的方式合理设置通信机房、空调风柜房和电池电力室。各个机房模块中包含了很多不同类型的机房，整个机房按照不同的模块逐渐投入使用。

按照不同的温度，可以将数据中心分成冷空间、暖空间以及热空间。其中，冷空间主要包括交换机房、数据机房、电池电力室及传输机房等，具有恒温供冷的特点；暖空间主要包括公共空间、未投入使用的机房等；热空间主要包括高低压变配电房、空调制冷机房及自备发电机房等，该空间不设置空调，但设备会少量发热。为了减轻冷热空间上下和左右的冷凝结露，需要从空间组合方面避免冷空间和热空间相邻，如果不能避免冷热空间相邻，必须采取相应的保温措施。

4.1.3 数据中心层高

数据中心层高的影响因素非常多，具体包括空调风管高度、桥架高度、走线架高度、结构高度和消防管线高度等。在使用过程中，消防管线高度、结构高度、架空地板高度和空调风管高度通常是保持不变的，但是随着IT设备的更新换代，机架高度与走线架高度会发生相应的改变。

数据中心建筑的层高是提升机房空间对IT 设备适应性的关键指标，但是层高并非项目建筑成本控制的敏感指标，在实际设计中通常要留有一定的冗余，层高通常大于5.4 m。

4.2 数据中心造型和外墙构造方法的确定

数据中心建筑的机房空间是一个恒温、恒湿的空间，因此对于项目外墙来说，保温是首要的标准。在选择建筑外墙与造型材料时，不可以将窗的面积设计得过大，同时还要科学设计外墙保温结构。

南方地区气候湿热，降雨较多，对于在南方地区建设的数据中心建筑，由于长时间遭受室外温差的影响，外墙很容易出现裂缝，如果遇到暴雨天气，雨水可能会顺着裂缝进入机房，影响数据中心的运行安全。因此在设计时应尽量使用幕墙类的外墙材料，使幕墙外饰面和基层的墙体之间保持10 ～15 cm 的距离，就算雨水渗进外墙也无法进入机房[3]。

4.3 合理选择数据中心的结构和建筑设备

4.3.1 数据中心的结构

一般情况下，IT 设备更新换代的时间大概在5 ～10 年。结合当前数据设备的发展趋势，IT 设备的重量会不断增加，在实际设计期间，应适当提升机房楼面等效均布活荷载。为有效提升数据中心对于未来数据设备的适应能力，在通信数据中心的结构设计中，需要提高楼面等效均布活荷载的数值。

4.3.2 空调系统

随着IT 设备的不断更新，空调系统的设计也在不断优化，当前常用的空调制冷系统主要可以分为3 种，分别是集中水冷制冷系统、集中风冷制冷系统和分散式制冷系统。随着大规模、高发热量数据中心的建设与发展，集中水冷制冷系统的应用越来越广泛。在空调的送风形式方面，先冷机房后冷设备的送风方式已经不再适用，逐渐被机架内设冷通道以及分设冷热通道的送风方式取代，其中，机架内设冷通道方式的送风效率更高。

4.3.3 电源

数据中心建筑的电源工程包含许多内容，包括备用电源、外电引入、高低压变配电等，在电源的稳定性方面具有非常高的要求。外电引入需要有两个稳定的独立电源，分别引入两路10 kV 供电线路。同时，还要精心设计柴油发电机的备用电源，5 kW 的数据中心耗电量大概是1 kW/m2，约是普通办公楼的10 倍。

大型数据中心建筑的用电量在超过40 MVA时，地块应当预留专用的变电站，同时使用110 kV 电压或者更高的电压进行供电，为每个110 kV 变电站预留3 100 m2的建设用地。此外，外电容量也是大型数据中心建筑设计规模的重要影响因素，在制定大型数据中心建筑的详细建设规划时，需要做好供电规划工作。

4.4 平面交通流线的优化设计

针对那些规模超过3 000 个标准机架的单体数据中心，必须保证机房平面交通流线的便捷，为室内各类管线提供充足的承载空间。在机房平面交通空间设计方面，常采用回字形布局和工字形布局。例如，在3 600 m2的标准层设计中，工字型形的交通平面设计需要注意以下几点。第一，连接两大消防分区4 个主机房空间和4 个安全疏散楼梯，保证安全的前提下最大限度地利用走道空间[4]。第二，走道的设计便于各类管线在未穿越机房的状态下保证贯通，更好地保障机房的内部安全。第三，确保安全疏散通道与逃生通道连接标准层的各个功能房，保证室内走廊任意一点到达出口的距离满足国家的有关标准，尽量缩短疏散的距离，保证走道没有疏散死角。第四，电池室、空调风柜室、电力室以及主机房等都需要设置一个面向走道的独立出入口，便于实现对机房的分级、分区管理，更好地满足高端租户的使用需要。

4.5 柴油发电机的优化设计

为了给数据中心提供稳定的电力保障，在项目建筑中，需要给柴油发电机房预留一定的功能空间，在确定建设规模之后，功能空间的大小也会引起出架率的变化。例如，对于一栋自带基础设施可以自行生产运营的大型数据中心，采用的分区规划方式为室外集装箱油机和首层室内柴油发电机房两种，首层建筑沿着建筑的短边分别设置了8 台0.4 kV 的低压发电机，室外对应位置处设置了6 台0.4 kV 的低压发电机。

低压发电机的布置原则如下。第一，在本次设计中，将柴油发电机安装在数据中心建筑中，没有使用室外柴油发电机布置的计划，从场地规划的角度来看，可以减小构筑物的占地面积，降低建筑的密度，减少建筑数量。第二，首层和室外分别设置了柴油发电机，能够突破首层柴油发电机过多占用室内空间的问题，给其余的设备预留更多的功能空间。第三，上下各设置了低压柴油发电机组，遵循节约母线长度、就近供电的基本原则，首层的8 台柴油发电机为1 ～3 层提供用电保障，屋面设置的6 台柴油发电机为4 ～6 层提供用电保障，在供电规划方面能够降低损耗，节省运维的成本[5]。

综上所述，数据中心的设计需要综合考虑各类设计影响因素，在综合权衡利弊后设计合理的方案，满足不同业主的多元化需求。此外，数据中心设计的关键点不是一成不变的，需要业主、设计师和运维工作人员的相互配合，充分发挥出建筑设计师在数据中心建筑设计中的协调能力。

5 结语

随着信息产业与互联网产业的不断发展，数据中心的建设规模逐渐扩大，数据中心的建筑设计受到越来越多的关注。数据中心设计人员应当充分了解数据中心的需求特点，准确把握数据中心设计环节中需要重点关注与配合的问题，保证数据中心设计的质量与效率，以更好地满足业务需求。