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    多層倉儲式數據中心建筑設計研究

      信息來源:   發布時間:2022-01-07  點擊數:

    隨著5G時代的到來,以及物聯網、云計算、AI等新興技術的迅速發展,數據業務形成了大容量、大帶寬、大連接和低時延等新特征。作為數據業務的載體——數據中心建設模式也日益多元化。面對新時代要求,倉儲式數據中心作為一種新興的建設模式,因其能夠快速靈活、彈性部署IT設備,支撐新業務發展,正日益受到數據中心建設者和運營者的關注,同時根據新條件和新技術,倉儲式數據中心勢必需要不斷的更新與改進,以適應更為復雜的功能需求。

    1 倉儲式數據中心發展概況

    倉儲式數據中心的建設模式最早起源于歐美發達國家。對于快速變化的互聯網行業來說,很多業務只在不到一年內就爆發,兩三年才能建好的傳統數據中心建設模式,對互聯網行業來說是不能接受的。倉儲式模塊數據中心建設模式具備建設速度快、成本低和更節能等優點,被各大互聯網公司以及IDC運營商所廣泛推崇。

    Google公司自2005年開始,在單層廠房內,模塊化機架布置以連體三聯柜為最小顆粒度建設,由兩組連體三聯柜、機柜列間通道頂部的空調盤管和風扇列陣組成。當整個機房建設的時候,會有多個這樣的模塊不斷復制和不斷延伸,這個時候每個微模塊單元就會不斷延展成一整排微模塊陣列,配合柴發模塊、供電模塊、制冷模塊以及其它功能模塊等形成完整的數據中心。

    國內倉儲式數據中心研究與國際同步,通信運營商從2009年起提出符合國情的倉儲式數據中心方案。2010年開始,由騰訊等互聯網公司協同三大運營商,開始了微模塊的概念設計與實驗,這是我國在數據中心技術和建設模式上的重大創新,并成功將其應用在倉儲式數據中心內。

    目前國內外倉儲式數據中心,大多布置在1~2層的廠房式建筑內,建筑占地面積大,對于土地資源的利用效率有待提升。

    2 倉儲式數據中心定義

    倉儲式數據中心是將IT設備部署在簡易建筑中,采用模塊化架構設計,可按模塊單元復制且能快速部署的數據中心。采用大平面、開放式和模塊化布局承載ICT設備的數據中心建筑。

    倉儲式數據中心一般為倉儲式建筑結構,內部IT設備多采用模塊式機架、微模塊式設備或者集裝箱式設備。從建設方式上分為新建的數據中心或在已有廠房內改建的數據中心。從建筑類別上分為民用建筑和工業建筑,從結構型式上包含鋼結構和鋼筋混凝土結構。

    3 多層倉儲式數據中心典型場景方案

    提高裝機效率、降低建設投資和PUE、縮短建設周期,逐漸成為數據中心業主需求的主旋律。數據中心設計如何平衡裝機數量、資源使用效率、投資效率和建設周期,直接關系到數據中心后期自用或客戶租用的使用效益。多層倉儲式數據中心目前國內外尚無應用案例,隨著樓層的疊加,數據中心的空間使用效率會得以提升。以下將以某多層倉儲式數據中心工程方案設計為例,歸納多層倉儲式數據中心建筑平面設計的方法,提出高效的多層倉儲式數據中心建筑平面。

    3.1 輸入條件

    以下為某企業標準化方案設計,根據企業使用需求,設置設計輸入條件。

    (1)數據中心根據GB50174-2017《數據中心設計規范》確定分級及性能要求,其中A級機房與B級機房占比為6:4,傳輸機房均為A級。

    (2)供電方案采用48 V直流不間斷電源(10%)以及市電(90%)直供方案(1路市電+1路不停電電源系統)。

    (3)平面輪廓限定:遵循數據中心園區總體規劃的建筑輪廓。

    (4)機架布置采用微模塊布局。

    3.2 研究思路

    在限定條件下,本次設計擬采用大柱網方案,減少結構柱對空間的影響,提升裝機效率。采用微模塊進行多系統集成,現場組裝,實現快速部署,縮短建設周期,降低機電一次性投資,使用初期PUE基本達到運行值,節省建設及運營費用。提高空調供水溫度,增加自然冷源利用時間,提高空調回風溫度,電源采用市電直供方案,進一步降低PUE。

    3.3 方案生成

    隨著GB50174-2017《數據中心設計規范》的正式實施,數據中心可以參照丙類廠房設計,也可以按照民用建筑設計。新規范的實施對方案生成產生較大影響,為大平面開敞式空間建筑平面提供可能性。設計輸入條件,則對為數據中心提供電力及制冷的動力用房面積做出影響。鑒于倉儲式數據中心工業屬性,方案按照工業建筑設計。工業與民用建筑對比如表1所示。

    3.4 規模確定

    本次設計中,考慮到數據中心園區規劃延續性,以4層工業建筑、標準層面積5 000 m2為標準開展研究,建筑輪廓57 m×85 m。GB50016-2014《建筑設計防火規范》規定多層最大防火分區為6 000 m2為一個防火分區。設置合理交通空間,既可以滿足當下需求,也可以保障后續設計空間擴展需求。多層工業建筑疏散距離為廠房內任一點至安全出口的直線距離不超過60m即可,比較民用建筑大空間疏散距離不能超過30m,空間靈活度有了很大提升,可以保證建筑大平面和開放式布局。

    在既定的平面輪廓中探尋最優化的功能布局。根據機房內主要功能空間的使用情況,將其劃分為IDC機房區、動力配套區和輔助空間3種主力模塊。通過對3種模塊的不同組合,本次方案設計提出多套研究方案進行比選,選出較為理想的模式進行深化。

      

    表1 工業與民用建筑對比  下載原圖



    表1 工業與民用建筑對比

    表1 工業與民用建筑對比

    通過對比可以發現,方案1和方案2均將輔助空間(備品備件間、空調設備間、管道間和辦公室等)置于建筑兩側,中間空間集中布置設備機房,區別在于傳輸機房的位置。方案2為傳統數據中心布局模式,一般將傳輸機房置于樓層中間部位,便于上下走線,但是會造成機房平面標準化程度低的結果。方案1將傳輸機房放置一層,便于參觀流線的組織,同時將高低壓配電等非標準化設備集中布置在一層,保證標準層的完整和純粹性,可以大面積布置微模塊機房形成較為理想的機房平面雛形。本次設計以方案1為基礎進行深化,如圖1所示。

    圖1 模擬平面對比

    圖1 模擬平面對比  下載原圖


    3.5 空間深化設計

    機房空間布局大致確定后,下一階段設計圍繞此輪廓進一步確定基本的柱網尺寸。本次建筑空間大量布置微模塊產品,產品選型直接決定柱網尺寸。

    3.5.1 微模塊產品確定

    微模塊是為IT機柜和應用服務,并能實現一定獨立運營功能的標準化功能單元,可拼裝組合,可更換。微模塊由機柜系統、電源系統、配電系統、空調末端、綜合布線系統、消防系統和監控管理系統等組成,可實現工廠生產、現場組裝、模塊化部署。

    如圖2所示,經過分析比對,微模塊產品采用多聯方案,可以通過共享冷熱通道減少模塊空間面積以提高機架數。微模塊產品為封閉空間,采用無管網氣體滅火方式,按照氣滅空間平面不超過500 m2,體積不超過1 600 m3推算,微模塊產品可以做到8聯,但是考慮到產品生產情況,本次方案按照雙聯微模塊進行平面布置。微模塊產品本身具備防水和防塵功能,因此建筑空間防火措施采用自動水噴淋系統,為大平面開放式布局打下基礎,如圖3所示。

    3.5.2 柱網空間確定

    根據機柜維護要求,用于搬運設備的通道凈寬不小于1.5m,微模塊作為一個產品,內部空間滿足規范距離要求,外部設備間距并無明確規定。經過實地考察調研,微模塊廠家考慮維護需求,建議模塊間尺寸不小于0.6 m。最終確定建筑平面柱網為13.2 m×10.2m,柱網與微模塊分別獨立布置,保證產品合理使用的同時避免空間浪費。每個標準層平面可布置25個微模塊產品。

    3.5.3 相關專業需求分析

    數據中心設計涉及到結構、工藝、空調、電氣和電源等多專業配合,倉儲式機房大平面開敞式空間建筑平面,盡可能解耦各個專業的交叉性。

    多層建筑采用無柱或少柱的大跨結構方案性價比很差,綜合建筑平面、經濟造價和施工技術等多個因素,4層倉儲結構方案推薦鋼筋混凝土框架結構方案。

    除傳輸設備外,其它ICT設備工藝均采用單層雙聯微模塊布置。

    空調方案微模塊內采用冷凍水型列間空調,每個微模塊預留空調水管接口??照{冷源采用高壓冷水機組,板換和冷卻塔的組合,需要配置4臺2 000 RT的10 kV高壓冷水機組,設備擺放大約需求1 100 m2。另外每層還需布置少量的排煙和新風機房。

    圖2 微模塊產品比對圖

    圖2 微模塊產品比對圖  下載原圖


    圖3 微模塊產品布置圖

    圖3 微模塊產品布置圖  下載原圖


    電氣方案微模塊內實現弱電系統和配電單元等的市電與UPS的雙路供電,每個微模塊預留強弱電接口,其它功能房間主要考慮集中監控室和強弱電配線間的布置。

    電源方案微模塊內設置不間斷電源,傳輸機房配套布置電力電池室,高壓供電系統采用一級配電,集中布置在機房樓一層,變壓器每層均需布置,低壓配電系統每層均需布置。

    3.5.4 建筑平面生成

    根據各專業需求,機房首層兩側為輔助空間,布置拆包區、強弱電間、空調機房、管理維護室、監控室、樓梯間和備品備件間等。內部布置制冷區和高電壓變配電區等動力空間以及傳輸機房,輔助區面積463 m2,動力空間面積3 568 m2,傳輸機房面積788 m2。

    圖4 建筑平面圖

    圖4 建筑平面圖  下載原圖


    標準層平面采用大平面開放式布局,主要功能單元對稱式布置,機房兩側為輔助空間,布置拆包區、強弱電間、空調機房、管理維護室、樓梯間和備品備件間等,輔助區面積463 m2。中間部分布置配電單元396 m2,保證電力輸送路由合理,線路最短,配套空間合計859 m2,微模塊布置區域3 960 m2。

    4 層數據中心的配套空間/裝機空間=0.4,對于無人值守機房,即可滿足使用需求,遠低于GB50174-2017《數據中心設計規范》對于輔助區和支持區的面積之和,可滿足主機房面積1.5~2.5倍的要求,避免面積浪費,如圖4所示。

    4 結束語

    倉儲式數據中心較傳統數據中心具有空間開闊和布置靈活的特點,標準化程度高,建設周期短,適用于快速部署和高效靈活的業務需求。多層倉儲式數據中心兼顧單層廠房快速部署的能力,又具備多層數據中心裝機能力強的特點,本文作為一次機房平面的創作探索過程的總結,填寫理論空白,希望能對今后的工程設計提供幫助。

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