提高數據中心空間使用率，助力數字新基建

以“新基建”為契機，加快數據中心建設，增強在新形勢下的競爭力顯得尤為重要，善用每一寸空間是提高數據中心競爭力的手段之一。數據中心空間總是不夠，這其實是有限資源和無限需求之間的矛盾，可以通過增加空間或提高空間的利用率來解決空間不夠的問題。對于設計好的數據中心無法再增加空間，只能通過提高空間利用率、增大密度來解決，而部署新數據中心的時候，應當在規(guī)劃和設計之初就解決好空間使用效率的問題。
　　
一、數據中心空間使用效率的六大因素
　　
　　數據中心的空間使用效率簡單地說是用于裝機的建筑面積與數據中心總建筑面積的比值，這個比值越低越好，越低意味著更多的空間用于安裝機架，一般用單機架建筑面積或單千瓦建筑面積來計算和衡量?？臻g使用效率有平面空間和高度空間兩個層面，規(guī)劃設計時需要兩個層面統(tǒng)一考慮，達成合理的解決方案。
　　
　　數據中心空間使用效率與多方面的因素相關，包含服務器的選擇與安裝、機電方案的設置及設備的選型、保障等級及平面布局等。
　　
1、機架空間分析
　　
　　隨著服務器越來越小型化，在同樣的機架空間內，安裝的服務器越多，意味著單機架的功耗越大、計算能力越集約、越節(jié)省空間，同時單機架所對應的配套用房面積也就越大，但總體來說單機架功耗越大，空間越節(jié)省，單千瓦的建筑面積越小，數據中心空間的密度越高，空間的利用效率越好。
　　
　　機架的高度決定安裝服務器的數量，可以通過提高機架的高度來提高裝機密度，從而提高機房的空間利用率。機架的高度并不是越高越好，單純追求機架高度會給日常的運維帶來很大不便。另外，機柜太高會導致服務器數量多、線纜多，對機房的布線也會帶來很大的壓力。綜合考慮這兩方面因素，機架合理高度為2.2米~2.5米。
　　
2、制冷方案分析
　　
　　數據中心有風冷、水冷、間接蒸發(fā)冷、液冷等多種制冷方式，空調類型有房間級制冷、行級制冷、機柜級制冷，各種制冷方式及空調形式對空間的要求有很大的區(qū)別。簡單來說制冷效率越低，越需要更多的空間進行散熱，也就是說所需要的空間越大。
　　
　　如風冷的制冷效率相對較低，需要靜壓箱、回風空間，還需要很多的室外機平臺；水冷方案制冷效率相對較好，僅需要冷機空間、末端空間，對空間的使用效率有一定的提高；液冷服務器制冷與服務器相結合，就近制冷，制冷效率非常高，數據中心的功率密度也很高，單千瓦的空間使用效率得到很大的提高。數據中心制冷越靠近熱源，制冷效率越高、越節(jié)能，同時單千瓦所對應的空間越小，空間的利用率越好。
　　
3、供電方案分析
　　
　　數據中心機房供電系統(tǒng)涉及市電供電、柴油發(fā)電機、UPS不間斷供電、低壓配電系統(tǒng)、電纜及電纜路由、列頭柜配電系統(tǒng)等，供電系統(tǒng)的設計與保障等級、供電方式及設備類型有很大的關系。
　　
　　就保障等級而言，保障等級越高安全性越高，所要求的冗余也相對越多，可知所需要空間也越大，單機架建筑面積或單千瓦的建筑面積就越大。
　　
　　就供電方式而言，最能節(jié)省空間的當屬供電損耗最小的市電直供方案，不需要UPS設備，節(jié)省了很大的空間。UPS方案分為分散供電和集中供電模式，分散式供電結構將不間斷電源系統(tǒng)分散安裝在用電設備的列頭或列間，就地為ICT設備供電，取消電力電池室的建設，也就提高了數據中心空間使用效率。
　　
　　就設備選型而言，數據中心小母線供電不占用平面空間，與列頭柜供電相比省去了列頭柜，能夠最大化利用寶貴的數據中心空間，用于安裝實際生產用的機柜；大容量UPS和變壓器融合，鋰電池做后備，可節(jié)省使用空間；巴拿馬電源省去傳統(tǒng)的變壓器，節(jié)省了變壓器空間用于裝機；天蝎機柜自帶分布式鋰電池，省去傳統(tǒng)的UPS及蓄電池裝置；飛輪UPS節(jié)省蓄電池面積；大容量柴油發(fā)電機組可節(jié)省油機臺數，從而節(jié)省使用面積；燃氣輪機發(fā)電作為第三路電源，可省去柴油發(fā)電機。這些新技術和新產品都是對數據中心更加節(jié)能高效和提高空間使用效率的探索和應用。
　　
4、智能管控分析
　　
　　提高數據中心空間使用效率另一種方法是做好資產管理、容量分析，持續(xù)不斷地進行資源的配置和規(guī)劃，找到并利用未開發(fā)容量的閑置資源。監(jiān)控工具和智能機架PDU可提供有關可用容量的信息以及部署其他服務器的可能影響，一旦找到未使用的資源，就可以整合并更好地平衡和匹配。容量的管理實現數據中心的關鍵資源的高效利用，提高資源利用率。借助容量管理，數據中心可以充分利用現有數據中心的容量資源。
　　
　　通過使用數據中心基礎設施管理軟件實現對容量資源的有效利用，之前所構建的數據中心可能被過度構建，以滿足當時的需求，通過管理軟件可以進一步匹配IT設備所需的空間，可充分提高數據中心現有空間的使用效率。
　　
5、綜合布線分析
　　
　　數據中心高度空間的利用率很大程度上取決于綜合布線系統(tǒng)的設計。數據中心內的綜合管線多達十余種，有空調水管、電纜橋架、光纜橋架、風管、智能化橋架、消防水管及一些需要放在走廊內的設備。在進行綜合布線的時候，遵行法律法規(guī)的要求，在滿足安全和運維的需求基礎之上，應將數據中心的高度空間利用率達到最佳。
　　
　　數據中心內眾多管線中，工藝、電源和空調路由管線設計影響最大。數據中心的工藝布線系統(tǒng)分為銅纜系統(tǒng)和光纜系統(tǒng)，銅纜也可以采用高密度，但這種高密度對空間的節(jié)省實在有限，在同樣的空間里要得到更多的傳輸帶寬，改用光纜傳輸是一個必然的選擇。電源母線槽通過合理、安全的結構，將幾根導線包裹在金屬外殼內，組成一個整體的具有電氣連續(xù)性的輸配電系統(tǒng)，分接方便、占有空間小。
　　
　　制冷系統(tǒng)的水管或者風管也是影響數據中心高度空間的重要因素，制冷方式不同其斷面的大小，路徑等都有很大的區(qū)別。在進行數據中心空間規(guī)劃時需要結合投資考慮各種管線的合理布置和取舍，讓數據中心的空間利用更加有效。
　　
6、平面布局分析
　　
　　數據中心的平面布局包含兩個層面，一是數據中心的整體布局，各系統(tǒng)之間的合理配置；二是機房內空間布局實現更多裝機。
　　
　　數據中心的整體布局高效匹配主要在于用電容量、冷量、空間與工藝功耗之間的配置關系，空間足夠用，整體的用電容量和冷量不夠，也不能達到空間使用的高效。數據中心的空間確定后，就需要各系統(tǒng)之間做到合理匹配，如果某個方面出現瓶頸，其他方面充足也不能達到高效，甚至會造成浪費。在一定的空間內，合理配置單機架功耗、設備臺數、容量，達到空間和容量雙匹配，才能說數據中心的空間使用效率較優(yōu)。
　　
　　數據中心內部空間應當考慮如何在滿足國家法律法規(guī)對消防疏散的要求下，在滿足綜合管線合理的布置下，讓數據中心平面的輔助空間面積、交通面積更合理，以便有更多的空間用于安裝機架。消防疏散的要求包含防火分區(qū)、疏散距離、消防方式等，規(guī)劃和設計數據中心時應當追求防火分區(qū)的最大面積，讓豎向的疏散空間充分利用，追求最長的疏散距離，讓橫向的疏散空間充分利用。也就是說，提高數據中心的空間利用效率，應當在滿足功能及安全性的前提下盡可能地減少疏散空間。而機房內部應當考慮設備搬運通道、柱網與機架、列間距的匹配，才能達到一定的空間內機架數量最大，讓空間使用效率最好。
　　
二、數據中心空間使用效率的解決方案
　　
　　根據需求提供定制的數據中心解決方案，往往空間的利用效率相對較高。但是建設數據中心初期需求往往不能確定，而是要求數據中心能夠不斷適應業(yè)務發(fā)展的變化及需求的調整等因素，在這樣的情況下，做好數據中心空間規(guī)劃顯得尤為重要，是保障數據中心長期高效運營的基本條件。筆者就目前應用最為普遍的機電系統(tǒng)和設備，提供兩個系列的數據中心土建解決方案。
　　
1、標準化數據中心解決方案
　　
　　提高數據中心空間的使用效率，需要合理確定其平面、柱網和機房的尺寸及高度。
　　
　　確定數據中心的平面尺寸應結合法律法規(guī)的要求和實際用地的情況進行。根據工程經驗確定數據中心合理的平面尺寸為5000平方米左右，這個平面大小最大限度地利用了防火分區(qū)的面積，將疏散空間降到最低，以爭取最大的空間用來安裝機架。
　　
　　確定數據中心的柱網尺寸需要結合各系統(tǒng)設計，柱網的設計圍繞機架展開，一切為了更多安裝機架。同時讓柱子盡可能不設置在列間，把通道打開，不僅可以多安裝機架，還便于冷熱通道的封閉，機房也更加美觀和開敞。
　　
　　確定機房的尺寸，大柱網大開間的機房讓裝機效率提高，但機房的尺寸與消防有很大的關系，如果采用水消防，機房的大小只受到疏散距離的限制，如果是氣體滅火系統(tǒng)，受到高度和體積的限制，一般一個機房的大小在500~700平方米較合適。機房寬度的確定與主次通道和機列長度有關，這樣可以使機房的裝機效率最高，就冷凍水系統(tǒng)機列最長為15米較合理，主運輸通道1.5米，次要維護通道1米，這樣機房的凈寬為17.5米左右較為合理；對于風冷系統(tǒng)而言，與送風距離、風速及制冷效率有很大的關系，機房的凈寬需要根據實際情況進行計算確定。
　　
　　機房高度空間的確定與綜合管線設計密切相關，與機架的高度、制冷的方案、網絡布線的形式、電源系統(tǒng)與輸送方式的選擇關系很大，而走廊內的管線排布將是最大的制約因素，走廊內管線多，需要考慮運維和運輸的空間。一般認為機房的層高4.8~5.4米為較為經濟合理的高度。標準化數據中心空間解決方案示例如圖1所示。
　　
　　由于未來很大可能存在需求的變化，在空間設計上留有余量，考慮可能的需求變化帶來的影響，讓數據中心的空間利用效率不會因為需要的變化而大幅降低。故數據中心的空間使用效率與各系統(tǒng)的匹配關系有很大的關系。以目前應用最廣的水冷系統(tǒng)作為研究對象，數據中心設計中需要統(tǒng)籌考慮制冷站、空調末端、冷卻塔變壓器、UPS、電池以及各種管道路由通道等多方面因素進行合理匹配。
　　
2、模塊化數據中心解決方案
　　
　　隨著數據中心市場的快速發(fā)展，模塊化數據中心以其高可靠、高效節(jié)能和整體快速部署的優(yōu)勢，因此成為中小型數據中心發(fā)展的主流趨勢，在大型數據中心也有大量應用。在構建新的數據中心時，這些模塊可以作為更靈活有機的數據中心設計的一部分，并且不斷更新升級。這種靈活的、不斷升級的的模式能更好地適應未來不確定的變化，讓空間的匹配降到一個很小的范圍內，降低了因需求變化帶來的影響范圍，讓數據中心的空間使用效率做得更優(yōu)。
　　
　　采用微模塊的部署方式，其機房內部設計主要與微模塊的尺寸有很大的關系，設計之初如果可以選定微模塊產品進行定制空間的設計，空間的使用效率匹配性將大大的提高，相應機房空間的使用效率就能得到保證。模塊化數據中心空間解決方案示例如圖2所示。
　　
　　總之，做好數據中心的空間使用是一個系統(tǒng)工程，需要前瞻未來，預測不確定的變化，做好預留和應對措施。同時還要根據目前的需求，做到各系統(tǒng)之間的最佳匹配，并對數據中心的資源做好監(jiān)測和調配，避免閑置浪費。