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    多层仓储式数据中心建筑设计研究

      信息来源:   发布时间:2022-01-07  点击数:

    随着5G时代的到来,以及物联网、云计算、AI等新兴技术的迅速发展,数据业务形成了大容量、大带宽、大连接和低时延等新特征。作为数据业务的载体——数据中心建设模式也日益多元化。面对新时代要求,仓储式数据中心作为一种新兴的建设模式,因其能够快速灵活、弹性部署IT设备,支撑新业务发展,正日益受到数据中心建设者和运营者的关注,同时根据新条件和新技术,仓储式数据中心势必需要不断的更新与改进,以适应更为复杂的功能需求。

    1 仓储式数据中心发展概况

    仓储式数据中心的建设模式最早起源于欧美发达国家。对于快速变化的互联网行业来说,很多业务只在不到一年内就爆发,两三年才能建好的传统数据中心建设模式,对互联网行业来说是不能接受的。仓储式模块数据中心建设模式具备建设速度快、成本低和更节能等优点,被各大互联网公司以及IDC运营商所广泛推崇。

    Google公司自2005年开始,在单层厂房内,模块化机架布置以连体三联柜为最小颗粒度建设,由两组连体三联柜、机柜列间通道顶部的空调盘管和风扇列阵组成。当整个机房建设的时候,会有多个这样的模块不断复制和不断延伸,这个时候每个微模块单元就会不断延展成一整排微模块阵列,配合柴发模块、供电模块、制冷模块以及其它功能模块等形成完整的数据中心。

    国内仓储式数据中心研究与国际同步,通信运营商从2009年起提出符合国情的仓储式数据中心方案。2010年开始,由腾讯等互联网公司协同三大运营商,开始了微模块的概念设计与实验,这是我国在数据中心技术和建设模式上的重大创新,并成功将其应用在仓储式数据中心内。

    目前国内外仓储式数据中心,大多布置在1~2层的厂房式建筑内,建筑占地面积大,对于土地资源的利用效率有待提升。

    2 仓储式数据中心定义

    仓储式数据中心是将IT设备部署在简易建筑中,采用模块化架构设计,可按模块单元复制且能快速部署的数据中心。采用大平面、开放式和模块化布局承载ICT设备的数据中心建筑。

    仓储式数据中心一般为仓储式建筑结构,内部IT设备多采用模块式机架、微模块式设备或者集装箱式设备。从建设方式上分为新建的数据中心或在已有厂房内改建的数据中心。从建筑类别上分为民用建筑和工业建筑,从结构型式上包含钢结构和钢筋混凝土结构。

    3 多层仓储式数据中心典型场景方案

    提高装机效率、降低建设投资和PUE、缩短建设周期,逐渐成为数据中心业主需求的主旋律。数据中心设计如何平衡装机数量、资源使用效率、投资效率和建设周期,直接关系到数据中心后期自用或客户租用的使用效益。多层仓储式数据中心目前国内外尚无应用案例,随着楼层的叠加,数据中心的空间使用效率会得以提升。以下将以某多层仓储式数据中心工程方案设计为例,归纳多层仓储式数据中心建筑平面设计的方法,提出高效的多层仓储式数据中心建筑平面。

    3.1 输入条件

    以下为某企业标准化方案设计,根据企业使用需求,设置设计输入条件。

    (1)数据中心根据GB50174-2017《数据中心设计规范》确定分级及性能要求,其中A级机房与B级机房占比为6:4,传输机房均为A级。

    (2)供电方案采用48 V直流不间断电源(10%)以及市电(90%)直供方案(1路市电+1路不停电电源系统)。

    (3)平面轮廓限定:遵循数据中心园区总体规划的建筑轮廓。

    (4)机架布置采用微模块布局。

    3.2 研究思路

    在限定条件下,本次设计拟采用大柱网方案,减少结构柱对空间的影响,提升装机效率。采用微模块进行多系统集成,现场组装,实现快速部署,缩短建设周期,降低机电一次性投资,使用初期PUE基本达到运行值,节省建设及运营费用。提高空调供水温度,增加自然冷源利用时间,提高空调回风温度,电源采用市电直供方案,进一步降低PUE。

    3.3 方案生成

    随着GB50174-2017《数据中心设计规范》的正式实施,数据中心可以参照丙类厂房设计,也可以按照民用建筑设计。新规范的实施对方案生成产生较大影响,为大平面开敞式空间建筑平面提供可能性。设计输入条件,则对为数据中心提供电力及制冷的动力用房面积做出影响。鉴于仓储式数据中心工业属性,方案按照工业建筑设计。工业与民用建筑对比如表1所示。

    3.4 规模确定

    本次设计中,考虑到数据中心园区规划延续性,以4层工业建筑、标准层面积5 000 m2为标准开展研究,建筑轮廓57 m×85 m。GB50016-2014《建筑设计防火规范》规定多层最大防火分区为6 000 m2为一个防火分区。设置合理交通空间,既可以满足当下需求,也可以保障后续设计空间扩展需求。多层工业建筑疏散距离为厂房内任一点至安全出口的直线距离不超过60m即可,比较民用建筑大空间疏散距离不能超过30m,空间灵活度有了很大提升,可以保证建筑大平面和开放式布局。

    在既定的平面轮廓中探寻最优化的功能布局。根据机房内主要功能空间的使用情况,将其划分为IDC机房区、动力配套区和辅助空间3种主力模块。通过对3种模块的不同组合,本次方案设计提出多套研究方案进行比选,选出较为理想的模式进行深化。

      

    表1 工业与民用建筑对比  下载原图



    表1 工业与民用建筑对比

    表1 工业与民用建筑对比

    通过对比可以发现,方案1和方案2均将辅助空间(备品备件间、空调设备间、管道间和办公室等)置于建筑两侧,中间空间集中布置设备机房,区别在于传输机房的位置。方案2为传统数据中心布局模式,一般将传输机房置于楼层中间部位,便于上下走线,但是会造成机房平面标准化程度低的结果。方案1将传输机房放置一层,便于参观流线的组织,同时将高低压配电等非标准化设备集中布置在一层,保证标准层的完整和纯粹性,可以大面积布置微模块机房形成较为理想的机房平面雏形。本次设计以方案1为基础进行深化,如图1所示。

    图1 模拟平面对比

    图1 模拟平面对比  下载原图


    3.5 空间深化设计

    机房空间布局大致确定后,下一阶段设计围绕此轮廓进一步确定基本的柱网尺寸。本次建筑空间大量布置微模块产品,产品选型直接决定柱网尺寸。

    3.5.1 微模块产品确定

    微模块是为IT机柜和应用服务,并能实现一定独立运营功能的标准化功能单元,可拼装组合,可更换。微模块由机柜系统、电源系统、配电系统、空调末端、综合布线系统、消防系统和监控管理系统等组成,可实现工厂生产、现场组装、模块化部署。

    如图2所示,经过分析比对,微模块产品采用多联方案,可以通过共享冷热通道减少模块空间面积以提高机架数。微模块产品为封闭空间,采用无管网气体灭火方式,按照气灭空间平面不超过500 m2,体积不超过1 600 m3推算,微模块产品可以做到8联,但是考虑到产品生产情况,本次方案按照双联微模块进行平面布置。微模块产品本身具备防水和防尘功能,因此建筑空间防火措施采用自动水喷淋系统,为大平面开放式布局打下基础,如图3所示。

    3.5.2 柱网空间确定

    根据机柜维护要求,用于搬运设备的通道净宽不小于1.5m,微模块作为一个产品,内部空间满足规范距离要求,外部设备间距并无明确规定。经过实地考察调研,微模块厂家考虑维护需求,建议模块间尺寸不小于0.6 m。最终确定建筑平面柱网为13.2 m×10.2m,柱网与微模块分别独立布置,保证产品合理使用的同时避免空间浪费。每个标准层平面可布置25个微模块产品。

    3.5.3 相关专业需求分析

    数据中心设计涉及到结构、工艺、空调、电气和电源等多专业配合,仓储式机房大平面开敞式空间建筑平面,尽可能解耦各个专业的交叉性。

    多层建筑采用无柱或少柱的大跨结构方案性价比很差,综合建筑平面、经济造价和施工技术等多个因素,4层仓储结构方案推荐钢筋混凝土框架结构方案。

    除传输设备外,其它ICT设备工艺均采用单层双联微模块布置。

    空调方案微模块内采用冷冻水型列间空调,每个微模块预留空调水管接口。空调冷源采用高压冷水机组,板换和冷却塔的组合,需要配置4台2 000 RT的10 kV高压冷水机组,设备摆放大约需求1 100 m2。另外每层还需布置少量的排烟和新风机房。

    图2 微模块产品比对图

    图2 微模块产品比对图  下载原图


    图3 微模块产品布置图

    图3 微模块产品布置图  下载原图


    电气方案微模块内实现弱电系统和配电单元等的市电与UPS的双路供电,每个微模块预留强弱电接口,其它功能房间主要考虑集中监控室和强弱电配线间的布置。

    电源方案微模块内设置不间断电源,传输机房配套布置电力电池室,高压供电系统采用一级配电,集中布置在机房楼一层,变压器每层均需布置,低压配电系统每层均需布置。

    3.5.4 建筑平面生成

    根据各专业需求,机房首层两侧为辅助空间,布置拆包区、强弱电间、空调机房、管理维护室、监控室、楼梯间和备品备件间等。内部布置制冷区和高电压变配电区等动力空间以及传输机房,辅助区面积463 m2,动力空间面积3 568 m2,传输机房面积788 m2

    图4 建筑平面图

    图4 建筑平面图  下载原图


    标准层平面采用大平面开放式布局,主要功能单元对称式布置,机房两侧为辅助空间,布置拆包区、强弱电间、空调机房、管理维护室、楼梯间和备品备件间等,辅助区面积463 m2。中间部分布置配电单元396 m2,保证电力输送路由合理,线路最短,配套空间合计859 m2,微模块布置区域3 960 m2

    4 层数据中心的配套空间/装机空间=0.4,对于无人值守机房,即可满足使用需求,远低于GB50174-2017《数据中心设计规范》对于辅助区和支持区的面积之和,可满足主机房面积1.5~2.5倍的要求,避免面积浪费,如图4所示。

    4 结束语

    仓储式数据中心较传统数据中心具有空间开阔和布置灵活的特点,标准化程度高,建设周期短,适用于快速部署和高效灵活的业务需求。多层仓储式数据中心兼顾单层厂房快速部署的能力,又具备多层数据中心装机能力强的特点,本文作为一次机房平面的创作探索过程的总结,填写理论空白,希望能对今后的工程设计提供帮助。

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