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    模块化数据中心的设计理念 发展与实践


    作者:文/中国电子学会 郭丰   |   发布时间:2020-10-13   |   点击数:93

    1 前言

    随着数据中心的规模越来越大,与数据中心用户希望灵活使用、分期部署、逐步扩容等需求产生了一些矛盾。为此,从2008年左右开始,模块化数据中心的设计理念被提出并得到了广泛的发展。

    2. 模块化数据中心的设计理念

    模块化数据中心设计理念是将数据中心划分为一个个具有相同机柜数量、配置有相应的供电容量和制冷容量、可以独立运行提供生产能力的模块。这样数据中心可以匹配相应的客户需求,以模块为单位,实现分期建设、模块化复制、灵活扩容等目的。数据中心模块化从设计理念和产品应用等维度进行分类,从广义来讲可分为微模块产品、楼层模块化、园区模块化三个层面,如表1所示。

    狭义上的模块化数据中心一般只讲第三层级的产品模块化设计。该设计集成了制冷、配电、机柜、密闭通道、监控、综合布线、消防等系统于一体,采用模块化的部件和统一的接口标准,实现了供电、制冷和管理组件的无缝集成。将数据中心产品化、工厂预制化,具备集约、绿色、安全、高效的优势,各功能组件均实现工厂预制、现场积木式拼装,部署快速简单,缩短设计中心的建设周期,并且扩容方便。能有效满足超大型、大型、小型数据中心快速部署和分期建设的需求。根据集成度的不同,又分别发展出集装箱式数据中心和微模块数据中心。

    3 集装箱式数据中心

    3.1 产品特点

    集装箱式模块化数据中心采用ISO标准40英尺和20英尺集装箱高箱安装、配置和运行数据中心,包含IT箱、配电箱、制冷箱、办公箱等,可实现工厂预制化和多个集装箱并箱,快速部署安装,可扩容性强。该技术可支持太阳能光伏+市电直供电源方案,白天太阳能光伏供电,晚上高压直流供电,采用服务器电源模块交直流压差控制,提高了供电运行效率;支持母线槽配电,取消配电柜,充分利用集装箱空间,减少输配电损耗;支持间接和两相蒸发自然冷却。集机柜、配电、制冷、监控、综合布线、安防、消防等系统于一体,实现了供电、制冷和管理组件的无缝集成,使集装箱数据中心实现智能、高效的运行,让客户花费较少的投资,获得更多的收益。集装箱数据中心系统构成如图1所示。

    集装箱式模块化数据中心的设计目标就是提供一种数据中心基础设施快速解决方案,可以解决客户不断变化的业务需求与低投资、高回报之间的矛盾,满足未来的云计算、虚拟化、刀片式服务器等高密低耗、快速部署、灵活扩展的需求,有效地提高数据中心的工作效率,控制投资成本。集装箱式数据中心工厂预制,项目地拼接固定,工程量少,标准作业,无须建筑,只需要有需求的地方提供空旷场地即可,整个周期短,节省成本显著。

    3.2 部署方式

    集装箱式模块化数据中心不依赖土建机房,箱体成本较低,单个箱体制作周期3~5天,工厂可并行生产,周期较短;可以根据规划和实际使用情况进行调整部署,可以分期部署,避免一次性过多浪费投入,供电及制冷均可按照需要模块化扩容;生产制作在工程预装完成,极少部分内容由现场实施,现场制作简单的紧固拼接工作,大大减少工程量,可以做到节约精细化管理;在国内及国外,灵活的配电方式,使用高压直流代替交流UPS,使得电池直接悬挂在重要负数源端,即使供电设备损坏办可电池后备,避免了UPS逆变损坏导致的电池无效的场景,且高压直流无逆变环节,单台效率上升,大规模部署,节能效果显著;规模性部署采用拼箱和叠高方案,水平方向节省空间,垂直方向将空间最大化利用,机柜侧采用母线槽供电,母线槽供电插接箱灵活配置,可以根据机柜数量增减母线插接箱,母线使用寿命较长,金属外壳,消防能力较强,施工模块化,较为便捷;根据外界环境,可使用间接蒸发自然冷却以及新风引入等技术,大大使用自然冷量,巨大地节省制冷电费的开支;利用顶层箱体面积,铺设光伏设备,一方面减少箱体的直接暴晒雨淋;同时光伏发电直接与高压直流并机,通过光伏设备与高压直流设备之间的智能控制,优先使用光伏发电,光伏发电不够负载使用,高压直流与光伏共同为负载供能,直至光伏发电为零,供能由高压直流承担,无须设备转换切换,两者之间无缝过渡切换,利用自然能源的同时减少了市电使用,间接减排二氧化碳。

    集装箱式数据中心部署效果如图2所示。

    4 微模块数据中心

    4.1 产品特点

    微模块数据中心集IT机柜、精密空调、不间断电源、监控、照明、布线、安防等系统于一体,采用了弱电信号无线传输技术、故障自动化预警和处理技术、PAD移动运维技术、冷电融合联动技术等一系列前沿技术,使得数据中心更加简单、高效、可靠。采用一体化集成方案,主要具备一体化集成、安全可靠、节省机房占地面积、节约能源、安装省时、省力、省心、架构兼容、部署快速灵活和监控完善等特点,是微模块数据中心产品的显著特征。一体化集成机柜系统、供配电系统、制冷系统、机房管理系统、防雷接地系统、消防系统和综合布线系统,高集成设计,提供完整的解决方案。一体化供配电系统,集成ATS配电、UPS配电、空调配电和IT设备配电。为服务器、存储、网络设备和网络柜设置不同的供电电源,支撑混合密度组网。智能母线槽的设计可代替原有配电柜,同时具有监控功能和集成了智能插座功能,进一步提升机房的出柜率和可靠性。

    如图3所示,微模块数据中心产品内通常采用由行级空调同设备机柜排列在一起,天窗、端门与机柜连接,共同组成密闭冷()通道的方式实现冷热空气隔离。行级空调及机柜尺寸均符合IEC60297-1要求,兼容主流IT设备安装要求。密闭天窗主要用于模块通道的密封,分为控制天窗、旋转天窗和平顶天窗三种。端门分为推拉门和双开门两种。在密闭通道的两端安装端门,使得整个模块形成一个独立的整体,在提升设备工作效率的同时保证工作人员或设备进出。依据机房尺寸和单柜功耗,可选择单双排密封,分别如图4和图5所示。可选单排密封冷通道、密封热通道;双排密封冷、热通道。

    散热组织一般采用水平送风方式, 制冷系统采用行级精密空调+密封通道的制冷方式;行级精密空调和设备机柜共同组成密封通道,实现冷热空气隔离。冷空气从机柜的前门(即冷通道)IT设备吸入,热风从机柜的后门排出进入热通道。空调将热通道内热空气吸入并将其冷却为冷空气后输送至冷通道,如此反复。其中,机柜前门的通风率不小于60%,后门的通风率不小于50%。此种方式空调靠近热源,送风距离大大缩短,仅为2~6m,提高了冷量的利用效率。全封闭结构也减少了冷量散失,实现机房环境和外部环境的解耦合。液冷技术同样也可以应用在微模块数据中心内。冷源可以根据客户需求及当地气候条件选择风冷或冷冻水形式,采用高效节能的冷源系统。

    微模块产品的配电系统首先要选择节能高效的系统架构,同时采用高效的配电系统设备。一般包括UPS/HVDC系统、一体化配电柜和PDU等部分。配电柜通常采用一体化配电柜,集成IT配电单元、空调配电单元、UPS配电单元,实现一体化集成配电,大幅节省空间。如配备智能电量测试仪,可测量输入电源电压、电流、功率因数和每路的输出电流,实现7x24小时不间断监控。走线槽一般在顶部安装,以实现线缆的有序管理。走线槽分为信号线走线槽和电源线走线槽,分别用于信号线和电源线走线。UPS系统可采用模块化UPS或机架2UPS,可支持按需部署,柔性扩容。电池智能管理系统通过收集电池群组上传的无线通讯数据,收集和分析电池组运行数据,计算单体电池、电池组的SOC ( State Of Charge,充电状态)SOH ( State Of Health,健康状况),对电池健康状态进行评估,支持对电池的脱扣管理,并通过接口上传数据至上层管理单元。同时通过电池检测模块,检测电池的电压、内阻和极柱温度。

    监控系统一般包含对环境状态进行监控的动环监控系统、对制冷系统进行节能控制的,BAS系统、进行节能管理的DCIM系统等。通过有效的监控系统对数据中心微模块进行全方位监控,确保数据中心各机电设施处于高效运行状态,有效降低数据中心的运行能耗。

    管理系统由监控系统和若干部件组成,共同实现智能微模块各环节、各基础设施的数据采集与管理,如图6所示。通过柔性拓展的物理架构和模块化设计的思路,既能对单个智能微模块基础设施进行管理,也能对多个分地域的智能微模块基础设施进行集中统一管理。

    4.2 部署方式

    智能微模块模块化架构,从接口、部件、子系统到整体架构的模块化设计,将供配电系统、制冷系统、机柜系统、管理系统一体化集成,安装简单,轻松实现按需部署、易维护、易扩容。当业务增长时,无须过多规划设计即可直接复制,分期部署,避免一次性投资过多。通过全数字化技术、整合高效供电、制冷与负载的智能协同管理等多种核心技术,实现能耗的数字化精细化管理,实现了数据中心更低的PUE值。同时自动化的基础设施容量以及资产管理,实现最佳资源利用率,让运营更高效。

    在数据中心建设过程中,将主机房区域设备的部分安装工作剥离出来放在工厂去预制完成。这样一来,可以同步其他基础设施建设,一旦设备进场, 只需简单的组装,就可以完成部署,快速上线,节省业务上线时间40% ~50%。而且模块化的设计在二期、三期的建中;,省去再次设计规划的时间,所发挥的快速部署的特点更为显著,匹配数据中心业务快速增长的需求;按微模块为单位,每个模块都是一个独立的小型数据中心,这使得数据中心的架构是弹性的。不同模块间的功率设计可以是不同的,以精细匹配不同IT业务的需求,充分地利用资源,避免制冷量和供电单元过配而导致能源的浪费。并且供电模块及制冷模块都是统一与机柜采取同样规格,所以,一旦IT设备更新换代,需要对模块内部进行扩容,只需简单地调整相应的供配电及制冷模块数量,就可以满足新IT设备的运载。采用行级空调和密闭冷/热通道技术。一方面行级空调与机柜并排安装,近端制冷,有效地解决机房局部热点问题,并且更加精确地制冷,减少能耗;另一方面,让冷热空气隔离,有效地提高了空调的制冷效率,从而降低PUE,大大降低运营成本,与传统数据中心相比,可节电约15%PUE可达到1.5以下。

    5 模块化数据中心未来发展趋势

    5.1 安全高可靠

    严格执行国内外主流数据中心建设标准和工艺规范,最大限度保障IT设备稳定运行。电源采用2N冗余设计,空调采用N+1冗余设计,采用高倍率蓄电池,保证系统运行的安全性与可用性。具备完整的安全策略和可靠安全手段,做到了器件级、设备级、系统级三重防护可靠设计。数字化、智能化、网络化远维管理系统,确保数据中心的高效安全运营。

    5.2 绿色高能效

    采用高效率列间空调和EC变频风机。实现精准制冷和变频节能。采用高效奉模块化UPS或高压直流(具备ECO经济运行模式、模块休眠功能),电源系统效率可达96%

    5.3 智能云管理

    配置智能友好的集中监控运维管理系统,覆盖综合布线、动力监控、视频安防监控、出入口控制、环境设备集中监控、火灾自动报警及消防联动控制等子系统的管理,实时监控各模块运行状态,实现7x 24小时无人值守。具备多种数据管理方式和强大的报表功能,通过能效管理、3D虚拟展示等功能,实现对机房的精细化管理,提高运维管理效率和降低运营成本。

    6 结语

    基于模块化数据中心自身的优势,模块化被认为是数据中心未来的发展趋势,但是模块化数据中心产品虽然有各种便利性,但是现阶段其直接产品购买价格仍相对较高,目前仍然在发展过程中。随着应用规模的逐步扩大,其工厂化定制的优势将逐步体现出来。预计在不久的将来,其会得到更广泛的应用。

    [参考文献]

    [1] GB/T 32910.1-2017数据中心资源利用第1部分:术语[S]

    (2]工业和信息化部信息通信发展司,全国数据中心应用发展指引(2018) [R1.2019.5

    (3]LEED数据中心顾问(中国)委员会中国数据中心能源使用报告FR.第十八届中国数据中心设施论坛,2019.03

    [4]赛迪顾问有限公司.2019-2020年中国数据中心市场研究年度报告[R]