不同功率密度機(jī)柜對(duì)數(shù)據(jù)中心的影響分析

景傳剛，李 楠，宋曉偉

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

0 引 言

早期的數(shù)據(jù)中心主要是電信運(yùn)營商用于開展通信業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施用房，通信機(jī)房中ICT設(shè)備的功率密度（平均單機(jī)架運(yùn)行功耗）一般低于4 kW。隨著4G、互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，相關(guān)行業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)中心的需求逐年增大。由于具有更高的性能、更小的占地面積，高功率密度機(jī)柜數(shù)據(jù)中心越來越多的被行業(yè)和企業(yè)青睞[1]。

高功率密度意味著機(jī)柜更大空間、更大耗電量及更大的重量等，因此對(duì)數(shù)據(jù)中心在層高、荷載、冷卻等方面提出了更高的要求。目前在用數(shù)據(jù)中心單機(jī)柜功率密度形式多樣，分為低功率密度為＜5 kW/架，中功率密度為5～10 kW/架，高功率密度為≥10 kW/架[2]。

1 機(jī)柜尺寸

不同功率密度的機(jī)柜，可容納ICT設(shè)備數(shù)量（服務(wù)器、存儲(chǔ)器及交換機(jī)等）不同。通常，高功率密度機(jī)柜在容納服務(wù)器、存儲(chǔ)器、交換機(jī)及均衡器等方面，較低功率密度機(jī)柜多，圖1為不同功率密度機(jī)柜尺寸圖。

目前，市場中在用機(jī)柜尺寸主要有1 200 mm×600 mm×2 000 mm（ 深 × 寬× 高）、1 200 mm×600 mm×2 200 mm（ 深 × 寬× 高）、1 200 mm×600mm×2 500 mm（深×寬×高）等多種規(guī)格，不同功率密度機(jī)柜，空間容量不同。表1為不同功率密度機(jī)柜尺寸表，機(jī)柜尺寸針對(duì)常規(guī)的19英寸服務(wù)器設(shè)備使用，特殊情況不計(jì)列。

由表1可知，不同功率密度的機(jī)柜，要求機(jī)柜尺寸和容量不同，設(shè)計(jì)中要考慮；高功率機(jī)柜優(yōu)選空間容量大的機(jī)柜，確保滿足需求；中低功率密度機(jī)柜，機(jī)柜選擇應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性。

圖1 不同功率密度機(jī)柜尺寸圖

表1 不同功率密度機(jī)柜容量尺寸表

2 機(jī)房凈高

不同功率密度的機(jī)柜，對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的凈高要求不同[3]。層高過低，影響整個(gè)機(jī)房設(shè)備的規(guī)劃布置，且在綜合布線、機(jī)房維護(hù)等方面有較多不便。在數(shù)據(jù)中心建設(shè)時(shí)，針對(duì)不同功率密度的機(jī)柜需考慮合理的機(jī)房層高。

機(jī)房內(nèi)凈高為H，公式H=H1+H2+H3。其中，H1為設(shè)備底座高度（如有架空地板，和架空地板高度相同）；H2為ICT機(jī)柜高度；H3為機(jī)柜上方與房間梁的間距，含走線架、光纖槽道及消防噴頭等。

圖2為機(jī)房內(nèi)機(jī)柜空間布置圖。

圖2 機(jī)房內(nèi)機(jī)柜空間布置圖

針對(duì)3 kW、5 kW、10 kW等三種不同功率密度的機(jī)柜進(jìn)行布置，并考慮不同空調(diào)末端方式、小母線供電等因素，得出不同功率密度機(jī)柜對(duì)機(jī)房凈高的要求，表2為不同功率密度機(jī)房凈高值表。其中，機(jī)房凈高指機(jī)房地面到主梁下高度，不含主次梁、樓板等。

因此，在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，機(jī)房的凈高需考慮不同功率密度機(jī)柜的影響，并考慮預(yù)留。對(duì)于層高較低的機(jī)房，則可從降低機(jī)柜功率密度入手，選擇合理的布置方案。

3 機(jī)房荷載

不同功率密度的機(jī)柜容納服務(wù)器等設(shè)備數(shù)量不同，對(duì)樓板荷載要求不同，表3為不同功率密度機(jī)柜滿負(fù)荷的重量表。

表2 不同功率密度機(jī)房凈高值表

表3 不同功率密度機(jī)柜重量表

圖3 不同功率密度機(jī)柜布置圖

機(jī)房內(nèi)除了布置機(jī)柜外，還有制冷空調(diào)、列頭配電柜、恒濕機(jī)及防靜電地板等。在一個(gè)使用面積為376 m2的機(jī)房中，布置功率密度為5 kW、10 kW的機(jī)柜，以分析不同功率密度機(jī)柜對(duì)樓板的荷載影響，圖3為不同功率密度機(jī)柜布置圖。

在計(jì)算不同功率密度機(jī)房荷載的過程中，設(shè)備對(duì)地面的荷載為等效分布荷載[4]，表4為不同功率密度的機(jī)房均布荷載值表。

表4 不同功率密度的機(jī)房荷載值表

因此，對(duì)于新建數(shù)據(jù)中心，機(jī)房的荷載應(yīng)按照最大功率密度機(jī)柜的需求考慮。對(duì)于樓板荷載小的機(jī)房，可通過降低機(jī)柜功率密度、增大機(jī)柜布置間距等方案來滿足要求。

4 供電方式

目前，數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電形式有交流和直流兩種。交流電壓主要為220 V、380 V，直流電壓為-48 V、240 V及336V等。不同形式的供電電壓對(duì)應(yīng)機(jī)柜輸入電流值不同，影響電纜線徑選擇和供電效率，機(jī)柜輸入電流計(jì)算公式如下：

其中：IAC、IDC為輸入交流電、直流電；P為ICT機(jī)柜運(yùn)行功耗；U為ICT機(jī)柜供電電壓；cosφ為交流供電功率因素，取0.85～0.95，直流電為1。

針對(duì)不同功率密度的機(jī)柜，計(jì)算出多種供電電流值，表5為不同電壓等級(jí)下的電流值表。

表5 不同電壓等級(jí)下的電流值表

由表5可知，對(duì)于高功率密度機(jī)柜，優(yōu)選較高電壓的形式供電；對(duì)于中、低功率密度機(jī)柜，供電電流不大，可采用多種形式電壓供電；如果機(jī)房供電為低電壓，機(jī)柜功率密度不宜過高。

5 空調(diào)末端形式

數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，空調(diào)末端的選用十分重要，直接影響數(shù)據(jù)中心的裝機(jī)效率。機(jī)房級(jí)空調(diào)末端可分為傳統(tǒng)型、新型應(yīng)用型兩類。傳統(tǒng)型空調(diào)主要為風(fēng)冷型機(jī)房專用空調(diào)（下送風(fēng)、上送風(fēng)）、冷凍水型機(jī)房專用空調(diào)（下送風(fēng)），新型空調(diào)末端方式有列間空調(diào)末端（冷凍水型、重力熱管型及動(dòng)力熱管型）、背板空調(diào)（冷凍水型、重力熱管型及動(dòng)力熱管型）。

對(duì)于傳統(tǒng)型空調(diào)末端，對(duì)機(jī)房環(huán)境整體降溫，能夠適應(yīng)不同的設(shè)備氣流組織，空調(diào)數(shù)量相對(duì)少，維護(hù)方便，但是需要獨(dú)立空調(diào)區(qū)域，占用機(jī)房空間，且制冷效率偏低。

對(duì)于列間空調(diào)末端，列間空調(diào)更加貼近熱源，氣體輸送距離短，采用封閉冷（熱）通道措施可以優(yōu)化氣流組織，其不足是占據(jù)部分機(jī)架位置。

對(duì)于背板空調(diào)末端，對(duì)機(jī)柜解耦度不高，裝機(jī)率高，但是數(shù)量較多，安裝維護(hù)工作量大。表6為常用空調(diào)末端的參數(shù)值表，按照機(jī)柜進(jìn)出風(fēng)溫度18～27 ℃，機(jī)房內(nèi)濕度＜60%考慮；尺寸、顯冷量按照常用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，以實(shí)際工程為準(zhǔn)，本表供參考。

表6 為常用空調(diào)末端的參數(shù)值表

在一個(gè)電力充足、使用面積約376 m2的數(shù)據(jù)中心機(jī)房中，冷凍水溫度相同的情況下，對(duì)3 kW、5 kW、10 kW三種不同功率密度的機(jī)柜進(jìn)行布置，分別采用冷凍水型機(jī)房專用空調(diào)、列間空調(diào)（冷凍水型、重力熱管型、動(dòng)力熱管型）、背板空調(diào)（冷凍水型、重力熱管型、動(dòng)力熱管型）進(jìn)行測算模擬，相應(yīng)的裝機(jī)數(shù)量不同，圖4為不同功率密度的裝機(jī)數(shù)量圖。

由圖4可知，不同功率密度的機(jī)柜，采用不同空調(diào)末端，裝機(jī)數(shù)量差別較大；中、高功率密度機(jī)柜優(yōu)選熱管背板型空調(diào)，次之為列間空調(diào)末端；低功率密度機(jī)柜的空調(diào)末端形式選擇較多，根據(jù)需求選用經(jīng)濟(jì)節(jié)能型。

圖4 不同功率密度的裝機(jī)數(shù)量

6 結(jié) 論

本文首先對(duì)不同功率密度的機(jī)柜進(jìn)行了高、中、低三種類別劃分，并分析了不同功率密度的機(jī)柜對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房層高、機(jī)柜尺寸、機(jī)房荷載、供電電壓、空調(diào)末端等多方面的影響，得出了相應(yīng)結(jié)論。通過本文的分析，對(duì)不同功率密度的數(shù)據(jù)中心的建設(shè)提供了一些技術(shù)方案，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心建設(shè)的高效、綠色、節(jié)能。