微模塊數據中心的工程化應用

趙麟杰

（中國鐵路通信信號上海工程局集團有限公司，上海 200436）

以“互聯網+”和大數據業務為代表的新一代信息技術革命的到來，推動企業生產和管理業務的飛速發展，各中小企業越來越重視信息化建設，數據中心的建設數量呈現飛速發展。服務器、存儲設備、網絡設備也越來越密集，給數據中心帶來了巨大挑戰。快速增加的設備使得機柜使用密度大大提高，高性能芯片巨大發熱量需要更高制冷量，對數據中心機房建設發起挑戰。

如圖1所示，微模塊數據中心的出現有效應對了上述挑戰。以模塊化、標準化的架構和高效高可靠的UPS、精密空調等靈活組合打造新一代模塊化數據中心基礎設施，快速部署、高效節省、智能管理等優點成為近年來數據中心建設中的亮點。

1 微模塊數據中心的簡介

微模塊數據中心一般由供配電系統、空調系統、IT機柜統、綜合布線系統、智能監測系統、氣流組織管理系統等模塊組成。

圖1 微模塊數據中心示意圖Fig.1 Schematic of micro module data center

1.1 供電系統

不停電供電系統包括輸入輸出配電、UPS 主機、列頭柜、機架配電，電池系統，地線系統，配電保護(主要為防雷和電涌保護、各級保護斷路器)等，可根據需求配置交流或直流供電。

1.2 制冷系統

制冷系統主要為空調和配套的附屬設備如管道系統、管道和機架級冷氣配送設備等。為確保高密度機柜內的散熱并降低制冷能源浪費，可選用水平送風方式，就近送風、減少冷氣損失，可實現單機柜設備功率密度提高至20 kW以上的能力。

1.3 機架系統

機架是IT設備的支撐機構和分配單元。包含機架的物理結構，承重能力、進風、出風、氣流等散熱管理、電源分配、和線纜管理等功能要素，是承載IT設備的物理實體。

1.4 電纜連接系統

電纜連接系統主要為負載電力所需的電源電纜和信息數據傳輸電纜，以及相配套的電纜連接器件等，是微模塊數據中心基礎設施其中之一，電纜布設和管理將直接影響到整個IT系統的可靠穩定運行。

1.5 智能管理系統

為確保微模塊數據中心各子系統的可靠運行，需配屬必要的自動監視管理信息系統，如動力設備監視管理系統、網絡設備管理系統、環境管理系統、安防系統及其他監測用的硬件和軟件。

1.6 氣流組織管理系統

微模塊數據中心采用獨立冷卻系統，來滿足此功能區制冷需求。微模塊機柜布局通常為冷/熱通道，若采用水平送風空調， 95%左右的冷風可以直接送到冷/熱通道內而進入服務器機柜，所有機柜空面板安裝盲板；機柜內排出的熱風會被空調機組吸回，熱風不再返回進機柜內。全封閉式冷氣循環系統環境，有效提升空調使用率，從而實現高效節能降耗。

微模塊數據中心的頂部設置部分開啟扇，開啟面積為冷通道頂部面積的60%以上，由于機房一般采用氣體滅火設施，當火災發生時可觸發冷通道頂部開啟扇快速打開，氣體滅火系統可精準對起火設備進行滅火，同時聯動設備把狀態信號反饋給消防中心。非緊急狀態下，也可通過消防控制中心信號讓冷通道的頂部開啟扇部分打開，利于擴大散熱效果。

2 微模塊數據中心的優勢

2.1 標準化部件、模塊化架構、工廠預制、現場部署快捷

微模塊數據中心部件均在工廠預制完成，部件之間設計了標準化接口，抵達現場后按照預先設計的要求拼接而成。一體化集成UPS、精密空調、配電、機柜、智能管理等主要子系統，即插即用如同“搭積木”一樣便捷，這樣可實現快速部署，極簡交付，部署速度較傳統可提升50%或以上。同樣，微模塊也可以簡單復制、分期部署和按需擴容，可有效提高機房負載率并降低能耗。

2.2 場景適應性強

一般微模塊數據中心僅需2.6 m層高、 最低350 kg/m2樓板承重即可完成模塊部署，適應絕大多數室內環境?？梢圆捎盟剿惋L方式，可直接在水泥地面部署，甚至無需架空地板。機柜排列方式靈活，支持單排、雙排兩種排列方式，避免面積浪費，室內空間利用率最大化；封閉與不封閉兩種部署方式，適應低、中、高密不同業務需求。

2.3 模塊化架構，滿足高能效低PUE

微模塊數據中心優化了配電和制冷系統設計，采用密閉冷/熱通道和行間空調近端制冷技術，行級空調、高頻模塊化UPS、密閉通道、高集成配電柜的聯合應用使PUE大大降低，可做到〈1.5，節省能耗30%以上。

2.4 智能化管理系統，實時監控

微模塊數據中心一般配備智能化監控系統，可以實時監測柜內的溫濕度、空調工作狀態，聯動封閉冷通道上方天窗、火災報警，視頻監控、燈光感應控制等功能。智能化運維管理系統實現信息監控、能效管理、3D虛擬展示等功能，顯著提升數據中心運維效率與體驗。

3 微模塊數據中心的工程應用案例

以某企業新建設數據中心為例簡單介紹微模塊數據中心的工程化應用部署。為確保小型機、高容量存儲設備、云計算服務器等設備能夠穩定高效的運行，在數據中心主機房約450 m2的大廳中，部署了4組微模塊機柜，雙排密封冷部署方式。每組機柜包括22～24個IT機柜，機柜兩端分別為配電柜和網絡配線柜。1組高密機柜采用冷通道密封加內置行級水冷水平送風溫控系統，3組低密機柜采用通道密封下送風方式制冷，如圖2所示。

3.1 供配電系統

供配電系統是保證計算機設備、場地設備和輔助設備安全可靠運行的基礎。大樓內為機房提供兩路完全獨立的市電電源，兩路市電電源在低壓配電房內進行切換，切換后的電源引至UPS配電房內。機房內設置兩組共4臺320 KVA的UPS主機，32個40 KVA的UPS模塊組成2 N冗余系統，為IT設備提供雙路電源，兩套UPS組成雙總線系統，任意一路市電故障均不影響IT設備正常運行。UPS主機通過電纜輸出至主機房微模塊機柜的配電柜內，機柜供配電采用380 V/50/60 Hz三相供電, 同時具備ATS、UPS配電、空調配電、IT配電、配電監控等功能。

3.2 微模塊機柜綜合布線

微模塊數據中心機柜頂部配有強弱電走線槽，實現強電電纜和弱電數據電纜的分隔。一般紅色標簽線槽走強電，藍色標簽線槽走弱電，電纜相交時分上下兩個通道走線互不干涉。這與其他機房內還要架設上走線架或下走線槽不同，可有效減少相應的走線架槽的材料和工程量。在每個機柜頂部有電纜引下孔，方便線纜連接至機柜內。

3.3 空調制冷系統

圖2 某企業數據中心平面空間示意圖Fig.2 Plane layout of an enterprise's data center

數據中心的空調制冷系統采用傳統的精密空調和微模塊行級空調就近制冷結合的方式。機房內集中采用水冷式精密空調下送風方式如圖3所示，設置5臺150 kW水冷下送風空調4+1備份方式用于房間制冷。微模塊機柜組中央封閉冷通道下方采用打孔式防靜電地板，冷通道內的空氣與機柜外空間之間壓差從而形成氣流循環，從而有效將IT機柜內服務器產生的熱量帶走。

圖3 封閉冷通道工作示意圖Fig.3 Working chart of closed cold air ducts

送風密封冷通道模式的特點包括：

1）冷空氣在冷通道內形成資源池，實現冷氣流的充分共享，可有效解決局部大功耗設備散熱問題；

2）實現冷熱氣流高效隔離，提升冷氣利用效率。由于實現了冷熱氣流高效隔離，就可通過提升送風溫度進一步節省制冷所需能耗。

除基本的下送風制冷措施外，高密微模塊機柜還輔助增加水冷水平送風機房精密行間空調，將小型機、高密度存儲設備等重要IT資產部署在行間空調相鄰的IT機柜內，可以緊靠冷媒精確制冷，有效解決了局部熱點問題， 如圖4所示。

圖4 行級空調工作示意Fig.4 Row level air conditioning

3.4 密封冷通道

機柜的密封冷通道由天窗、端門與機柜連接組合而成，形成了相對密閉的中空空間。天窗采用平頂結構，由兩塊側板、一塊頂板和一塊旋轉天窗組成。旋轉天窗利用電磁鎖與頂板連接，正常工作狀態下處于水平狀態；天窗實現消防氣滅系統與冷通道聯動，消防狀態下電磁鎖通電打開，旋轉天窗在自重力作用下自動打開，以確保保證滅火氣體可進入密封冷通道內，如圖5所示。

圖5 旋轉天窗外觀示意Fig.5 Aspect of rotating skylight

3.5 智能監控系統

數據中心新建設了智能化監控系統，包含動力監控（電力）子系統、環境監控子系統、視頻監控子系統和門禁監控子系統,如圖6所示，能對整個微模塊數據中心相關基礎設施進行全面的管理。

圖6 微模塊數據中心智能監控系統3D監控效果和電力監控數據采集效果圖Fig.6 Effect diagrams of 3D intelligent monitoring system and power monitoring data acquisition of the micro module data center

該數據中心建筑工程完工后，供配電、空調、微模塊機房、綜合布線、接地、信息監控等基礎設施僅用不到4個月時間就建設完成。小型機、服務器、存儲、交換等IT資產部署后運行穩定良好，PUE值長期穩定在1.5左右，實現了項目預期目標，反響良好。

4 結束語

微模塊數據中心技術是傳統機房的又一大進步，非常適用于傳統數據中心機房的局部高密部署和中小型機房的快速建設上，具有快速部署、安全可靠、靈活擴展和綠色節能等特點，能夠有效應對云計算、大數據產業對基礎設施快速建設的需要，是未來中小型數據中心發展的重要趨勢之一。