不同功率密度機柜對數據中心的影響分析

景傳剛，李 楠，宋曉偉

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

0 引 言

早期的數據中心主要是電信運營商用于開展通信業務的基礎設施用房，通信機房中ICT設備的功率密度（平均單機架運行功耗）一般低于4 kW。隨著4G、互聯網+、大數據及物聯網的發展，相關行業對數據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，高功率密度機柜數據中心越來越多的被行業和企業青睞[1]。

高功率密度意味著機柜更大空間、更大耗電量及更大的重量等，因此對數據中心在層高、荷載、冷卻等方面提出了更高的要求。目前在用數據中心單機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 機柜尺寸

不同功率密度的機柜，可容納ICT設備數量（服務器、存儲器及交換機等）不同。通常，高功率密度機柜在容納服務器、存儲器、交換機及均衡器等方面，較低功率密度機柜多，圖1為不同功率密度機柜尺寸圖。

目前，市場中在用機柜尺寸主要有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）等多種規格，不同功率密度機柜，空間容量不同。表1為不同功率密度機柜尺寸表，機柜尺寸針對常規的19英寸服務器設備使用，特殊情況不計列。

由表1可知，不同功率密度的機柜，要求機柜尺寸和容量不同，設計中要考慮；高功率機柜優選空間容量大的機柜，確保滿足需求；中低功率密度機柜，機柜選擇應考慮經濟性。

圖1 不同功率密度機柜尺寸圖

表1 不同功率密度機柜容量尺寸表

2 機房凈高

不同功率密度的機柜，對數據中心機房的凈高要求不同[3]。層高過低，影響整個機房設備的規劃布置，且在綜合布線、機房維護等方面有較多不便。在數據中心建設時，針對不同功率密度的機柜需考慮合理的機房層高。

機房內凈高為H，公式H=H1+H2+H3。其中，H1為設備底座高度（如有架空地板，和架空地板高度相同）；H2為ICT機柜高度；H3為機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為機房內機柜空間布置圖。

圖2 機房內機柜空間布置圖

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

因此，在數據中心建設中，機房的凈高需考慮不同功率密度機柜的影響，并考慮預留。對于層高較低的機房，則可從降低機柜功率密度入手，選擇合理的布置方案。

3 機房荷載

不同功率密度的機柜容納服務器等設備數量不同，對樓板荷載要求不同，表3為不同功率密度機柜滿負荷的重量表。

表2 不同功率密度機房凈高值表

表3 不同功率密度機柜重量表

圖3 不同功率密度機柜布置圖

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

在計算不同功率密度機房荷載的過程中，設備對地面的荷載為等效分布荷載[4]，表4為不同功率密度的機房均布荷載值表。

表4 不同功率密度的機房荷載值表

因此，對于新建數據中心，機房的荷載應按照最大功率密度機柜的需求考慮。對于樓板荷載小的機房，可通過降低機柜功率密度、增大機柜布置間距等方案來滿足要求。

4 供電方式

目前，數據中心機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應機柜輸入電流值不同，影響電纜線徑選擇和供電效率，機柜輸入電流計算公式如下：

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

針對不同功率密度的機柜，計算出多種供電電流值，表5為不同電壓等級下的電流值表。

表5 不同電壓等級下的電流值表

由表5可知，對于高功率密度機柜，優選較高電壓的形式供電；對于中、低功率密度機柜，供電電流不大，可采用多種形式電壓供電；如果機房供電為低電壓，機柜功率密度不宜過高。

5 空調末端形式

數據中心建設中，空調末端的選用十分重要，直接影響數據中心的裝機效率。機房級空調末端可分為傳統型、新型應用型兩類。傳統型空調主要為風冷型機房專用空調（下送風、上送風）、冷凍水型機房專用空調（下送風），新型空調末端方式有列間空調末端（冷凍水型、重力熱管型及動力熱管型）、背板空調（冷凍水型、重力熱管型及動力熱管型）。

對于傳統型空調末端，對機房環境整體降溫，能夠適應不同的設備氣流組織，空調數量相對少，維護方便，但是需要獨立空調區域，占用機房空間，且制冷效率偏低。

對于列間空調末端，列間空調更加貼近熱源，氣體輸送距離短，采用封閉冷（熱）通道措施可以優化氣流組織，其不足是占據部分機架位置。

對于背板空調末端，對機柜解耦度不高，裝機率高，但是數量較多，安裝維護工作量大。表6為常用空調末端的參數值表，按照機柜進出風溫度18～27 ℃，機房內濕度＜60%考慮；尺寸、顯冷量按照常用數據統計，以實際工程為準，本表供參考。

表6 為常用空調末端的參數值表

在一個電力充足、使用面積約376 m2的數據中心機房中，冷凍水溫度相同的情況下，對3 kW、5 kW、10 kW三種不同功率密度的機柜進行布置，分別采用冷凍水型機房專用空調、列間空調（冷凍水型、重力熱管型、動力熱管型）、背板空調（冷凍水型、重力熱管型、動力熱管型）進行測算模擬，相應的裝機數量不同，圖4為不同功率密度的裝機數量圖。

由圖4可知，不同功率密度的機柜，采用不同空調末端，裝機數量差別較大；中、高功率密度機柜優選熱管背板型空調，次之為列間空調末端；低功率密度機柜的空調末端形式選擇較多，根據需求選用經濟節能型。

圖4 不同功率密度的裝機數量

6 結 論

本文首先對不同功率密度的機柜進行了高、中、低三種類別劃分，并分析了不同功率密度的機柜對數據中心機房層高、機柜尺寸、機房荷載、供電電壓、空調末端等多方面的影響，得出了相應結論。通過本文的分析，對不同功率密度的數據中心的建設提供了一些技術方案，最終實現數據中心建設的高效、綠色、節能。