數據中心工藝規劃及協同設計

王 超， 趙祎晨， 錢 龍， 高 航

(1. 中國建筑設計研究院有限公司，北京 100089； 2. 中信銀行，北京 100010)

1 數據中心的“多樣性”

2020年，國家進一步推進數字經濟發展，在數字化浪潮的推動下，人們的工作、生活都在悄然轉變，尤其是疫情防控期間，不論是外賣、快遞、線上商城等業務的正常運轉，還是工作、學習的穩定暢通，這些都離不開數據中心。

總的來說，數據中心的建設、類別、技術應用等方向，都具有多樣性。

(1)類別多樣化

類別分為政府、企業、自用、租用，建設地點可以城內或城外，建筑形式可以是平層或高層，其無定式。

(2)技術多樣化

空間布局、流線規劃、設備運輸、建筑結構、機房配電、空調制冷、智能監控、消防報警、室內裝飾等各功能模塊環環相扣，既相互倚重，又相互制約。

(3)建設多樣化

部分數據中心對所布置的服務器機柜數量有較高要求，在空間布局時，將盡可能增加IT機房模塊面積，最大化機柜及服務器布置空間，相應用電量、制冷量等要求隨之增加，如何平衡此間關系是需要重點考量的。

部分數據中心對建設等級、可靠性要求嚴格，則配電、網絡的冗余、后備設計，主干路由的規劃，制冷系統的形式選擇成為重點，而其對于空間布局的要求、對機柜數量的影響，以及反過來IT電量、發熱量對供電、制冷的影響，則需要在規劃階段做出平衡。

部分數據中心有分期建設的需求，此時，無論空間布局還是機房配電、空調制冷等機電系統，均需按照“模塊化”定義設計，需考慮按模組投入建設、各功能模塊匹配的設計思路，還需要兼顧先期低負載狀況對供電、制冷系統的影響，以及后期建設對前期內容的影響等，此種情況對于各專業設計及專業之間的協同有著更高的要求。

2 數據中心工藝規劃

數據中心的多樣性決定了數據中心設計工作的復雜程度，除上述外，數據中心建設還涉及到等級評定、快速部署、“兩地三中心”的總體規劃、不同類型建筑的機房改造等，部分數據中心兼含多種需求，收集、整理、分析建設及使用需求，并據此制定與之匹配的設計方案，在其中平衡各功能模塊，協調各系統的沖突，搭建最有利、最可靠、最適配的設計架構，這便是工藝規劃設計的主要工作。

平衡、協調和整體考量貫穿于整個工藝規劃過程，從工藝規劃的角度，設計方案必須是一個整體，全部內容整體一致才是最佳方案，有時需要“犧牲”部分內容的“完美”，以達到整體的平衡。

例如在數據中心設計過程中，經常碰到工藝專業要求房間門的高度設為2 400mm，但2 400mm非標準尺寸，定制會增加造價，建筑專業接收工藝方案時通常會建議將房間門的高度改為2 300mm。但在數據中心建設中，各功能房間涉及設備運輸，除變壓器、冷機等大型設備可能考慮預留吊裝口外，UPS、機柜等需利用設置的貨梯運送至各房間，工藝專業會考慮設備運輸流線的規劃。而且，增加的造價在數據中心建設中并非不可接受，數據中心建成后，部署設備并非一臺兩臺，而投產后運維階段還會涉及設備更換，在門的尺寸上節省的造價，在之后的運維投產階段會帶來更多麻煩。所以將門的尺寸增至2 400mm是較為合理的。

3 數據中心協同設計

整體考量、平衡設計貫穿整個工藝規劃階段，而在接下來的細化、深化設計中，各種變更、調整也隨時會“打破”這種整體、平衡。無論新建還是改造數據中心，設計過程中或多或少會有需求變更或條件制約，不得不調整設計方案。雖然最初涉及修改的往往是某一專業，但其可能對其他專業的設計方案產生影響，所以各專業的協同設計便十分必要。以下幾個工程中的狀況可更好地闡述協同設計的必要性。

3.1 裝飾與空調

在某數據中心項目中，數據機房的制冷空調位于獨立的空調間內，采取下送上回的送風方式。項目驗收時，發現機房內聲音特別嘈雜，偶爾還會有尖嘯，同時機房、空調間內灰塵較大。在對項目設計、施工過程整體了解分析后，認為應是回風口尺寸過小導致。

經調查，在項目進入施工階段后，結合現場情況、裝修材料及裝修效果，甲方要求修改機房模塊與空調間隔墻的方案，裝飾專業工程師根據要求修改了方案。數據機房與空調間隔墻下送風上回風的實現形式詳見圖1。

圖1 數據機房隔墻方案

但修改后的方案變動了空調回風口的高度，此時，應由暖通專業按照規范規定，結合空調風量、回風口尺寸、回風口開孔率計算回風口處風速，避免因為風速過大而揚起灰塵及增加噪聲。根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》(GB 50736-2012)中7.4.13條規定：回風口的吸風速度，宜按表7.4.13選用，詳見表1。

回風口的吸風速度 表1

但裝飾專業修改方案后，并未交由暖通專業校核回風口尺寸。了解此事后，由暖通專業重新計算(過程詳見表2)校核回風口尺寸，調整隔墻做法后，問題得到解決。

在此案例中，裝飾專業工程師在接收甲方調整方案的要求后，徑自調整并提交變更，未考慮回風口高度變小，未經暖通專業校核，導致施工完成后，回風風速過大，產生揚塵、噪音，對數據中心的使用造成影響。

回風風速校核計算 表2

3.2 不同種類的蓄電池

近年來，隨著電動汽車的普及，由電池引發的事故也引起了全社會的普遍關注，電池的安全性能也成為了大眾最關心的問題。在數據中心中，蓄電池作為不可缺少的后備電源，其安全性對于數據中心的安全、穩定運行，更是需要實時密切關注。《數據中心設計規范》(GB 50174-2017)中對數據中心電池的監控做出了明確規定，對于A級數據中心，更是要求“監控每一個蓄電池的電壓、內阻、故障和環境溫度”。故而，在設計方案中，蓄電池的集中監控方案是不可或缺的。

在電池的快速發展進程中，出現了各種類型的電池，例如鉛酸電池、鋰電池等，其工作方式、特性各有不同，也造成了監控方案存在差別。例如，鋰電池由于其工作特性，對過充、過放等異常狀態耐受度較低，容易對電池本身造成較大的損傷甚至損毀，所以一般鋰電池在出廠時會對各單體電池集成監控模塊，當出現異常時及時切斷電池的連接，以避免出現損毀甚至事故。而相較于此，早期數據中心一般采用鉛酸電池，鉛酸電池穩定性較好，一般單獨配置監控產品，目前市面上品牌監控產品多種多樣。

在某數據中心工程設計中，最初甲方要求蓄電池類型采用鋰電池，自控專業在設備監控方案中預留相應接口，讀取數據，再接入動環系統進行統一監控。經濟專業在編制工程清單及造價時，蓄電池項中添加描述“電池含(或自帶)監控模塊”。在隨后的深化設計中，甲方取消采用鋰電池的要求。

因鋰電池與常用鉛酸電池的功率密度、標稱電壓、重量等均有較大不同，在此項目中，當甲方變更要求時涉及多專業協同修改：電氣專業需調整電池配置計算；結構專業重新復核電池間荷載；自控專業調整監控方案，改為單獨設置監控系統，從末端的傳感器、檢測模塊以及監控管理單元等，需逐一進行配置、設計；經濟專業則需相應調整概算，從蓄電池自帶監控模塊調整為單獨設置的監控系統，需于自控專業分項中單獨增加此項。

在此案例中，如不清楚各類電池的區別，不能及時地針對需求變更做出各專業之間的同步聯動調整，則各專業設計方案不能匹配，在施工招標、設備采購中，將出現招標清單缺項漏項，以及樓板承重等一系列問題，施工中，會出現相應變更、洽商，產生經濟損失，甚至結構計算錯誤導致的建筑結構問題，對于整體工程是極其不利的。

3.3 建筑與消防

《氣體滅火系統設計規范》(GB 50370-2005)中，3.1.5條規定：組合分配系統的滅火劑儲存量，應按儲存量最大的防護區確定。

某數據中心設計中，數據機房精密空調單獨設計空調間，送風方式下送上回。同時，采用氣體滅火系統，最大防護區為某一服務器機房連同為其設置的精密空調間，給排水專業工程師在對此進行核算后，確定了氣體瓶組數量。在項目設計過程中，甲方根據使用需求提出變動局部布局，將上述服務器機房及鄰近測試機房共用空調間。平面房間布局調整參照圖2。

在接收此要求后，建筑師將此變動反饋暖通工程師，根據兩機房制冷需求重新核算空調配置；反饋電氣專業校核火災報警探測器的設置；同時，反饋給排水專業工程師，此時，如空調間共用，雖然服務器機房與測試機房之間有隔墻分隔，但由于送風回風方式的原因，兩房間間接聯通，服務器機房、測試機房、精密空調間將作為一個氣體滅火防護區，防護區變大，需重新計算氣體瓶組數量，以及氣體滅火鋼瓶間房間尺寸(詳見表3)。

圖2 平面房間布局調整

在此案例中，如房間布局變更未能重新進行氣體滅火防護區域的重新校核，將導致氣體滅火鋼瓶數量不足，滅火氣體設計用量達不到規范要求。數據中心作為關鍵的數據、業務載體，一旦發生火災，滅火氣體濃度不夠，火災不能及時撲滅，相對于財產損失，導致的數據、業務的丟失、損毀，產生的負面影響將是巨大的。

3.4 協同設計的必要性

任何類型的建筑工程設計中，各專業都不是各自“作戰”，無論建筑專業、結構專業還是機電專業，都是彼此依存、互相影響的。當其中某一專業做出修改，就需要考慮對其他專業，甚至整體的設計方案的影響。

對于數據中心的規劃設計更是如此，數據中心建設要求高，資源需求大，設計節點數量多，工程技術復雜，各專業協同設計，才能保證設計方案的匹配、完整、統一。

滅火氣體用量校核計算 表3

4 結束語

數據中心是一種較為復雜的建筑類型，其設計與一般的民用建筑有較大不同，最初的建設選址便需考慮所在地的地質、氣象、人文、資源等諸多因素，而整體的設計方案需兼顧地理條件的匹配、建設等級、PUE指標要求、分期建設等約束條件，同時還需考慮建成后的管理制度、運維習慣。工藝規劃設計給出的是滿足需求、利用條件、平衡制約的綜合解決方案，強調統一、整體、協同。

數據中心的設計，單單側重建筑形體、新興技術以及只強調PUE、綠色、節能是不明智的，應以功能性為主，在此基礎上兼顧美觀；對于用戶而言，數據中心承載的都是核心數據、關鍵業務，穩定、可靠是最重要的要求，新興技術由于沒有得到足夠的實際應用考驗，萬不可冒進采用；作為用能大戶，為保障其安全可靠運行，數據中心消耗的電、水、油等能源量是巨大的，在一定范圍內，PUE值盡可能低是建設單位、設計院的一致目標，但一味強調甚至“唯PUE論”則不可取，極端天氣、上架率、自動化程度、運維策略等因素都可影響PUE，因此數據中心還是應以穩定性、可靠性高為準則。