淺談高校模塊化數據中心機房建設

賈志偉 林勤

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.08.026

摘? 要：隨著信息化技術的高速發展，高校對信息化技術的依賴越來越大。機房是否能夠安全高效穩定的運作，成為了影響高校信息化服務水平的一個的關鍵因素。數據中心機房是保障其內設備及系統穩定高效運行，確保各種信息化服務正常運作的基礎設施。如何科學合理的規劃和建設一個符合需求的數據中心機房成為了高校信息化管理人員必須了解和關注的問題。而節能高效、便于管理的模塊化數據中心機房成為了高校信息化管理人員的首選。

關鍵詞：數據中心;機房建設;信息化

中圖分類號：TP308? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）08-0090-05

Discussion on the Construction of the Modular Data Center Computer Room in Colleges

JIA Zhiwei，LIN Qin

（Guangzhou Panyu Polytechnic，Guangzhou? 511483，China）

Abstract：With the rapid development of informatization technology，colleges rely more and more on informatization technology. Whether the computer room can operate safely，efficiently and stably has become a key factor affecting the informatization service level of colleges. Data center computer room is the infrastructure to ensure the stable and efficient operation of internal equipments and systems and the normal operation of various informatization services. How to scientifically and reasonably plan and build a data center room that meets the needs has become a problem that informatization management personnel in colleges must understand and pay attention to. The modular data center computer room with energy saving，high efficiency and easy management has become the first choice of informatization management personnel in colleges.

Keywords：data center;computer room construction;informatization

0? 引? 言

隨著高校信息化建設的高速發展，信息化技術融入了高校的教學、科研、辦公及生活的全過程，師生對于各類信息化服務及技術的依賴也越來越大。而隨著信息數據海量增長，信息系統支撐的業務高度集中，信息存儲網絡化，使信息數據的重要性日益凸顯，但同時也加大了各類風險概率和信息資產的脆弱程度。機房作為最基本的IT基礎設施，是保障體系中最基礎的一環，建設一個安全、可靠、智能、高效的數據中心機房已經成為高校信息化發展的重中之重。

廣州番禺職業技術學院（以下簡稱番職院）作為全國首批示范性高職院校及中國特色高水平高職院校，學校信息化建設和應用水平位居國內高職院校前列。隨著學校信息化建設的快速推進，各類信息資產大量增加，2008年建成的網絡中心機房已逐漸飽和。急需建設一個布局合理、功能齊備、設施先進、管理一流的數據中心機房，以解決原有機房場地小、設備容量不足、標準較低的問題，也為學校云（計算）數據中心的搭建提供一個安全可靠的機房場地，為學校信息化建設的高速、健康發展保駕護航。

1? 數據中心機房建設總體規劃

番職院數據中心機房建設的目標是將其建成一個功能完善、節能高效、具有國內先進水平的模塊化數據中心機房，為學校未來5～10年的信息化發展打造一個良好的環境基礎。為實現這個既定目標，必須從學校的實際需求和現有條件出發，通過細致地分析，科學地規劃，制定出合理可行的技術方案。首先需選定機房建設的場地，再根據場地的實際情況制定機房布局及機房裝飾裝修的規劃。

1.1? 機房選址

數據中心機房內部將安放大量的精密設備，為保障設備的安全穩定運行，物理安全是需要首要考慮的問題，其次還要考慮交通運輸及設備安裝需求^[1]。番職院的數據中心機房選擇建在圖書館舊館一樓的西側，該區域周邊沒有強磁場;大樓依山地緩坡而建，地質結構較為穩定;相對周圍區域地勢較高，沒有洪澇災害的威脅;機房處于一樓，承重能力足夠;大樓西南角是大樓貨運出入口，連接學校主干道，設備運輸便利;機房所在位置的大樓外墻與校道之間有大片的綠化帶，有充足的空間安裝空調室外機;大樓西側距離學校6號電房直線距離不足100米，方便動力電纜接入并可節約建設成本。

1.2? 機房區域布局規劃

番職院數據中心機房位于圖書館舊館一樓西側，建筑面積約315平方米。根據場地及功能需求不同將其劃分為四個區域，分別為核心機房區、配電房、光纖配線間、消防氣瓶間。平面布局如圖1所示。

核心機房區面積約255平方米，主要用于安放3組模塊化機柜組、3臺100 kW精密空調及配件柜等，是承載各類設備的核心區域;配電房面積約40平方米，主要安放輸入輸出配電柜，兩臺UPS主機及配套的電池組等設備，是機房正常運作的供電保障;光纖配線間用于實現校園光纜線路的匯接;消防氣瓶間安放消防報警控制器以及消防氣瓶，為機房提供消防安全保障。

1.3? 機房裝飾裝修

數據中心機房的裝飾裝修不同于一般意義上的室內裝修，除了要考慮美觀之外，機房的裝飾裝修工作更著重于保障機房的安全性及實用性。需要考慮隔斷、門窗、天花、地面及墻面等多個方面的。以番職院數據中心機房為例：各功能區域之間采用防火輕質磚隔斷，以達到消防防火的目的;對房間原有窗戶進行封堵，以保證機房的密封性，機房出入口采用外開的鋼制雙開防火門，以符合消防防火的要求;房間吊頂先用防塵漆打底，再整體噴黑，既能如使用鋁扣板吊頂的機房一樣達到防塵的效果，又便于后期對氣體消防系統和新風系統相關管道及其他組件的維護，而且，因燈光的作用，肉眼的視覺效果也不差;機房的墻面、柱面采用彩鋼板覆蓋，防塵、防火、防靜電、防干擾，而且有很強的現代感，使機房看起來美觀大方;機房的地面先用防塵漆做防塵處理，再鋪15 mm的地面保溫棉，除機柜組、精密空調及UPS主機及電池等安裝位置定制安裝專鋼制的承重架之外，其余區域鋪設鋼質無邊防靜電地板，安裝高度為離地面40 cm，為需要安裝在地板以下精密空調的送風管道及其他設備留出充足的空間。

2? 機房主要功能系統設計

數據中心機房作為承載各種精密設備及各種業務系統運行的基礎平臺，需要具備可以滿足各類設備部署的條件，擁有可以保障設備長期安全穩定高效運行的能力。這要求機房內的各功能模塊及系統在性能上能滿足使用需求，能相互配合、安全高效平穩運行，要有統一的管理系統監控整個機房的運行情況，便于管理人員的日常維護。番職院數據中心機房建設主要包括高性能封閉冷通道、機房綜合布線、供配電系統、制冷系統、消防滅火系統、防雷接地系統、監控管理系統等內容。

2.1? 高性能封閉冷通道系統

番職院數據中心機房采用模塊化機柜組，組成三個相對獨立的模塊化微數據中心。每26個機柜位為一個模塊組，每組配置1個配電列頭柜，2個配線列頭柜，23個服務器設備柜，采用封閉冷通道設計，三組共計78個機柜位。

封閉冷通道的工作原理是利用機房內的環境、機柜或其他組件，人為的干預冷熱氣流的流向，實現冷熱氣流的分離，讓冷氣流直接流向機柜集中散熱，可以有效地提升制冷效率^[2]。采用封閉冷通道后，使原本的整體機房級的散熱問題轉變成了機柜級的散熱問題，可以有效減輕空調的工作壓力，降低能耗。工作模式如圖2所示。

番職院數據中心機房內的每組封閉冷通道由機柜、端門、天窗等組件組成。機柜采用標準的19英寸42 U規格，機柜前后門板均為鏤空設計，兩排機柜相對放置，中間留出1.2米寬的過道，過道兩端安裝雙開玻璃推拉門，過道上方使用玻璃天窗封閉，過道地面鋪設鏤空地板，形成一個封閉的通道。機房內精密空調產生的冷風通過地板下的管道輸送到冷通道下方，透過過道的鏤空地板進入冷通道內部，從機柜前門鏤空門板進入機柜，通過設備的散熱裝置后從機柜的后方排出，帶走設備產生的熱量，從而起到給設備降溫的效果。為保證冷通道的密封性，機柜內未安裝設備的位置一般采用盲板進行遮擋。

2.2? 機房綜合布線

數據中心機房內放置大量核心的數據存儲、交換、處理設備，機房綜合布線作為機房內各類設備互聯的基礎條件，直接決定了部署在機房內設備及業務系統的運行效率及穩定性。

番職院數據中心機房設置了三組精密冷通道，每個冷通道由兩列服務器機柜組成，每列機柜設置一個網絡布線列頭柜，作為本列機房的網絡線路匯接柜。每個服務器機柜均預設一個24口六類配線架及一個24芯單模光纖配線架用于該機柜內的服務器及存儲設備的網絡接入，與網絡布線列頭柜連接。

機房布線總體采用上走線模式，通過在天花上安裝吊桿，將網格橋架吊裝在機柜上方合適的高度及位置，弱電線纜通過碼線器進行固定，整齊地排列其中;機柜頂部安裝專用的強電線纜槽，用于機柜供電電纜的鋪設。強弱電線纜通過各自的下線口進入相應的每一個機柜，實現強弱電線路的隔離。

機房設置專門的光纖配線間，用于光纜線路的直接物理跳轉，實現數據中心機房與校園網的互聯互通。

2.3? 供配電系統

供配電系統是機房正常運作的動力保障，需要極高的可靠性。在設計時需要準確計算機房內的用電設備用電負荷的大小，根據計算結果選擇合適的開關、電纜及設備^[3]。為保障機房內設備的用電安全，除空調及照明外，其余所有設備的供電均應通過UPS電源，照明也應有部分通過UPS電源供電，以備機房停電時使用。

供配電系統設計首先要確定總負荷的大小，以番職院數據中心為例，機房內的配電容量計算過程為：

機房內共設置78個機柜位，其中3個配電列頭柜、6個網絡布線列頭柜、69個服務器機柜。配電列頭柜不計算功耗，網絡布線列頭柜的功耗按每個平均2 kW計算，服務器機柜按平均每個3.5 kW計算，可得出機房內IT設備配電容量，如表1所示。

機房的核心機房區配置3臺制冷量為100 kW的精密空調，配電房配置了2臺制冷量為12.5 kW的精密空調，根據所選空調的具體品牌型號，可查詢得到其工作時的最大功耗，故空調配電容量如表2所示。

機房的總面積為315平方米，照明設備的功耗按照20 W/平方米來計算，則照明的負荷為20×315/1 000=6.3 kW。

機房理論上的總負荷為：253.5+145+6.3=404.8 kW。

機房的總電流為：總功率×1 000/電壓=404.8×1 000/ 660≈613.33 A。

依據計算結果，機房電力輸入總開關選用630 A/3P即可滿足，但考慮到機房后期擴容能力，最終選取800 A/3P的總開關。從學校配電房引雙路AC380 V三相五線電源至數據中心機房配電柜總開關，入戶電纜選用ZC-YJV-（4×240+1×120 mm）2規格。為滿足IT設備設計總負載253.5 kW的容量，UPS選擇300 kVA容量兩臺，做雙母線運行，提高配電系統可靠性。電池配置時間按滿載10分鐘計算，4組共128節220 Ah蓄電池。機房內機柜PDU采用雙路配置，連接至所在冷通道的精密配電列頭柜，每個PDU對應一個配電空開，確保某一機柜電路故障不會影響其他機柜。

配電系統架構如圖3所示。

2.4? 精密空調系統

數據中心機房部署大量的網絡設備、服務器及存儲設備，在運行的過程中會產生大量的熱量，導致機房溫度不斷上升。過高的環境溫度會對儀器設備的正常運行造成不良影響，還會加快儀器設備的老化。空氣濕度也會影響設備的運行安全，濕度過高容易引起短路，濕度過低容易產生靜電。這些問題都需要通過部署功能完善的機房專用精密空調系統來解決，保證機房的環境始終保持在適宜設備運行的狀態。

2.4.1? 機房熱負荷計算

機房內主要的熱量來源是機房內運行中的設備，除此之外，如機房照明、補充進來的新風、機房內的人員等也會產生一定的熱量。一般采用“功率及面積法”^[4]計算機房總發熱量。計算公式為：Q_t=Q₁+Q₂。其中，Q_t為總發熱量;Q₁為設備發熱量，一般按其功率的80%計算;Q₂為環境發熱量，一般取0.12～0.18 kW/m²的參考基數，再乘以機房的面積。

以番職數據中心機房為例，上文通過計算得知主機房區域的設備功率為253.5 kW，則其設備發熱量為Q₁=253.5× 0.8=202.8 kW;該區域面積為250平方米，環境發熱量按每平方米0.15 kW計算，則該區域環境發熱量Q₂=250×0.15= 37.5 kW;該區域的總發熱量Q_t=202.8+37.5=240.3 kW。UPS主機房區域主要部署配電柜、UPS及電池組，發熱量不大，一般可以不計算設備發熱量，參考基數取0.18 kW/m²，按房間的面積計算環境最大發熱量即可。計算可得配電房總發熱量Q_t=46×0.18=8.28 kW。

2.4.2? 精密空調配置

根據機房熱負荷的計算結果，番職院數據中心機房核心機房區域配置了3臺單機制冷量100 kW的下送風精密空調來滿足制冷的需要。3臺精密空調分別對應3組冷通道，送風通道互通。在機房投入使用初期，上線設備數量不多的情況下，3臺空調可采用輪巡工作模式，延長空調使用壽命。配電房區域配置2臺單機制冷量12.5 kW的正面送風精密空調，1主1備輪巡工作即可滿足該區域的制冷需求。

2.5? 消防系統

數據中心內安放了大量精密電子儀器設備，不能使用常規的消防滅火裝置，以免在解除火災危害的同時，對設備造成二次傷害，造成更大的損失。因此，數據中心機房普遍采用氣體消防系統來保障消防安全^[5]。其原理是使封閉的機房空間在極短的時間內充斥惰性氣體，使火焰因為缺氧而熄滅。

番職院數據中心機房采用的是管網式全淹沒式七氟丙烷自動滅火系統。根據機房的區域劃分為幾個獨立的防護區，通過氣體管網將各個防護區與消防氣瓶間的七氟丙烷氣瓶連接，各個防護區根據需要，合理分布一定數量的感煙和感溫探測器以及聲光報警裝置，并與消防控制器聯動，而消防控制器又與火災報警系統、冷通道天窗控制器及供電系統聯動。消防控制器通過感煙和感溫探測器實時監控機房的狀態，萬一發生火災，能夠在第一時間激活報警系統，發出聲光報警并向學校監控中心發出報警信號，30秒后開啟對應防護區的消防氣瓶，開啟冷通道的天窗，并在8秒內完成七氟丙烷氣體噴射，使七氟丙烷氣體充斥相應的防護區，同時切斷相應區域的供電回路，從而有效的保障消防安全。

2.6? 防雷接地系統

雷電、電磁脈沖、靜電、電源零電位的飄移等現象會對機房內設備的正常運行造成不良影響，甚至可能會對設備造成嚴重的傷害，因此機房內需要部署良好的防雷接地系統進行保障，并且都執行嚴格的安全標準。除了在各級配電柜安裝適合的防雷模塊之外，一般還需在機房內鋪設專門的銅排接地，使機房內機柜及其他相關設備的地線均與銅排接地相連，達到防雷接地的目的。

2.7? 監控管理系統

完善的監控管理系統可向管理人員提供全面的機房基礎設施運行狀態信息和豐富的管理功能。需通過柔性拓展的物理架構和模塊化設計的思路，對數據中心基礎設施進行集中統一管理，可以極大地提升監控管理效率。

3? 建設成效

經過前后一年多的方案設計及建設施工，番職院的數據中心機房已建成并正式投入使用。數據中心機房的建設完成，極大地提升了學校的信息化基礎設施水平。數據中心機房實景如圖4所示。

隨著學校新的虛擬化云平臺在數據中心機房部署并上線，實現對現有資源的集中管控、統一調度和按需分配，有效地提高了資源的使用效率。由于采用了高效的機房制冷解決方案，新建成數據中心機房的PUE值明顯低于原網絡中心機房，實現了節能的設計目標。功能完善、運行穩定的數據中心機房在發揮其功能的同時，也極大地減輕了管理人員的工作壓力，降低了運維成本。機房投入使用以來，吸引了數十批次的專家學者來校參觀交流，得到了一致的認可，極大地提升了學校的知名度及在同類院校中的地位。

4? 結? 論

高校的數據中心機房建設是一項對信息化管理人員專業性要求很高的工作，需要通過科學的設計，充分利用有限的空間，配套優良精密的動力、環境監控系統，在保障機房設備正常運轉的同時，采用高效的冷熱風道交換方案，實現綠色環保的節能減耗標準，并采用最優的高密網絡鏈路架構設計，才能使其適應學校未來業務的發展變化，才能打造出了應變能力、靈活性、通用性都較強的智能化、網絡化、管理型數據中心機房。

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作者簡介：賈志偉（1983.06—），男，漢族，河南南陽人，網絡工程師，本科，研究方向：網絡規劃與管理。

收稿日期：2021-03-24

課題項目：2021年廣州番禺職業技術學院科研項目（2021JG15）