預制化組合式數據中心實例研究

徐 欽，耿 昊

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

國內IDC市場隨著互聯網行業的發展而迅速發展，互聯網行業客戶由于自身的業務發展需要，對數據中心資源需求旺盛，同時云計算、物聯網以及大數據等網絡架構的迅速演進和互聯網應用內容不斷豐富也產生了大量的IDC機房與帶寬需求。2020年，中國整體IDC業務市場規模達到2.238 7×1011元，同比增長43.3%，預計2021年，我國IDC市場規模將繼續保持高速增長[1]。

隨著5G時代的來臨，傳統業務應用也迅速多樣化，既有話音、上網、專線等5G基礎業務，也有視頻、游戲、無人機、車聯網等5G通用業務，此外還有包括面向電力、交通、醫療以及工業制造等場景的5G垂直行業應用。對于DC選址來說，邊緣DC越下沉，離用戶側越近，網絡時延越低，可支撐的5G業務類型越多，需要的邊緣DC節點數也必然更多。5G通用業務、5G垂直行業應用的開展路徑和規模驅動是影響邊緣數據中心建設進度與規模的主要原因。因此，如何敏捷、靈活且經濟地匹配業務的需求顯得越來越關鍵。傳統的數據中心建設模式是工程化建設模式，需要多方參與。數據中心建設各參與方如圖1所示，這種多方參與的建設模式弊端包括投資超前且巨大、建設周期長、參與方多、維護麻煩、個性化突出、與需求脫節以及總擁有成本（Total Cost of Ownership，TCO）高等。

圖1 數據中心建設參與方

因此采用工程化方式建設數據中心越來越難滿足目前快速部署、建設靈活、運營便利的需求了。

1 預制化組合式數據中心的組成

預制化組合式數據中心一般有IT組件、供電組件以及制冷組件3大組件。各個組件完成所標明的完整功能，并與其他組件以端口相連，實現數據中心整體功能[2]。所遵循的理念為標準化設計、工廠化加工、裝配式建設，最大程度將組件內的設備、各類線纜與管道在工廠完成加工和安裝，減少在項目所在地的施工環節，提高集成性。充分提升對于各功能模塊的空間利用能力，縮短在現場施工的時長和工藝要求，保證質量與進度[3]。

為了便于運輸，各個組件通常集成安裝于集裝箱或封閉框架結構內，將功能模塊集成于一個整體底座上。每個組件對其他組件僅存在輸入和輸出接口，內部功能封閉且獨立。如供電組件以輸出單路1.2～1.6 MW不間斷電源功能為目標，內部可根據IT組件要求采用UPS或高壓直流供電方式。如需2N配置，可像搭積木一樣選擇兩塊供電組件。而組件內部還可以細分二級組件，如供電組件可分為中低壓組件、不間斷電源組件以及蓄電池組件等[4]。

2 預制化數據中心實例

以下以長三角地區某預制化組合式數據中心為例進行介紹。

2.1 數據中心組成

該數據中心為四層鋼結構主體，各層根據需求和功能定位布置供電組件、制冷組件以及IT組件。

2.1.1 一層的設備構成

一層的平面如圖2所示，包括如下部分。IT組件中包含12個機柜子組件，共336個機柜，單機柜功耗為7 kW，兩個接入間子組件，1個監控子組件。制冷組件包含12臺間接蒸發冷卻機組AHU，制冷功率為260 kW/臺，組成兩套5+1系統。供電組件可分為3個子組件，分別實現10 kV配電、后備電源供電、變配電及不間斷電源供電。10 kV配電子組件包含10 kV配電柜、進線計量柜、PT柜、WMTS、出線柜、分段斷路器柜、分段隔離柜、直流操作電源以及電力監控設備等，共兩套，分別安裝于兩個10 kV配電子組件。后備電源供電子組件包含4臺2 500 kVA集裝箱柴油發電機機組，集裝箱內包含柴油發電機、控制屏、接地電阻柜、日用油箱、進風消音箱、排風消音箱、排煙消音器（一級、二級）等。變配電及不間斷電源供電子組件包含環網柜、變壓器、無功補償柜、低壓饋電柜、UPS主機、UPS輸出配電柜、UPS電池開關柜以及UPS蓄電池組。

圖2 一層平面圖

2.1.2 二層的設備構成

二層平面如圖3所示，包括如下部分。IT組件包含12個機柜子組件，共336個機柜，單機柜功耗為7 kW。制冷組件包含間接蒸發冷卻機組AHU，制冷功率為260 kW/臺，組成兩套5+1系統。供電組件僅包含變配電及不間斷電源供電子組件。

圖3 二層平面圖

2.1.3 三層和四層的布局

三層和四層的平面如圖4所示。IT組件每層各12個機柜子組件，共480個機柜，單機柜功耗為4.4 kW。制冷組件每層包含間接蒸發冷卻機組AHU，其制冷功率為260 kW/臺，組成兩套5+1系統。供電組件僅包含變配電及不間斷電源供電子組件。

圖4 三層和四層平面圖

2.2 數據中心組件接口

各個組件和子組件直接的接口內容如下。一層各組件接口如表1所示。二層至四層各組件接口如表2所示。

表1 一層組件接口

表2 二層至四層組件接口表

供電組件通常采用常規技術形式，而變壓器和不間斷電源的容量可以互相匹配，并能和IT組件需求一致。也就是說供電組件在傳統的工程化數據中心也基本按照模塊式的原則進行配置，因此在預制化組合式數據中心可以獨立作為組件使用，在技術上沒有大的變化。而制冷組件的技術選擇與傳統的工程化數據中心有較多的不同。

本項目采用間接蒸發冷卻技術，間接蒸發冷卻指的是通過在室外空氣側噴水，水在室外空氣側的換熱板片上蒸發冷卻，從而冷卻循環風側的溫度。在整個冷卻過程中，室外風側與循風側均不產生直接接觸。它的優勢主要為設備運行簡單、維護方便、耗電量低、節能效果顯著且耗水量低，冬季運行干工況，無結冰隱患。干工況的開啟條件是室外溫度≤16 ℃，濕工況的開啟條件為16 ℃＜室外溫度≤21 ℃，機械補冷工況的開啟條件為21 ℃≤室外溫度。采用間接蒸發冷卻復合直接蒸發冷卻技術，在間接蒸發冷卻器中，空氣可以實現等濕冷卻，在間接蒸發冷卻器中，對空氣實現等焓加濕降溫過程，復合處理后機組的送風的極限溫度為進風空氣的露點溫度。與傳統工程化數據中心所采用的冷凍水制冷技術相比，具有模塊小和接口少等優勢，十分適合在組合式的數據中心使用[5]。

3 結 論

基于以上分析，預制化組合式數據中心由于所有組件的組裝均在工廠完成，各子系統的調試也在工廠內完成，組件間、組件對外的管路以及線纜接口統一化、標準化。因此預制化組合式數據中心相比傳統的工程化數據中心，具備建設周期短、工藝標準統一、改擴建靈活、場地要求低等優勢。計算從入場到投產業界平均建設時間，預制化組合式數據中心最快可控制在兩個月內，而工程化數據中心一般需要至少一年的時間（含土建時間）。而由于高度集成和預制等特點，整套數據中心各設備的運行狀態等情況在建設時已可預知，減少了運營期間的不確定性，有助于在投資建設前期對資金、技術的選擇和優化進行評估。