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隨著5G時代的到來,以及物聯(lián)網(wǎng)、云計算、AI等新興技術(shù)的迅速發(fā)展,數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)形成了大容量、大帶寬、大連接和低時延等新特征。作為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的載體——數(shù)據(jù)中心建設(shè)模式也日益多元化。面對新時代要求,倉儲式數(shù)據(jù)中心作為一種新興的建設(shè)模式,因其能夠快速靈活、彈性部署IT設(shè)備,支撐新業(yè)務(wù)發(fā)展,正日益受到數(shù)據(jù)中心建設(shè)者和運(yùn)營者的關(guān)注,同時根據(jù)新條件和新技術(shù),倉儲式數(shù)據(jù)中心勢必需要不斷的更新與改進(jìn),以適應(yīng)更為復(fù)雜的功能需求。

倉儲式數(shù)據(jù)中心的建設(shè)模式最早起源于歐美發(fā)達(dá)國家。對于快速變化的互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)來說,很多業(yè)務(wù)只在不到一年內(nèi)就爆發(fā),兩三年才能建好的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)模式,對互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)來說是不能接受的。倉儲式模塊數(shù)據(jù)中心建設(shè)模式具備建設(shè)速度快、成本低和更節(jié)能等優(yōu)點,被各大互聯(lián)網(wǎng)公司以及IDC運(yùn)營商所廣泛推崇。

Google公司自2005年開始,在單層廠房內(nèi),模塊化機(jī)架布置以連體三聯(lián)柜為最小顆粒度建設(shè),由兩組連體三聯(lián)柜、機(jī)柜列間通道頂部的空調(diào)盤管和風(fēng)扇列陣組成。當(dāng)整個機(jī)房建設(shè)的時候,會有多個這樣的模塊不斷復(fù)制和不斷延伸,這個時候每個微模塊單元就會不斷延展成一整排微模塊陣列,配合柴發(fā)模塊、供電模塊、制冷模塊以及其它功能模塊等形成完整的數(shù)據(jù)中心。

國內(nèi)倉儲式數(shù)據(jù)中心研究與國際同步,通信運(yùn)營商從2009年起提出符合國情的倉儲式數(shù)據(jù)中心方案。2010年開始,由騰訊等互聯(lián)網(wǎng)公司協(xié)同三大運(yùn)營商,開始了微模塊的概念設(shè)計與實驗,這是我國在數(shù)據(jù)中心技術(shù)和建設(shè)模式上的重大創(chuàng)新,并成功將其應(yīng)用在倉儲式數(shù)據(jù)中心內(nèi)。

目前國內(nèi)外倉儲式數(shù)據(jù)中心,大多布置在1～2層的廠房式建筑內(nèi),建筑占地面積大,對于土地資源的利用效率有待提升。

倉儲式數(shù)據(jù)中心是將IT設(shè)備部署在簡易建筑中,采用模塊化架構(gòu)設(shè)計,可按模塊單元復(fù)制且能快速部署的數(shù)據(jù)中心。采用大平面、開放式和模塊化布局承載ICT設(shè)備的數(shù)據(jù)中心建筑。

倉儲式數(shù)據(jù)中心一般為倉儲式建筑結(jié)構(gòu),內(nèi)部IT設(shè)備多采用模塊式機(jī)架、微模塊式設(shè)備或者集裝箱式設(shè)備。從建設(shè)方式上分為新建的數(shù)據(jù)中心或在已有廠房內(nèi)改建的數(shù)據(jù)中心。從建筑類別上分為民用建筑和工業(yè)建筑,從結(jié)構(gòu)型式上包含鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

提高裝機(jī)效率、降低建設(shè)投資和PUE、縮短建設(shè)周期,逐漸成為數(shù)據(jù)中心業(yè)主需求的主旋律。數(shù)據(jù)中心設(shè)計如何平衡裝機(jī)數(shù)量、資源使用效率、投資效率和建設(shè)周期,直接關(guān)系到數(shù)據(jù)中心后期自用或客戶租用的使用效益。多層倉儲式數(shù)據(jù)中心目前國內(nèi)外尚無應(yīng)用案例,隨著樓層的疊加,數(shù)據(jù)中心的空間使用效率會得以提升。以下將以某多層倉儲式數(shù)據(jù)中心工程方案設(shè)計為例,歸納多層倉儲式數(shù)據(jù)中心建筑平面設(shè)計的方法,提出高效的多層倉儲式數(shù)據(jù)中心建筑平面。

以下為某企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化方案設(shè)計,根據(jù)企業(yè)使用需求,設(shè)置設(shè)計輸入條件。

(1)數(shù)據(jù)中心根據(jù)GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》確定分級及性能要求,其中A級機(jī)房與B級機(jī)房占比為6:4,傳輸機(jī)房均為A級。

(2)供電方案采用48 V直流不間斷電源(10%)以及市電(90%)直供方案(1路市電+1路不停電電源系統(tǒng))。

(3)平面輪廓限定:遵循數(shù)據(jù)中心園區(qū)總體規(guī)劃的建筑輪廓。

(4)機(jī)架布置采用微模塊布局。

在限定條件下,本次設(shè)計擬采用大柱網(wǎng)方案,減少結(jié)構(gòu)柱對空間的影響,提升裝機(jī)效率。采用微模塊進(jìn)行多系統(tǒng)集成,現(xiàn)場組裝,實現(xiàn)快速部署,縮短建設(shè)周期,降低機(jī)電一次性投資,使用初期PUE基本達(dá)到運(yùn)行值,節(jié)省建設(shè)及運(yùn)營費(fèi)用。提高空調(diào)供水溫度,增加自然冷源利用時間,提高空調(diào)回風(fēng)溫度,電源采用市電直供方案,進(jìn)一步降低PUE。

隨著GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》的正式實施,數(shù)據(jù)中心可以參照丙類廠房設(shè)計,也可以按照民用建筑設(shè)計。新規(guī)范的實施對方案生成產(chǎn)生較大影響,為大平面開敞式空間建筑平面提供可能性。設(shè)計輸入條件,則對為數(shù)據(jù)中心提供電力及制冷的動力用房面積做出影響。鑒于倉儲式數(shù)據(jù)中心工業(yè)屬性,方案按照工業(yè)建筑設(shè)計。工業(yè)與民用建筑對比如表1所示。

本次設(shè)計中,考慮到數(shù)據(jù)中心園區(qū)規(guī)劃延續(xù)性,以4層工業(yè)建筑、標(biāo)準(zhǔn)層面積5 000 m2為標(biāo)準(zhǔn)開展研究,建筑輪廓57 m×85 m。GB50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》規(guī)定多層最大防火分區(qū)為6 000 m2為一個防火分區(qū)。設(shè)置合理交通空間,既可以滿足當(dāng)下需求,也可以保障后續(xù)設(shè)計空間擴(kuò)展需求。多層工業(yè)建筑疏散距離為廠房內(nèi)任一點至安全出口的直線距離不超過60m即可,比較民用建筑大空間疏散距離不能超過30m,空間靈活度有了很大提升,可以保證建筑大平面和開放式布局。

在既定的平面輪廓中探尋最優(yōu)化的功能布局。根據(jù)機(jī)房內(nèi)主要功能空間的使用情況,將其劃分為IDC機(jī)房區(qū)、動力配套區(qū)和輔助空間3種主力模塊。通過對3種模塊的不同組合,本次方案設(shè)計提出多套研究方案進(jìn)行比選,選出較為理想的模式進(jìn)行深化。

表1 工業(yè)與民用建筑對比  下載原圖

表1 工業(yè)與民用建筑對比

通過對比可以發(fā)現(xiàn),方案1和方案2均將輔助空間(備品備件間、空調(diào)設(shè)備間、管道間和辦公室等)置于建筑兩側(cè),中間空間集中布置設(shè)備機(jī)房,區(qū)別在于傳輸機(jī)房的位置。方案2為傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心布局模式,一般將傳輸機(jī)房置于樓層中間部位,便于上下走線,但是會造成機(jī)房平面標(biāo)準(zhǔn)化程度低的結(jié)果。方案1將傳輸機(jī)房放置一層,便于參觀流線的組織,同時將高低壓配電等非標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備集中布置在一層,保證標(biāo)準(zhǔn)層的完整和純粹性,可以大面積布置微模塊機(jī)房形成較為理想的機(jī)房平面雛形。本次設(shè)計以方案1為基礎(chǔ)進(jìn)行深化,如圖1所示。

圖1 模擬平面對比  下載原圖

機(jī)房空間布局大致確定后,下一階段設(shè)計圍繞此輪廓進(jìn)一步確定基本的柱網(wǎng)尺寸。本次建筑空間大量布置微模塊產(chǎn)品,產(chǎn)品選型直接決定柱網(wǎng)尺寸。

微模塊是為IT機(jī)柜和應(yīng)用服務(wù),并能實現(xiàn)一定獨立運(yùn)營功能的標(biāo)準(zhǔn)化功能單元,可拼裝組合,可更換。微模塊由機(jī)柜系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、空調(diào)末端、綜合布線系統(tǒng)、消防系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)等組成,可實現(xiàn)工廠生產(chǎn)、現(xiàn)場組裝、模塊化部署。

如圖2所示,經(jīng)過分析比對,微模塊產(chǎn)品采用多聯(lián)方案,可以通過共享冷熱通道減少模塊空間面積以提高機(jī)架數(shù)。微模塊產(chǎn)品為封閉空間,采用無管網(wǎng)氣體滅火方式,按照氣滅空間平面不超過500 m2,體積不超過1 600 m3推算,微模塊產(chǎn)品可以做到8聯(lián),但是考慮到產(chǎn)品生產(chǎn)情況,本次方案按照雙聯(lián)微模塊進(jìn)行平面布置。微模塊產(chǎn)品本身具備防水和防塵功能,因此建筑空間防火措施采用自動水噴淋系統(tǒng),為大平面開放式布局打下基礎(chǔ),如圖3所示。

根據(jù)機(jī)柜維護(hù)要求,用于搬運(yùn)設(shè)備的通道凈寬不小于1.5m,微模塊作為一個產(chǎn)品,內(nèi)部空間滿足規(guī)范距離要求,外部設(shè)備間距并無明確規(guī)定。經(jīng)過實地考察調(diào)研,微模塊廠家考慮維護(hù)需求,建議模塊間尺寸不小于0.6 m。最終確定建筑平面柱網(wǎng)為13.2 m×10.2m,柱網(wǎng)與微模塊分別獨立布置,保證產(chǎn)品合理使用的同時避免空間浪費(fèi)。每個標(biāo)準(zhǔn)層平面可布置25個微模塊產(chǎn)品。

數(shù)據(jù)中心設(shè)計涉及到結(jié)構(gòu)、工藝、空調(diào)、電氣和電源等多專業(yè)配合,倉儲式機(jī)房大平面開敞式空間建筑平面,盡可能解耦各個專業(yè)的交叉性。

多層建筑采用無柱或少柱的大跨結(jié)構(gòu)方案性價比很差,綜合建筑平面、經(jīng)濟(jì)造價和施工技術(shù)等多個因素,4層倉儲結(jié)構(gòu)方案推薦鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)方案。

除傳輸設(shè)備外,其它ICT設(shè)備工藝均采用單層雙聯(lián)微模塊布置。

空調(diào)方案微模塊內(nèi)采用冷凍水型列間空調(diào),每個微模塊預(yù)留空調(diào)水管接口。空調(diào)冷源采用高壓冷水機(jī)組,板換和冷卻塔的組合,需要配置4臺2 000 RT的10 kV高壓冷水機(jī)組,設(shè)備擺放大約需求1 100 m2。另外每層還需布置少量的排煙和新風(fēng)機(jī)房。

圖2 微模塊產(chǎn)品比對圖  下載原圖

圖3 微模塊產(chǎn)品布置圖  下載原圖

電氣方案微模塊內(nèi)實現(xiàn)弱電系統(tǒng)和配電單元等的市電與UPS的雙路供電,每個微模塊預(yù)留強(qiáng)弱電接口,其它功能房間主要考慮集中監(jiān)控室和強(qiáng)弱電配線間的布置。

電源方案微模塊內(nèi)設(shè)置不間斷電源,傳輸機(jī)房配套布置電力電池室,高壓供電系統(tǒng)采用一級配電,集中布置在機(jī)房樓一層,變壓器每層均需布置,低壓配電系統(tǒng)每層均需布置。

根據(jù)各專業(yè)需求,機(jī)房首層兩側(cè)為輔助空間,布置拆包區(qū)、強(qiáng)弱電間、空調(diào)機(jī)房、管理維護(hù)室、監(jiān)控室、樓梯間和備品備件間等。內(nèi)部布置制冷區(qū)和高電壓變配電區(qū)等動力空間以及傳輸機(jī)房,輔助區(qū)面積463 m2,動力空間面積3 568 m2,傳輸機(jī)房面積788 m2。

圖4 建筑平面圖  下載原圖

標(biāo)準(zhǔn)層平面采用大平面開放式布局,主要功能單元對稱式布置,機(jī)房兩側(cè)為輔助空間,布置拆包區(qū)、強(qiáng)弱電間、空調(diào)機(jī)房、管理維護(hù)室、樓梯間和備品備件間等,輔助區(qū)面積463 m2。中間部分布置配電單元396 m2,保證電力輸送路由合理,線路最短,配套空間合計859 m2,微模塊布置區(qū)域3 960 m2。

4 層數(shù)據(jù)中心的配套空間/裝機(jī)空間=0.4,對于無人值守機(jī)房,即可滿足使用需求,遠(yuǎn)低于GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》對于輔助區(qū)和支持區(qū)的面積之和,可滿足主機(jī)房面積1.5～2.5倍的要求,避免面積浪費(fèi),如圖4所示。

倉儲式數(shù)據(jù)中心較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心具有空間開闊和布置靈活的特點,標(biāo)準(zhǔn)化程度高,建設(shè)周期短,適用于快速部署和高效靈活的業(yè)務(wù)需求。多層倉儲式數(shù)據(jù)中心兼顧單層廠房快速部署的能力,又具備多層數(shù)據(jù)中心裝機(jī)能力強(qiáng)的特點,本文作為一次機(jī)房平面的創(chuàng)作探索過程的總結(jié),填寫理論空白,希望能對今后的工程設(shè)計提供幫助。