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数据中心工艺规划设计

 tuzhanbei2010 2022-12-03 发表于四川

2022年11月9日-10日,以“汇聚双碳科技 夯实数据之基”为主题的第十届数据中心标准峰会在北京隆重召开,世源科技工程有限公司高级工程师、2022数据中心科技成果奖青年科技人才奖获得者陈宏在本次峰会上以《数据中心工艺规划设计》为题发表演讲,现将精彩内容整理如下,供数据中心广大从业者学习交流。

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陈宏 世源科技工程有限公司高级工程师、2022数据中心青年科技人才

Part.1

需求分析

数据中心大规模建设有十几年了,这十几年客户需求越来越有追求,他们经历了几百平机房到上万平数据中心,再到绿色低碳超大型数据中心。十年前客户关注我的数据中心是不是A级,可靠性高不高?现在更多客户关注的是数据中心够不够先进,有没有亮点。

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这十年国家对数据中心越来越重视,2017年工业和信息化部发布了《加强“十三五“信息通信业节能减排工作的指导意见》,其中提出,新建大型、超大型数据中心PUE要达到1.4以下。2018年底,中央经济工作会议定义了“新型基础设施建设”,包含了大数据中心。2020年3月,中央政治局常委会强调“加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度”。2021年3月,“十四五”规划中明确提出“建设若干国家枢纽节点和大数据中心集群”。也就是后来说的“东数西算”。
同时,全国各地发布了各种各样关于数据中心政策,他们都是围绕能耗、算力、可再生能源,尤其“双碳”的推出。
世源科技的数据中心客户是覆盖全行业的,我们针对100多名客户做了分析。根据他们的需求提炼出来以下几个指标,其中包括可靠性要求、单机柜容量、成本敏感度、新技术运用、建设周期。分别对金融行业、互联网行业、IDC行业和政府、企业自用客户做了比较。
对于可靠性,刚才说了它跟客户业务息息相关,从这个指标来说金融和政府企业自用客户相对来说要求高的。
单机柜容量,不同的客户会有不同的容量要求,我们以8千瓦为界限,8千瓦以上称之为高密,以下称之为中低密。一般互联网都是8-15千瓦,像阿里做到了15千瓦,百度和快手一般就是8.8千瓦这样子。对于金融和企业自用,它相对来说低的,跟它的业务相关的。另外IDC,这里说的IDC主要针对第三方的数据中心,第三方数据中心要兼容不同类型的客户,所以它一般选用一个中低密5-8千瓦的密度。
第三个指标成本敏感度,就是投资,对于这几类客户来说第三方IDC的数据中心项目它对成本要求是非常高的,我们知道它主要目的是盈利,所以在成本要求上会非常严格。另外,相对高的是互联网行业,互联网行业因为它的数据中心建设规模非常大,尤其像这个行业的头部BAT,每年数据中心投入面积非常大,阿里前几年数据中心建设的面积每年100万平米。
新技术运用,新技术现在一个是制冷方面,一个是节能方面。说到制冷有冰川、液冷。另外节能上有绿电、储能、可再生能源。从接受这些新技术的应用来说,比较超前的是互联网。像互联网企业应该在3-5年前就开始研发液冷,阿里在千岛湖的湖下数据中心都是比较超前的。从去年也看到,金融行业也开始接受新的应用。比如中国银行在内蒙项目已经采用了间接蒸发冷技术,农行、建行在内蒙项目他们也尝试了液冷技术。
最后,讲一下建设周期。所有的需求也好,指标也好,都离不开两个字“业务”,建设周期从业务侧来分析,互联网相对是短的,因为它的业务是增长非常迅猛的。IDC因为它是要为了盈利,所以它的建设周期也相对是短的。金融和政府企业自用业务增长没有互联网那么快,所以它的建设周期一般比较长,有的金融数据中心建了8年、10年都有的。
我们了解了这么多客户的需求,下一步要把它落地,如何能把它实现出来。有人说了,数据中心尺寸是不是固定的,怎么设计才能适应不同变化?我们知道一个数据中心规划对于客户来说,它是一个5-10年,甚至10-15年的规划,它有远期规划在,未来一定会发生变化的。如何应对这个变化,有没有什么好的设计方法。
模块化设计就是这样的设计方法。

Part.2

模块化工艺设计

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这是一些项目案例,大家可以看到数据中心有长形、方形和不规则形的,到底数据中心应该是什么样子?
模块化设计方法,它分为两个层面。园区级的和建筑级的。园区来说,客户拿到一块地,怎么把每一个数据中心落在这个地块上。钟总说过,工艺是不能限制规划的,什么意思?数据中心不能是固定一个尺寸,因为每个地块形状是不一样的,每一个地块指标要求是不一样,所以不能用一个标准尺寸,落到不同地块上。在园区层面上,工艺设计和建筑设计是互相结合的,以建筑为主,工艺为辅,互相配合确定数据中心的基底尺寸。
到建筑内,主要以工艺为主,工艺规划是根据建筑单层面积来规划机房模块大小,同时配置相应的供电和制冷。
到底机房建筑建多大面积,建几层?有以下几个因素来制约它。

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市电、机柜数和建筑体量和投资因素。
电对数据中心非常重要,好比血液一样,在很多项目规划的时候,尤其是数据中心园区规划,单体的数据中心,很多是以用满两路或者四路市电,作为规划条件。
机柜数,数据中心的规划是对于客户业务十年,或者15年以上的需求,规划能够充分满足业主未来的扩展要求。
建筑体量,每个地块都有建筑指标,比如容积率、建筑密度、限高,有的地方土地费很高,怎么样把这个地充分利用了,把各项建筑指标用到极致。
最后是投资。我们建造的数据中心大部分都是三层四层,以多层建筑为主。多层建筑比高层建筑付出的代价要小的,性价比高的,因为数据中心荷载大,建的越高土建成本越大。另外高层建筑,它的消防配置会更多,电缆长度和管道长度越长,要从投资来整体考虑一个数据中心体量的性价比。
考量了这么多因素,再解剖一下数据中心的建筑体内各个功能区。主要有几个组成。机房模块,电气房间,制冷用房、消防用房和辅助用房。这几个功能区的面积大小是相互制约的,机房越多肯定配电房间越多,同时制冷空调冷机越多,相互制衡的,我们最终找到一个平衡点,所有配置是比较合适的,系统是能够配套的。
我们针对将近300个项目,其中主要采用水冷系统数据中心和采用间接蒸发冷系统数据中心进行分析,这里要强调一下,我们是针对单机柜8千瓦以下。我们把柴油发电机房面积、间接蒸发冷空调面积全部包含在内,这样分析才是有意义的。
针对采用水冷系统数据中心,这几个方面的面积配比,机房面积占三分之一,电气面积占四分之一,制冷面积占15%,剩下消防用房、辅助用房和其他建筑楼电梯、走廊这些面积占将近27%。
间接蒸发冷系统数据中心,机房面积大约占30%,电气房间面积占26%,这个和水冷几乎差不多。另外因为间接蒸发冷空调占地比较大,我们是把它作为室内面积统计的,大约在21%,其他用房面积23%。

Part.3

项目案例

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单相浸没式液冷技术,它是将发热电子元件浸泡在冷却液中,利用冷却液良好的传热性能进行散热。在这个过程当中冷却液不发生相变,始终保持液态。这个案例的系统由液冷机柜、换热单元CDU、循环水泵和干冷器组成。左边是一层平面布局,在建筑东侧靠外墙侧设置柴油发电机房,蓝色区域是设置的电气房间。一层设置了一个液冷机房,大家看到中间紫色条就是CDU换热单元,它放置在了机房中间,机柜都是在换热单元两侧来进行布置的。

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左边是二层平面布局,主要是机房模块,设了三大一小的机房,中间有一块是它的核心网络机房,没有采用液冷形式,考虑可靠性要求更高,它采用另外的一种制冷形式。

在屋面上紫色区域设置了干冷器,中间做的水泵房,水泵设置在屋面室内,干冷器针对二层和一层机房,每两个大机房和配电室设置了一组干冷器,7+1的配置,一层小机房设置了一组3+1的配置。
下面讲一下相变浸没式液冷技术,行业内应用比较多的两种液冷技术,一种单相,一种相变。相变是指将发热电子元件直接浸泡在冷却液中,利用冷却液显热和潜热变化传递热量,进行散热,在这个过程中冷却液遇热发生温度变化和相态转变,部分变成了气态的。

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相变案例系统组成,除了浸没式液冷机柜,还有换热模块 CDM,还有循环水泵,板式换热器和冷却塔组成。在平面布局上,地下一层设置了换热站,布置了板式换热器和循环水泵,一层北侧靠外墙设置了柴油发电机组。

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二层,中间核心区域设置的液冷机房,它的换热模块CDM紫色的圆点,斜的是液冷机柜,每一排机柜中间设置了若干个换热模块。另外蓝色区域的配电是围绕中心的机房来进行配置的。
在屋面上设置了冷却塔。
本次分享就到这里,谢谢大家
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