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智能建筑电气技术杂志
将全生命周期概念应用到数据中心机房设计中，提倡对数据中心机房采用模块化的设计方案，以降低数据中心全生命周期的投资及耗能。
1
全生命周期概念
1.1
什么是全生命周期
全生命周期是源于社会需求而产生的全新的技术交易理念，被称为“从摇篮到坟墓”的生命周期，建筑全生命周期是建筑工程项目规划、设计、施工、运营维护直至拆除为止的全过程。因此全建筑生命周期可划分为规划、设计、施工、运营4个阶段。
数据中心的全生命周期指数据中心的规划、设计、施工、运营、设备维护及拆除、回收的全过程。在数据中心机房的建设过程中，科学、前瞻的设计是把握全生命周期的关键
。
1.2 全生命周期对项目的投资控制作用
项目投资分为一次投资和分期投资2种方式。一次投资是根据项目最终要达到的目标，一次性投入所有资金达到项目最终目标。分期投资是根据项目全生命周期各阶段的需求，分阶段投入资金，达到项目最终目标。
参照星级酒店的“每床综合造价”，在数据中心引入“每机柜综合造价”概念，根据项目调研，当前普通数据中心每机柜的综合造价约3~5万元，下文取综合造价为4万元。以一个简单的案例来说明全生命周期对项目投资控制的作用。
现有一个建设规模为120台机柜的数据中心，从建成到满利用率运行需要5年，第1年用户实际需要40台机柜的容量；第3年需要80台机柜的容量；第5年需要120台机柜（数据中心可容纳机柜总数）的容量，每机柜平均功率3kW。2种投资方式的最终设备总投资如表1所示。
表1 数据中心设备投资
注：根据摩尔定律，IT设备每隔18个月，价格约下降一半。
表1中，数据中心在第1年建成至第5年完全投入使用期间，一次投资设备总造价为480万元，而分期投资设备总造价仅为280万元，节约投资资金40%左右。
可以看出，将全生命周期概念融入到项目投资中后，通过整体把控可以明显控制投资、节省造价。
1.3 全生命周期对项目节约能耗的作用
电能使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）作为评价绿色数据中心的指标，在业界应用广泛。目前PUE的标准定义是：PUE等于数据中心消耗的所有电能与IT设备负载使用的电能之比，比值越接近1表明节能水平越好。此标准定义只限于数据中心IT设备在满利用率的工作状态下，没有考虑各发展阶段实际用户需求对设备利用率的影响。
现参考标准PUE的定义，在数据中心全生命周期中引入基本PUE概念，其内容为：数据中心消耗的所有电能与IT设备非满利用率运行情况下使用的电能之比。根据项目现场调研可知，目前国内标准PUE平均值为2.0~3.0，基本PUE平均值为10.0~15.0。所以下文取标准PUE为2.0、基本PUE为10.0。
前文中的案例说明了全生命周期对项目节约能耗的作用。其中，一次投资采用传统常用数据中心机房建设模式，IT设备和非IT设备（配套基础设施）一次性安装部署到位；分期投资采用新型的模块化数据中心机房建设模式，IT设备和非IT设备（配套基础设施）分期同步安装部署。
2种投资方式的数据中心PUE值见表2，设备运行耗电量见表3。
表2 数据中心平均PUE值
注：1.传统常用数据中心机房PUE值按照所有安装机柜平均值PUE取值；2.模块化数据中心机房PUE值按照已安装机柜平均值PUE取值；3.单体机柜标准PUE取值2.0，单体机柜基础PUE取值10.0。
表3 数据中心耗电量
注：一次投资和分期投资平均PUE值见表3。
由表2~3可知，在建成至第5年完全投入使用期间，一次投资模式中数据中心PUE值由7.3下降到2.0，期间运行耗电量约37843 200kW·h；分期投资模式中数据中心运行PUE值基本保持2.0不变，期间耗电量约12 614 400kW·h，节约电量60%左右。
可以看出，将全生命周期概念融入到项目建设中后，通过对PUE值的控制，可以明显降低数据中心耗电量，对节约社会能耗具有显著作用。
2
数据中心发展现状
目前全球数据中心总数已达到300多万个，其耗电量比例占到了全球总耗电量的1.1%～1.5%。美国数据中心平均PUE（平均电能使用效率）值已达1.9，先进数据中心PUE值已达1.2以下（如谷歌的数据中心PUE已达1.16）。在我国，数据中心总数已达40多万个，其年耗电量比例已占到我国年总耗电量的1.5%，平均PUE值仅为2.0～3.0。
目前数据中心大约经历了5个发展阶段（见表4），并正由第五阶段向第六阶段演进。
表4 国内数据中心发展阶段
我国数据中心电能利用效率整体偏低，数据中心电费成为企业很大一笔开支，数据中心绿色节能设计、建设已是大势所趋。但汇总以往建设数据中心的项目经验，笔者认为，数据中心节能存在的问题大致可以分为观念、管理和技术3个方面，具体如下：
1）观念问题：数据中心的经营者对“节能”的认知不足，导致数据中心能耗增加。
2）管理问题：在运维过程中，对节能的重视程度不够，导致许多节能和技术手段没有发挥其应有的作用。
3）技术问题：不了解数据中心的节能技术；把许多节能技术和产品堆积起来使用，节能效果反而更差；在节能产品生产商的诱导下，过度使用节能产品或不太成熟的节能技术，导致投资成本大、节能效果差。
数据中心的建设在追求高性能业务服务的基础上，如何兼顾技术经济合理性和节能、环保、减排，是在今后数据中心建设中应关注的重要问题。
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模块化设计
模块概念最早出现在计算机软件领域，指一段能完成一定功能并且与其他程序相互关联、相对独立的计算机程序。
李春田将模块的种类分为功能模块和结构模块两大类：功能模块是在对模块化产品功能进行分析的基础上确立的模块类型，每种模块都成为相应功能的载体，所有模块的集合便是能够满足全部功能的产品，功能模块通常包括基本模块、辅助模块、专用模块、附加模块和扩充模块；结构模块通常不具备使用功能，但却是功能模块的载体（如机箱、机柜），为保证模块的通用、互换，结构模块的安装连接部分的几何参数必须符合规定的要求。通常规定协调尺寸为标准模数的倍数和整数分割值。
模块化设计通过对市场进行需求预测调查，掌握产品的总体功能要求，将产品相对独立的功能单元分离进行模块化的重新整合，构成一个完整的子模块，将这个通用性的子模块与其他子模块进行模块组合，构成一个全新的、完整的、满足需求的产品。通过以较少的子模块组合成尽量多的不同功能和性能的产品，可以灵活应对市场的激烈竞争，满足不同人群的使用需求。
模块化设计与传统的设计方法相比，主要具有以下优势。
1）缩短产品设计、制造、供货及安装时间。
2）互换性强，系统升级、维修方便。
3）批量加工，降低成本。
4）优化完善模块性能，提高质量。
5）设计标准化。
4
数据中心机房模块化设计
4.1
数据中心建设模式
通过调研众多已建项目，笔者发现数据中心建设模式主要有以下3种：
1）机房物理基础设施选择一次性投资建设，IT设备选择分期投资安装，随着IT设备的逐渐部署，PUE值呈现逐渐减小的趋势。
2）机房物理基础设施和IT设备均分期同步投资建设与安装，PUE值在一定范围内浮动变化。
3）机房物理基础设施和IT设备均一次性投资建设，随着IT设备利用率的提高，PUE值呈现逐渐减小的趋势。
模式1）、模式3）是常见建设模式，模式2）是新型建设模式。由于PUE=1+（基础设施耗电量/IT设备耗电量），在模式1）中，IT设备较少时，物理基础设施仍需正常全部运行，造成PUE值过大，而随着IT设备的投入，PUE值逐渐下降；在模式2）中，IT设备和基础设施进行集装箱化且配套捆绑安装，其PUE值在整个生命周期中都稳定在一定范围内，适用于分期投资的模块化机房建设；在模式3）中，IT设备和基础设施一次部署到位，在IT设备利用率较低的情况下，所有物理基础设施仍需正常运行，此时只有部分IT设备达到设计标准PUE值，另外一部分只能用基本PUE值（见上文定义）来衡量，从而造成平均PUE值偏高，而随着IT设备利用率的提高，达到标准PUE值的机柜数量增多，平均PUE值会呈下降趋势，适用于一次性投资的建设模式。
常用数据中心的传统设计，往往以规模大、密度高、等级高等作为设计目标，也不严格按照规划流程做进一步论证和实际需求调研，最终导致建设成品与预期规划设计期望不相符，往往会造成以下不良结果。
1）由于规划设计初期没有明确使用者的需求，设计中会反复修改设计，造成了人力、物力、成本的增加和浪费，延误项目进度。
2）机房建成后，其IT设备未全部充分使用，造成项目前期投资的浪费和后期运维成本的增加。
3）规划设计时未将绿色节能技术纳入设计思想中，最终造成机房耗电指标PUE值过大，增加后期机房运维成本，浪费大量社会能源。
实践证明，只有从数据中心全生命周期PUE值的动态变化出发，分析数据中心规划设计中存在的各种问题，才能有助于更好地调整设计思路和建设模式。在常用建设模式中，只从初期预想进行考虑，片面追求“大、高、快”的技术参数，造成了各种不必要的浪费。
