【IBE】全生命周期概念与数据中心的模块化机房设计

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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。

3 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。

因此，本文提出了数据中心机房模块化设计的新型建设模式，该模式贯穿整个生命周期，根据业务实际发展进行设计、规划，需要多少容量规划设计时就配置安装多少模块化基础设施。后期业务需求增多时，可以在不影响使用的前提下，快速增加部署基础设施模块，达到扩大设备容量和提高用户数量的要求。后期维护升级时，只需要替换相关升级模块部件即可，整个过程方便、快捷、可靠，节省大量时间和资金。

4.2数据中心模块化设计

数据中心机房设计包含IT设备和物理基础设施两部分，由于IT设备本身就是模块化的产品，所以数据中心机房模块化设计是指对物理基础设施部分的模块化设计。通过对数据中心物理基础设施的功能组成进行分析，将其划分为5大相对独立的功能模块，包括供配电系统模块、空调系统模块、机柜系统模块、布线系统模块和智能集成管理平台模块。各模块特点如下。

1）供配电系统模块

采用模块化的UPS，在机房投入运行时，前期可以按照实际的负载配备模块化的UPS，随着设备的增加随时增加UPS模块（热拔插不用停电）。模块化的UPS电源遵循并符合节能、绿色、环保的特点，在大幅度提高设备的可用性、可靠性的基础上降低设备的投资运营及维护成本。模块化的UPS各部分架构全部采用数字化控制，控制系统更加稳定可靠；每个UPS模块是机柜内部最小装配单位，采用19ˊˊ标准机柜保护，机柜是外部最小装配单位。高功率密度模块化设计，单模块容量6kVA/10kVA/15kVA/20kVA/25kVA/30kVA/40kVA，所有模块高度均为3U，模块与机柜间采用热插拔技术。

2）空调系统模块

采用房间级精密空调，该空调采用下送上回气流系统，机房防静电活动地板下的空间作为空调送风的通道，送风口安装在高架活动地板上，空气经过地板上安装的送风口向机柜和设备送风，并在机柜通道顶部架设安装顶板，通道两侧安装密封门进行封闭处理，形成冷池（冷通道），以此达到精确制冷的目的，有效提高了送入机柜冷却空气的质量，提高了机柜的冷却效果。在制冷效果相同的前提下，相比传统开放式冷热通道，空调室内风机在封闭冷通道时的送风量是传统开放式的60%，意味着在封闭冷通道情况下的电能功耗是传统开放式的60%，可实现能耗节省40%以上。

3）机柜系统模块

机柜系统本身集成了机柜、柜间布线系统、机柜及机柜排的配电、冷热池的隔离、机柜区的照明、标识和机柜区的环境监控及电参数监控，使得原本分立的子系统集成化、预制化和产品化，降低了这些机房功能子模块的设计时间和施工时间，显著提高了子模块之间互相配合的合理性和可用性，此外，这些子模块的统一产品化和厂商提供统一的现场安装，大大缩短了机房的施工时间，提高了施工的可靠性和质量。

4）布线系统模块

预端接布线模块是一套由工厂端接、测试，符合国际标准的模块化、预制化布线系统产品。预端接布线模块可以提供更可靠的产品品质与性能，支持即插即用，可实现快速连接与部署，降低工程安装、测试成本，具有高灵活性和高可靠性、易管理以及故障点少等优势。

5）智能集成管理平台模块

智能集成管理平台模块是集机房动力、机房环境、机房安防以及服务器系统资源、网络资源于一体的管理服务平台，是专为现代计算机、网络通信机房及无人值守变电站而设计的多功能远程集中监控系统，主要监控对象包括供配电、照明、开关、电涌保护器、UPS、发电机、精密空调、新风机、漏水、温度、湿度、有害气体、消防控制器、烟雾探测器、温感探测器、门禁、视频监控、防盗报警、主机等设备。可实时监控设备运行状态，采集硬件以及传感配套设施信号，及时判断和处理相关数据并进行记录，通过智能分析预防故障、快速排除故障，提高系统运行的可靠性及数据中心设备的安全性。

5 结束语

在数据中心全生命周期中，采用模块化的数据中心基础设施产品可随需扩容，可靠稳定地保障系统安全运行，显著降低数据中心的PUE值。这样既避免了前期大量资金投入的浪费，又避免了后期因为高能耗导致运营成本过高的情况，达到了绿色节能、减排的设计和使用目标。

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