模块化数据中心机房的实现方式
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前言

    当今信息技术已成为企业主要核心竞争力之一,是保障业务持续稳定发展的重要手段,数据中心则是信息技术提供着陆的关键基础设施平台。以电信和金融等行业为首的数据中心,经过近几年大规模的建设和运营,在基础配套设施上陆续暴露出一些弊端,如何建设新一代数据中心的,立足现有资源,长远规划未来的理念已成为业内关注的重点。

一、早期数据中心的状况

    早期数据中心通常是根据已有大楼的条件来划分各类功能分区的,在当时发展前景不明,只能通过小步走,试探性的建设方式,后期逐步调整。因此使用过程中逐渐暴露出诸多问题:

    (1)电信行业IDC业务大都为机房或机架租用模式,对人驻的客户和业务量,与传统业务相比,没有较为明确的滚动性规划;金融行业数据中心的发展由业务主导,当业务方向及发展前景不明时,在远期规模预估上存在较大的困难。从电信和银行业来看,具备极大的灵活性和可扩展性已成为新一代数据中心所必须考虑的点位。

    (2)依据数据中心的重要程度,在机房建设等级、系统配置、管理及维护上均有不同的差别,再加上设备厂家和种类繁多,常常会导致建设和管理的复杂化,因此需要耗费大量的人力资源成本。

    (3)众所周知,数据中心的能源消耗极高,据不完全统计,传统数据中心设备实际能耗约占总能耗的42%,而制冷、供电及照明等的耗能约占58%,有效提高能源利用率,达到绿色节能是需要解决的又一重要课题。

二、建设的标准

    数据中心作为信息化的核心环节,承载着重要的数据,必然对建设标准提出较高的要求。

    新一代数据中心建设可参考国际、国内以及行业内的相关标准和规范。美国国家标准协会、美国电信产业协会和TIA技术工程委员会编制的《Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers》ANSA/TIA-942-2005,该规范将数据中心划分成T1~T4 4个不同的等级;2009年6月1日出台的GB50174《电子信息系统机房设计规范》则将数据中心划分为3个不同的等级(A、B,C级)。标准中对数据中心选址、安全、外围配套设施,建筑结构以及数据中心机房内的基础配套设施等各方面均提出了要求,在选择标准和等级时,要根据数据中心的重要程度、资金、人力、进度要求进行综合性比较,选择合适的标准和等级。

四、数据中心机房模块化的概念

    为有效避免早期和目前数据中心存在的问题,符合国际、国内标准的要求,从项目实战经验得出:采用模块化数据中心的理念将是解决以上问题较为理想的方式之一。

    所谓模块化数据中心是指每个模块具有独立功能、统一的输入输出接口、不同区域的模块可以互相备份,通过相关模块的排列组合形成一个完整的数据中心。

    各模块中可以包含子模块,各模块功能的综合构成了系统功能,而子模块的功能应该是父模块的基本功能。模块层次越多建设、管理的难度越大,当模块层次划分过多,就与非模块化的结构没有差异。

    为构建模块化数据中心,可从功能分区模块化和基础设施系统模块化两方面着手,通过建立模块化数据中心模型,感知模块化带来的显著特点和巨大优势。

五、功能分区模块化

    通常数据中心需要具备的主要功能分区为:高压进线室、高低压配电室、油机房(日用油箱/油库)、冷水机组房、接入室、光缆进线室、监控维护区域、数据机房、电力电池室、空调区域、新风室、钢瓶间、储藏室、拆箱区、吊装平台、值班室及各类管井,功能分区可根据实际情况选择。

    数据机房、电力电池室、空调区域、新风室、钢瓶间、储藏室、拆箱区和吊装平台等可分布在各楼层;而高压进线室、高低压配电室,油机房(日用油箱/油库)、冷水机组房、接入室和光缆进线室一般设置在底层,整个监控维护平台统一设置。

    图1是楼层模块化功能分区示意图,楼层平面以中间主走道为界,分为2个模块,每个模块中包含2个数据机房和2个空调区域子模块、1个电力室、电池室、钢瓶间、货梯及管井子模块,每个模块都能实现独立的功能。
 

 

图1:楼层模块化功能分区示意图

    数据机房(A、B、C、D)子模块中可包含普通功耗设备区域、高功耗设备区、配线区及配电区。数据机房子模块的面积通常按业务量大小来划分,4个数据机房子模块面积相同,正因为子模块的单一化,使辅助机房面积及系统配置易实现单一模块化,给维护、管理上带来方便。单个模块内的空调区域、电力室、电池室、钢瓶间,其区域是经过理论上严格的推算,结合标准和项目经验确定。本模型的功能划分采用全斜对称模式,尤其适用在前期规划的大型数据中心,对面积过小(例如小于1OO平方米)的数据中心模块化优势不明显。

    另外,大楼功能分区模块化实现方式并非单一,可通过符合机房使用的各种平面组合来实现。

    受多方面因素的限制,并不是所有机房都能够实现多功能模块分区,对不能实现物理位置功能分区的机房可在单个模块中设置子系统,通过模块化子系统进行备份,从而达到高可靠性。如高压进线室、高低压配电室、油机房、冷水机组房等,参见图2。

 

 

图2:一层功能划分

    在规划高压进线室、高低压配电、冷水机组房及电力电池室面积时,应预留充足的辅助发展区域,这样可以有效避免后期扩容带来的大幅度调整。
 

六、基础设施系统模块化

    如果仅仅把功能分区模块化还不是真正意义上的模块化数据中心,只有基础设施系统也采用模块化结构,相互结合,才能实现全模块化数据中心。合理规划和安排各项信息化基础设施,形成良好的物理环境,使得各种业务、应用系统和数据都能不受约束地实现有效配合。

    基础设施系统主要包括:网络配线系统、高低压供配电系统、交流不间断供电(UPS)系统、空调系统、接地系统、走线系统、消防系统、安防系统以及监控系统等。

    以图3系统模型中全系统备份高低压供配电系统和UPS系统为例,系统模块的概念定义如下:从高压外市电引入至机架电源输入端,具备独立的供电能力和输入输出接口,且模块间能实现互相备份的系统称之为一个完整的供电系统模块。

 

图3:供配电系统示意图

    从独立的两个变电站引入外市电,在高低压配电系统上进行容量和多系统备份(1# 子系统、2# 子系统),利用柴油发电机组作为后备电源,为数据中心提供高可靠性电源。在1#/2#子系统的配电设备上分别预留至楼层主备用供电分路,为楼层电源设备和空调设备供电。系统模型中二层北侧电力室和三层北侧电力室分别设置3台UPS主机,每3台UPS主机并联冗余方式运行组成1套UPS系统,二层北侧电力室A的UPS系统(1#UPS子系统)和三层北侧电力室的UPS系统(2#UPS子系统)组成2N系统,为二层或三层北侧的1个数据机房子模块供电,每套UPS子系统均从不同外市电引入的变压器上接电,UPS正常工作时,2套系统各承载50%的负荷。

    UPS子系统设置在电力电池室内,其输入端口是UPS交流配电屏,输出端口是UPS输出配电屏;对数据机房,电源的输入接口为交流列头柜的输入端,从列头柜至设备的供电则属于数据机房子模块内部设备供电系统,对空调区域供电,空调配电屏的输入端为统一的输入接口。其他基础配套系统同样可以通过合理的规划达到功能分区和系统模块化。

七、模块化结构设计的的优点

    7.1 具有极大的灵活性和可扩展性

    数据机房模块可以通过多个模块的自由组合现模块间的备份,根据业务发展,随时启用其中一个模块,在增加新的功能模块时,只需对该模块进行扩展,不会对原有布局结构造成较大变化,当现有功能模块发生变化时,只需对该模块进行改进,模块的变动不会波及到全局;模块式的规划能不受现有机房基础配套设施的限制,随时满足机房扩容的需要,甚至达到全Copy模式,具有极大的灵活性和可扩展性。
  7.2 提高机房利用率.降低建设成本

    由于数据中心设备综合平均功耗较高,当供电和制冷限制时,常采用牺牲机房面积来保证在机房供电和制冷效果,机房利用率会明显降低。根据实际项目经验统计,采用的模块化数据中心模式,同等情况下主设备区净面积(不含空调区域)约占大楼总建筑面积的30%~36%,而传统的机房利用率约为28%。因此采用模块式数据中心来规划能极大的提高机房的利用率,这就带来建设成本的大幅下降。机房利用率主要与参照标准、选取的等级、功能分区、各项系统的配置、备份情况以及机房的规整度有关,整体规划时要掌握好平衡点。

    7.3 易实现高标准数据中心的要求

    模块式数据中心特殊的优势是选取标准等级越高的数据中心越易于实现。TIA-942和GB50174在安全性和系统备份上提出了不同等级的要求,按功能分区的模块对其内部的子模块机房分割明晰,能够实现楼内安全等级管理。如图4所示,设置4个不同安全管理等级,以数据机房为核心的红色高安全区域向绿色低等级区域逐级扩展。

 

图4:安全等级管理示意

    按N+1、2N或更高级别的备份方式,在模块化方式下,只需要通过模块备份即可,易于操作。

    7.4 提高了机房的绿色节能

    大楼功能分区和系统建设模块化有助于机房绿色节能,主要体现在以下两个方面:

    (1)在空调制冷上

    传统的数据中心往往是大开间方式,在机房启用初期,难免造成空调制冷的浪费,而模块式数据中心采用小面积划区能够解决这个问题;

    (2)在UPS系统上

    UPS系统造成能源浪费主要原因是扩大UPS电源的使用规模而导致负荷较低,达不到有效运行状态。模块化数据中心从源头上避免了这个问题,通过合理配置UPS系统容量,使系统运行在最佳状态,达到绿色节能。

    7.5 节约人力成本.利于维护管理

    模块化的建设方式带来建设的规范化。模块或子模块种类越少,管理自然简单,因此对建设、管理和维护的人员水平和数量要求降低;基础设施系统中设备配置容易统一,设备类型的减少将大大减少维护工作量,节约了人力成本。简单清晰的模块式系统架构,使维护人员更容易熟悉大楼系统和功能分区,在出现故障时,有助与维护人员快速进行故障定位、诊断和排除。

八、结束语

    构建优秀的数据中心需要用新的理念做出规划,在源头采用集中控制策略。模块式数据中心的建设方式提高了系统的安全性和可靠性,能有效能解决目前大多数数据中心面临的问题,这种构建方式将会在新一代数据中心整体规划得到广泛应用。

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