艾默生-新一代绿色数据中心容量规划

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1、新一代绿色数据中心容量规划新一代绿色数据中心容量规划艾默生网络能源有限公司 曹播【摘键要】： 解析新一代数据中心供需模型和成长模型，提炼其容量规划的关键支点，并阐述新一代数据中心容量规划的主要原则和实施细则。 【关键词】： 新一代数据中心容量规划制约模型，需求成长模型，可用性，成本，PUE，机架功率密度，供电，制冷，空间限制。一新一代数据中心容量规划制约模型一新一代数据中心容量规划制约模型 如何规划数据中心的容量一直是困扰数据中心管理者和从业者的一个重大问题。当数据中心的建设意向提出之后，数据中心的建设容量到底是多大？到底该按照那些因素去规划数据中心的容量？立项的数据中心到底该按照那种方式去建

2、设？如何使将要建设的数据中心能够面临以后 10 年的业务成长？如何使数据中心保持可靠性，经济性和节能环保的有机统一等等不一而足。 目前通行的做法是：首先根据业务的发展定出在数据中心生命周期内业务发展的路线图，然后就可根据该路线图就核定出对各阶段业务支持的 IT 设备，继而也就可以定出各阶段支持系统的容量也规模。在获取各系统在各阶段的容量与规模之后，就可以进行细化设计了。问题主要集中在如下二个方面： 1. 数据中心业主往往没有办法对业务的发展做出清晰的预测。 无论是电信，金融行业还是政府，企业级数据中心，其业务的发展呈现出快速却又不规则的发展模式。增长率在一段时间会非常高，但在一段时间之内又有可

3、能停滞，基本上很难直接呈现出一种相对稳态的发展趋势。这当然是和如今的经济形势密切相关的。近年来全球经济形势的大起大落必然会在各行业体现出来，而这种业务的大起大落各数据中心的规划者造成了相当大的困扰。 2. 边界限制因素越来越多。 数据中心规模越来越大，对数据中心从选址，区域划分，土建，承重，装饰装修，供电，制冷，强电，弱电，综合布线，照明，防雷接地，消防，监控与门禁等各个不同的维度提出了新的建设要求。 但总的来说，数据中心最重要的三个制约条件是: 供电，制冷，占地面积（空间制约）。 图 1：数据中心容量三维限制模型这三个关键的因素对于数据中心容量规划的影响既相对独立，又相互渗透，互为表里。 1

4、 1）供电）供电 以前呈现出“海量”供应的供电容量等目前是数据中心容量规划的重要边际制约。笔者在近几年建设实践中遇到的以供电容量确定数据中心容量的案例不在少数 GB/T 17467-1998 中规定了一次侧交流额定电压 3.640.5kV、单个变压器最大容量是 1600kVA、工作频率不大于 50Hz 的公众能接近的户外预装式变电站的使用条件、额定参数、一般结构要求和试验方法。该变电站是通过电缆连接的，可以从它的内部或外部进行操作。 1600KVA 到底可以为多大规模的数据中心提供用电呢？ 可以用中国电信2005741 号 IDC 规范作为一个大致参考，在该规范中，其界定的高负荷机房单机柜最大

5、功率4.0KVA 柜（事实上，从 2008 年以后的设计实践来看，单个服务器机柜 4KVA 已经是相对保守的设计）。 即使安全系数取 0.8（主要考虑变压器安全工作范围，UPS 的输入谐波导致的变压器容量降额等），最大也只能为 320 台机柜提供用电。但如果是要建立一个可靠性等级为TIA-942 所界定的 Tir-4 的系统，则还需要 1 台 1600KVA 的变压器作为在线备份。 此外，变压器的输出除了需要为数据中心的供电以外，还需要为制冷，照明和其他设施提供用电，其中主要是制冷。以耗电 1600KVA 的系统为例，其有功功率为 1280KW,但是这部分，若以艾默生的空调系统来核定，大致也需

6、要耗电 600KW。若加上环境热负荷和供电及其他的考虑，另外一台 1600KVA 的变压器也还是需要的。 总结一下：对于一个 320 个机柜的系统（单机柜用电功率为 4.0KVA），至少需要3 台 1600KVA 的变压器。这仅仅是针对一个中型的数据中心。 大型数据中心对于市电的需求与规划不单超出“380V/400V 海量用电”的阶段，也超出了对“10KV 海量用电”的阶段。目前对于大型的金融或电信数据中心，市电的规划往往会直接从 35KV 做起。 以上海地区为例： 供电电压(KV) 用户受电设备总容量(KVA)10250630035630040000110 及以上 40000 及以上 因此，

7、对于数据中心在市电需求与规划上有如下建议： 1. 核定用电需求，一般采用 10KV 供电电压。 2. 当数据中心中、终期规划用电负荷较大时，宜在建设初期选择 35KV 及以上供电电压，以免供电容量不足成为数据中心发展的制约瓶颈。 3. 采用 35KV 及以上供电电压时，可视数据中心建筑形式决定变电方式。单幢建筑宜采用 35/0.4KV 直降方式。园区式多幢建筑宜采用 35/10KV、10/0.4KV 二级降压方式。4.极高可靠性要求机房应从两个独立的电网变电所的专用输出回路上分别引入一路市电电源，以专线方式沿不同的敷设路由引接至数据中心。每一路市电电源的供电容量应能满足全部负荷或全部一、二级负

8、荷的需求，包括机房设备、机房空调、机房照明、蓄电池充电及建筑设备等。两路市电电源的供电容量应为全冗余，正常时应并列运行。5.高可靠性要求机房宜从两个独立的电网变电所，也可从一个电网变电所的两段独立的供电母线上分别引入一路市电电源，以专线方式引接至数据中心。 每一路市电电源的供电容量应能满足全部一、二级负荷的需求，包括机房设备、机房空调、机房照明、蓄电池充电及建筑设备中的一、二级负荷。两路市电电源的供电容量应为全冗余，正常时应并列运行。6.一般可靠性要求机房宜引入两路市电电源，条件受限制时也可引入一路市电电源。引入两市电电源时，宜为冗余关系，也可作为供电容量扩展关系。 2 2）制冷）制冷 数据中

9、心各设备的散热特性十分复杂，如下图 2.图 2：数据中心各设备热密度发展趋势图上图至少揭示了两个重要的问题： 1数据中心各类型的设备具有不同的发热密度，这就意味着针对不同的设备应该有不同的制冷解决方案。 2. 数据中心各类型的设备本身的发热密度在不同的阶段有着不同的热密度（一般是越来越热）。 因此，制冷对于数据中心的限制主要体现在以下几个方面： 1). 设计的制冷系统能够满足不同设备在不同阶段的制冷要求。从而能够使得数据中心初期规划的电资源和空间资源能够得到充分的合理的使用。图 3：机柜空间利用增长示意图需要针对不同的功率密度（热密度）做出不同的制冷方案规划。 图 4：不同功率密度对应不同机房

10、制冷方案2). 数据中心制冷系统的建设是一个系统工程，除了机房空调主机之外，还会和建筑结构产生广泛且深刻的联系。 机房楼层的净空高会直接影响送风方式的选择。能否采用静电地板，静电的高度是否直接占用太多高度以至于上走线槽道的布置或者照明期间的分布？当然，采用风道上送风也有同样的担心。数据中心净空高必须考虑如下因素：静电地板高度（或者上送风风道高度），机柜高度，两层上走线槽道高度，照明高度，天花上回风高度等等。实际经验表明，新一代数据中心机房净空高一般大于等于 4.5m 为宜。 室内机，室外机的距离会直接影响冷却方式的选择。一般来讲，当室外机高于室内机时，建议垂直最大距离为 25 米；当室外机低于

11、室内机时，建议垂直最大距离为 5 米。建议管道总长不超过 60 米，超过上述限制，就不再推荐采用风冷的机组。 房间的建筑形状也直接关系到机房的气流组织。机房空调的送风距离一般是 15 米，如果超过这个距离，就建议采用对吹的方式。因此，对数据中心房间作区域分割时，一般会建议一个子机房的距离不超过 30 米。 3.数据中心对能量的需求最终体现在对于电能的需求上。空调系统是数据中心机房的能耗的第二大户。由它所产生的功耗约占数据中心机房所需的总功耗的 37%左右。其中 25%左右的功耗来源于空调的制冷系统所产生的功耗，12%左右的功耗来源于空调的送风和回风系统所产生的功耗。因此，合理的设计制冷系统能够

12、确保在满足数据中心制冷需求的基础上尽量减少对于电能的需求。 3 3）占地面积）占地面积 数据中心所使用的占地是一个不可再生的资源，始终是困扰 IT 经理人的一个重要的问题。在当前流行的主流 IT 技术（刀片服务器，虚拟化等）的背后都有“减少占地面积”的原因。 数据中心的面积始终是数据中心建设者，管理者最为关注的因素之一。 数据中心对于选址有着严苛的要求，取得合适的地点建设合适规模的数据中心需要付出越来越昂贵的代价。 数据中心空间的制约主要体现在两个方面：初始的建筑面积制约和运行后扩容空间的制约。 图 5：新一代数据中心所面临的挑战排序，IDC国内目前新一代数据中心在 500 平米以上的机房可以

13、达到 35%，而且这趋势依然在增强之中。 图 6：中国下一代数据中心样本规模分布，CCID 二新一代数据中心需求成长模型二新一代数据中心需求成长模型 上部分内容力图从宏观的角度图形显示数据中心容量和三个关键的制约条件之间定性的关系，描述的是总量的关系。至于单个制约条件的供需成长关系，可见下图： 图 7：单个制约条件(面积，供电和空调)供需成长关系 详细解读如下： 1）IT 设备针对系统需求的成长速度步幅最小，频度最高：这和 IT 设备本身的物理特性密切相关，当有新业务需求时，在机柜中增加 IT 设备即可，基本上对供电，制冷以及占地面积的冲击不会太大，因此会呈现相对平滑的特性。 2）在数据中心规

14、划时，会根据业务成长的状况对面积进行分区，同时也会为每一期所使用的面积预留合适的裕量。因此，面积的成长首先是一种小步幅成长的关系，突破临界点（分期界限）之后，会有新的大面积空间投入使用。 3）机房空调的成长速度也相对平滑，在前期的基础设施（比如水管，送回风设施等）准备预留妥当的情况之下，面对机房的热负荷不断提高的情况之下，可通过阶段步进增加终端的制冷单元即可实现。 4）供电系统的成长就会显得相对缓慢，呈现的步幅频率低，步幅大。为什么供电设备没有采取类似于 IT 设备和机房空调一样的随着业务成长而频繁步进的模型呢？为什么供电系统没有采用小容量，多模块的建设方式呢？ 主要是交流供电系统的模块化和可

15、靠性存在着复杂的关系,核心是随着供电模块数的提高，系统的可靠性呈现出下降的趋势。因此，新一代数据中心的供电系统在进行建设时，必须在可扩容性（通过模块化来支持）和可靠性之间取得一定的平衡。 目前主流的建设方式主要是采取 2(N+1),N3 的方式，随着业务成长 N 会逐渐增大。如果当前系统 N 达到 3 之后，就会考虑新建系统。因此，体现在供电的供需成长关系上，就会有频率低，步幅大的特点。 图 8：并联系统可靠性比较 三新一代数据中心容量规划关键支点三新一代数据中心容量规划关键支点 新一代数据中心容量规划的支点多种多样，见仁见智。通行的做法不一而足，但基本上可从以下四个支点加以解析： 1 1）可

16、用性支点）可用性支点 面对承载不同业务类型的数据中心，其可用性的要求必然不同。数据中心可用度等级的划分基本上可以参照 TIA-942 及 UPTIME 对其的定义如下啊： 图 9：数据中心可靠性等级的分类 同时，如前文所叙述，数据中心是由 IT 平台和 Facility 两个平台构成。 图 10：数据中心 IT 和 Facility 两个平台的划分 数据中心总的可用性是由 IT 和 Facility 两个平台所决定的。 IT 网络的可用性IT 可用性Facility 可用性 因此，数据中心从业者在考虑整个数据中心可用性时，需要将 IT 和 Facility 综合考虑。 2 2）成本支点）成本支点 成本始终是最受关注的维度之一。但是数据中心的成本不但是由建设成本（CAPEX）构成，同时也有运营成本（OPEX）以及机会成本（OPPCOST）。而且，在数据中心整个生命周期之内，仅仅是电费的支出就会超出初始建设所有设备成本的总和。因此，针对数据中心这样的 OPEX 大大超过 CAPEX 的实体，如何将成本与技术及产品方案完美结合起来，做到 TCO