不同功率密度機柜對數(shù)據(jù)中心的影響分析

景傳剛，李 楠，宋曉偉

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

0 引 言

早期的數(shù)據(jù)中心主要是電信運營商用于開展通信業(yè)務的基礎(chǔ)設(shè)施用房，通信機房中ICT設(shè)備的功率密度（平均單機架運行功耗）一般低于4 kW。隨著4G、互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，相關(guān)行業(yè)對數(shù)據(jù)中心的需求逐年增大。由于具有更高的性能、更小的占地面積，高功率密度機柜數(shù)據(jù)中心越來越多的被行業(yè)和企業(yè)青睞[1]。

高功率密度意味著機柜更大空間、更大耗電量及更大的重量等，因此對數(shù)據(jù)中心在層高、荷載、冷卻等方面提出了更高的要求。目前在用數(shù)據(jù)中心單機柜功率密度形式多樣，分為低功率密度為＜5 kW/架，中功率密度為5～10 kW/架，高功率密度為≥10 kW/架[2]。

1 機柜尺寸

不同功率密度的機柜，可容納ICT設(shè)備數(shù)量（服務器、存儲器及交換機等）不同。通常，高功率密度機柜在容納服務器、存儲器、交換機及均衡器等方面，較低功率密度機柜多，圖1為不同功率密度機柜尺寸圖。

目前，市場中在用機柜尺寸主要有1 200 mm×600 mm×2 000 mm（ 深 × 寬× 高）、1 200 mm×600 mm×2 200 mm（ 深 × 寬× 高）、1 200 mm×600mm×2 500 mm（深×寬×高）等多種規(guī)格，不同功率密度機柜，空間容量不同。表1為不同功率密度機柜尺寸表，機柜尺寸針對常規(guī)的19英寸服務器設(shè)備使用，特殊情況不計列。

由表1可知，不同功率密度的機柜，要求機柜尺寸和容量不同，設(shè)計中要考慮；高功率機柜優(yōu)選空間容量大的機柜，確保滿足需求；中低功率密度機柜，機柜選擇應考慮經(jīng)濟性。

圖1 不同功率密度機柜尺寸圖

表1 不同功率密度機柜容量尺寸表

2 機房凈高

不同功率密度的機柜，對數(shù)據(jù)中心機房的凈高要求不同[3]。層高過低，影響整個機房設(shè)備的規(guī)劃布置，且在綜合布線、機房維護等方面有較多不便。在數(shù)據(jù)中心建設(shè)時，針對不同功率密度的機柜需考慮合理的機房層高。

機房內(nèi)凈高為H，公式H=H1+H2+H3。其中，H1為設(shè)備底座高度（如有架空地板，和架空地板高度相同）；H2為ICT機柜高度；H3為機柜上方與房間梁的間距，含走線架、光纖槽道及消防噴頭等。

圖2為機房內(nèi)機柜空間布置圖。

圖2 機房內(nèi)機柜空間布置圖

針對3 kW、5 kW、10 kW等三種不同功率密度的機柜進行布置，并考慮不同空調(diào)末端方式、小母線供電等因素，得出不同功率密度機柜對機房凈高的要求，表2為不同功率密度機房凈高值表。其中，機房凈高指機房地面到主梁下高度，不含主次梁、樓板等。

因此，在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，機房的凈高需考慮不同功率密度機柜的影響，并考慮預留。對于層高較低的機房，則可從降低機柜功率密度入手，選擇合理的布置方案。

3 機房荷載

不同功率密度的機柜容納服務器等設(shè)備數(shù)量不同，對樓板荷載要求不同，表3為不同功率密度機柜滿負荷的重量表。

表2 不同功率密度機房凈高值表

表3 不同功率密度機柜重量表

圖3 不同功率密度機柜布置圖

機房內(nèi)除了布置機柜外，還有制冷空調(diào)、列頭配電柜、恒濕機及防靜電地板等。在一個使用面積為376 m2的機房中，布置功率密度為5 kW、10 kW的機柜，以分析不同功率密度機柜對樓板的荷載影響，圖3為不同功率密度機柜布置圖。

在計算不同功率密度機房荷載的過程中，設(shè)備對地面的荷載為等效分布荷載[4]，表4為不同功率密度的機房均布荷載值表。

表4 不同功率密度的機房荷載值表

因此，對于新建數(shù)據(jù)中心，機房的荷載應按照最大功率密度機柜的需求考慮。對于樓板荷載小的機房，可通過降低機柜功率密度、增大機柜布置間距等方案來滿足要求。

4 供電方式

目前，數(shù)據(jù)中心機房供電形式有交流和直流兩種。交流電壓主要為220 V、380 V，直流電壓為-48 V、240 V及336V等。不同形式的供電電壓對應機柜輸入電流值不同，影響電纜線徑選擇和供電效率，機柜輸入電流計算公式如下：

其中：IAC、IDC為輸入交流電、直流電；P為ICT機柜運行功耗；U為ICT機柜供電電壓；cosφ為交流供電功率因素，取0.85～0.95，直流電為1。

針對不同功率密度的機柜，計算出多種供電電流值，表5為不同電壓等級下的電流值表。

表5 不同電壓等級下的電流值表

由表5可知，對于高功率密度機柜，優(yōu)選較高電壓的形式供電；對于中、低功率密度機柜，供電電流不大，可采用多種形式電壓供電；如果機房供電為低電壓，機柜功率密度不宜過高。

5 空調(diào)末端形式

數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，空調(diào)末端的選用十分重要，直接影響數(shù)據(jù)中心的裝機效率。機房級空調(diào)末端可分為傳統(tǒng)型、新型應用型兩類。傳統(tǒng)型空調(diào)主要為風冷型機房專用空調(diào)（下送風、上送風）、冷凍水型機房專用空調(diào)（下送風），新型空調(diào)末端方式有列間空調(diào)末端（冷凍水型、重力熱管型及動力熱管型）、背板空調(diào)（冷凍水型、重力熱管型及動力熱管型）。

對于傳統(tǒng)型空調(diào)末端，對機房環(huán)境整體降溫，能夠適應不同的設(shè)備氣流組織，空調(diào)數(shù)量相對少，維護方便，但是需要獨立空調(diào)區(qū)域，占用機房空間，且制冷效率偏低。

對于列間空調(diào)末端，列間空調(diào)更加貼近熱源，氣體輸送距離短，采用封閉冷（熱）通道措施可以優(yōu)化氣流組織，其不足是占據(jù)部分機架位置。

對于背板空調(diào)末端，對機柜解耦度不高，裝機率高，但是數(shù)量較多，安裝維護工作量大。表6為常用空調(diào)末端的參數(shù)值表，按照機柜進出風溫度18～27 ℃，機房內(nèi)濕度＜60%考慮；尺寸、顯冷量按照常用數(shù)據(jù)統(tǒng)計，以實際工程為準，本表供參考。

表6 為常用空調(diào)末端的參數(shù)值表

在一個電力充足、使用面積約376 m2的數(shù)據(jù)中心機房中，冷凍水溫度相同的情況下，對3 kW、5 kW、10 kW三種不同功率密度的機柜進行布置，分別采用冷凍水型機房專用空調(diào)、列間空調(diào)（冷凍水型、重力熱管型、動力熱管型）、背板空調(diào)（冷凍水型、重力熱管型、動力熱管型）進行測算模擬，相應的裝機數(shù)量不同，圖4為不同功率密度的裝機數(shù)量圖。

由圖4可知，不同功率密度的機柜，采用不同空調(diào)末端，裝機數(shù)量差別較大；中、高功率密度機柜優(yōu)選熱管背板型空調(diào)，次之為列間空調(diào)末端；低功率密度機柜的空調(diào)末端形式選擇較多，根據(jù)需求選用經(jīng)濟節(jié)能型。

圖4 不同功率密度的裝機數(shù)量

6 結(jié) 論

本文首先對不同功率密度的機柜進行了高、中、低三種類別劃分，并分析了不同功率密度的機柜對數(shù)據(jù)中心機房層高、機柜尺寸、機房荷載、供電電壓、空調(diào)末端等多方面的影響，得出了相應結(jié)論。通過本文的分析，對不同功率密度的數(shù)據(jù)中心的建設(shè)提供了一些技術(shù)方案，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心建設(shè)的高效、綠色、節(jié)能。