數據中心建筑設計探究

李 峰 中通服咨詢設計研究院有限公司中級建筑師

隨著5G 時代的到來，數據業務逐漸呈現出大帶寬、大容量、低延時、大連接等特點。數據中心是數據業務的載體，隨著新興技術的發展，數據中心的建筑模式開始引起數據中心設計人員及運營人員的關注。

1 數據中心的內涵及設計特點

數據中心主要用于存放IT 設備，伴隨IT設備的不斷演進，數據中心建筑設計也在不斷發生著變化，數據中心的電力、供冷需求和空間尺寸也在不斷改變。伴隨信息產業與互聯網產業的不斷發展，數據中心的建設規模逐漸擴大。除了互聯網企業、通信運營商以外，政府機關、大型企業、銀行等都離不開數據中心。它以成為現今社會不可或缺的建筑類型。

數據中心的使用周期大約是50 年，在建成之后，隨著IT 設備的需求變化，它的空間組合、設備配套形式以及結構等可能會無法滿足IT 設備的需求，哪怕只進行局部改造，也會耗費大量的資金[1]（見圖1）。

圖1 數據中心空間設計

2 數據中心建筑與傳統建筑在設計理念與方法方面的差異

傳統建筑能夠為人們的活動遮風擋雨，起到防火、防盜、屏蔽外力侵害的作用，服務的主體是人；數據中心建筑也可以提供這些功能，但服務主體是互聯網服務的機柜。如果在設計中忽視這一點，會多走很多彎路。

在某數據中心建筑設計中，該地塊位于十字路口的一角，出于對城市景觀的考慮，把機房樓設置為兩頭尖的梭形。此種規劃比較符合使用需要，但隨著后續的不斷發展，發現尖角空間作為機房的使用率非常低。在數據中心建筑設計中，需要遵循“以服務器為本、以工藝要求為主導”的原則。

與傳統建筑設計中的牽頭部門不同，數據中心的建筑設計則是雙龍頭專業，即建筑專業與工藝設計專業，前者對工藝要求的相關土建標準不夠熟悉，需要得到后者的支持，后者對建筑規范不夠了解，需要借助前者的專業知識確保方案落地。

3 數據中心的分類與等級

數據中心可以分為自用型與出租型，它們在功率、密度以及連鎖反應等方面存在差異。

出租型數據中心主要面向不需要自建機房的中小客戶，其數據量是有限的，通常租幾個機柜或者是機柜中的幾臺機器即可，對于這類機房來說，對安全等級的要求也比較低。因此，其配套的供電系統和制冷系統要求都會下降，反映在建筑設計方面，即主機房的“得房率”要略高于配套機房，對一些高保障性的構筑物需要較少，比如蓄冷機房、排煙設備、柴油發電機房等。

自用型機房與之相反，通常業主都是一些比較有實力的大企業。自用型機房密度的提高對保障系統提出了更高的要求：發熱量更高，所以對冷卻能力有著更高的要求，對供電能力要求也比較高。因為具有自用的特點，業主對此類機房的節能效果有著非常高的要求。

受這些因素的影響，自用型機房的占比更高，對數據中心建筑設計的綜合布線和一體化橋架提出了更高的要求。按照數據中心機房等級的不同，不同工藝提供方是不同的，但是業內主要利用ASNI 標準統一劃分數據中心建筑的等級，將其分成4 個等級，即T1、T2、T3、T4。國內數據中心機房的等級主要是T3、T4，由于T4 的成本比較高，所以衍生出了T3+的標準[2]。

4 數據中心建筑設計的要點

在數據中心的設計建造中，需要耗費大量的資源。隨著時代的不斷發展，低碳、環保的數據中心建設受到越來越多的關注，因此在工程建設的前期規劃階段，應當把綠色、環保放在首要位置，分別從設計階段、施工階段和運營階段逐層落實，更好地實現建筑目標。數據中心建設工程較為復雜，一方面需要滿足建筑使用功能，另一方面要按照項目特點展開綜合的工藝設計、結構設計、機電設計等工作，提升該建筑設計的合理性、可靠性、靈活性與安全性，整體提升運維管理水平。

4.1 數據中心建筑空間的組合

4.1.1 功能和空間組成

目前，數據中心已經歷了4 個發展階段：第1 階段是大型計算機；第2 階段是小型機和PC 服務器；第3 階段是互聯網與寬帶；第4 階段是高密度云計算平臺。但是，其功能空間并未發生較大變化，空間組成主要包括公共用房、數據機房和基礎配套設備等。

4.1.2 空間組合特點

在數據中心建筑中，各個機房空間不具備嚴格的流線標準，各個機房通過各類工藝孔洞實現互相溝通和聯系。項目建筑的基礎設備布置中，為了便于布置管線，常采取集中設置管線的方式，因此應結合氣體消防分區的標準設置氣體消防氣瓶?？照{風柜房以及電池電力室應采取分組布置，其余的空間要依據人流和機柜的進出情況進行設計。

數據中心是逐步投入裝機運營的，因此在空間組合工作中，應采取模塊化配置的方式合理設置通信機房、空調風柜房和電池電力室。各個機房模塊中包含了很多不同類型的機房，整個機房按照不同的模塊逐漸投入使用。

按照不同的溫度，可以將數據中心分成冷空間、暖空間以及熱空間。其中，冷空間主要包括交換機房、數據機房、電池電力室及傳輸機房等，具有恒溫供冷的特點；暖空間主要包括公共空間、未投入使用的機房等；熱空間主要包括高低壓變配電房、空調制冷機房及自備發電機房等，該空間不設置空調，但設備會少量發熱。為了減輕冷熱空間上下和左右的冷凝結露，需要從空間組合方面避免冷空間和熱空間相鄰，如果不能避免冷熱空間相鄰，必須采取相應的保溫措施。

4.1.3 數據中心層高

數據中心層高的影響因素非常多，具體包括空調風管高度、橋架高度、走線架高度、結構高度和消防管線高度等。在使用過程中，消防管線高度、結構高度、架空地板高度和空調風管高度通常是保持不變的，但是隨著IT設備的更新換代，機架高度與走線架高度會發生相應的改變。

數據中心建筑的層高是提升機房空間對IT 設備適應性的關鍵指標，但是層高并非項目建筑成本控制的敏感指標，在實際設計中通常要留有一定的冗余，層高通常大于5.4 m。

4.2 數據中心造型和外墻構造方法的確定

數據中心建筑的機房空間是一個恒溫、恒濕的空間，因此對于項目外墻來說，保溫是首要的標準。在選擇建筑外墻與造型材料時，不可以將窗的面積設計得過大，同時還要科學設計外墻保溫結構。

南方地區氣候濕熱，降雨較多，對于在南方地區建設的數據中心建筑，由于長時間遭受室外溫差的影響，外墻很容易出現裂縫，如果遇到暴雨天氣，雨水可能會順著裂縫進入機房，影響數據中心的運行安全。因此在設計時應盡量使用幕墻類的外墻材料，使幕墻外飾面和基層的墻體之間保持10 ～15 cm 的距離，就算雨水滲進外墻也無法進入機房[3]。

4.3 合理選擇數據中心的結構和建筑設備

4.3.1 數據中心的結構

一般情況下，IT 設備更新換代的時間大概在5 ～10 年。結合當前數據設備的發展趨勢，IT 設備的重量會不斷增加，在實際設計期間，應適當提升機房樓面等效均布活荷載。為有效提升數據中心對于未來數據設備的適應能力，在通信數據中心的結構設計中，需要提高樓面等效均布活荷載的數值。

4.3.2 空調系統

隨著IT 設備的不斷更新，空調系統的設計也在不斷優化，當前常用的空調制冷系統主要可以分為3 種，分別是集中水冷制冷系統、集中風冷制冷系統和分散式制冷系統。隨著大規模、高發熱量數據中心的建設與發展，集中水冷制冷系統的應用越來越廣泛。在空調的送風形式方面，先冷機房后冷設備的送風方式已經不再適用，逐漸被機架內設冷通道以及分設冷熱通道的送風方式取代，其中，機架內設冷通道方式的送風效率更高。

4.3.3 電源

數據中心建筑的電源工程包含許多內容，包括備用電源、外電引入、高低壓變配電等，在電源的穩定性方面具有非常高的要求。外電引入需要有兩個穩定的獨立電源，分別引入兩路10 kV 供電線路。同時，還要精心設計柴油發電機的備用電源，5 kW 的數據中心耗電量大概是1 kW/m2，約是普通辦公樓的10 倍。

大型數據中心建筑的用電量在超過40 MVA時，地塊應當預留專用的變電站，同時使用110 kV 電壓或者更高的電壓進行供電，為每個110 kV 變電站預留3 100 m2的建設用地。此外，外電容量也是大型數據中心建筑設計規模的重要影響因素，在制定大型數據中心建筑的詳細建設規劃時，需要做好供電規劃工作。

4.4 平面交通流線的優化設計

針對那些規模超過3 000 個標準機架的單體數據中心，必須保證機房平面交通流線的便捷，為室內各類管線提供充足的承載空間。在機房平面交通空間設計方面，常采用回字形布局和工字形布局。例如，在3 600 m2的標準層設計中，工字型形的交通平面設計需要注意以下幾點。第一，連接兩大消防分區4 個主機房空間和4 個安全疏散樓梯，保證安全的前提下最大限度地利用走道空間[4]。第二，走道的設計便于各類管線在未穿越機房的狀態下保證貫通，更好地保障機房的內部安全。第三，確保安全疏散通道與逃生通道連接標準層的各個功能房，保證室內走廊任意一點到達出口的距離滿足國家的有關標準，盡量縮短疏散的距離，保證走道沒有疏散死角。第四，電池室、空調風柜室、電力室以及主機房等都需要設置一個面向走道的獨立出入口，便于實現對機房的分級、分區管理，更好地滿足高端租戶的使用需要。

4.5 柴油發電機的優化設計

為了給數據中心提供穩定的電力保障，在項目建筑中，需要給柴油發電機房預留一定的功能空間，在確定建設規模之后，功能空間的大小也會引起出架率的變化。例如，對于一棟自帶基礎設施可以自行生產運營的大型數據中心，采用的分區規劃方式為室外集裝箱油機和首層室內柴油發電機房兩種，首層建筑沿著建筑的短邊分別設置了8 臺0.4 kV 的低壓發電機，室外對應位置處設置了6 臺0.4 kV 的低壓發電機。

低壓發電機的布置原則如下。第一，在本次設計中，將柴油發電機安裝在數據中心建筑中，沒有使用室外柴油發電機布置的計劃，從場地規劃的角度來看，可以減小構筑物的占地面積，降低建筑的密度，減少建筑數量。第二，首層和室外分別設置了柴油發電機，能夠突破首層柴油發電機過多占用室內空間的問題，給其余的設備預留更多的功能空間。第三，上下各設置了低壓柴油發電機組，遵循節約母線長度、就近供電的基本原則，首層的8 臺柴油發電機為1 ～3 層提供用電保障，屋面設置的6 臺柴油發電機為4 ～6 層提供用電保障，在供電規劃方面能夠降低損耗，節省運維的成本[5]。

綜上所述，數據中心的設計需要綜合考慮各類設計影響因素，在綜合權衡利弊后設計合理的方案，滿足不同業主的多元化需求。此外，數據中心設計的關鍵點不是一成不變的，需要業主、設計師和運維工作人員的相互配合，充分發揮出建筑設計師在數據中心建筑設計中的協調能力。

5 結語

隨著信息產業與互聯網產業的不斷發展，數據中心的建設規模逐漸擴大，數據中心的建筑設計受到越來越多的關注。數據中心設計人員應當充分了解數據中心的需求特點，準確把握數據中心設計環節中需要重點關注與配合的問題，保證數據中心設計的質量與效率，以更好地滿足業務需求。