弱電機柜在數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)建設(shè)中的實際應(yīng)用

馬新來

北京中鼎數(shù)科系統(tǒng)工程有限公司 北京 100000

引言

弱電機柜作為數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)建設(shè)中的一部分，作為各類服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的重要載體它的應(yīng)用至關(guān)重要，弱電機柜的應(yīng)用直接關(guān)系到數(shù)據(jù)中心在運行過程中，是否可以合理快速的解決故障、更換和部署設(shè)備；也關(guān)系到數(shù)據(jù)中心的可靠性、安全性和經(jīng)濟性，機柜內(nèi)設(shè)置電源分配單元（PDU），PDU是數(shù)據(jù)中心最末端的配電裝置，可靠性和安全性至關(guān)重要；弱電機柜的布局還影響機房的整體制冷效果，布局合理可以大大提高制冷效率，解決機房局部機柜過熱的問題。

1 機柜的常用尺寸和組成

1.1 弱電機柜常用的尺寸

弱電機柜分為網(wǎng)絡(luò)機柜和服務(wù)機柜，在數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)建設(shè)中應(yīng)用最多的是服務(wù)器機柜，常用服務(wù)器機柜的尺寸有3種，分別為（寬×深）600mm×1000mm、600mm×1100mm和600mm×1200mm，高度又可分為42U、47U和52U。這三種機柜均用于主要用于安裝服務(wù)器，為服務(wù)器提供安裝條件、配電條件、布線條件和其他運行必須的條件。

1.2 弱電機柜的組成

弱電機柜由優(yōu)質(zhì)加厚冷軋鋼板加工成型，機柜本體由11部分組成，分別為：1前門，2門鎖，3地板，4 PDU，5立柱安裝梁，6 安裝橫梁，7后門，8垂直扎線板，9框架，10頂蓋，11進線孔（如圖1[1]）。

圖1 弱電機柜解剖示意圖

前/后門為高密度通風網(wǎng)孔門，（前門）通風量大于70%，有利于機柜內(nèi)設(shè)備散熱，網(wǎng)孔采用六邊形設(shè)計，在相同鋼板厚度的情況下，可以得到更加牢靠的結(jié)構(gòu)。

地板/頂蓋采取焊接加強筋的方式，提高結(jié)構(gòu)的強度。

PDU為機柜內(nèi)末端電源分配單元，連接服務(wù)器和列頭柜，按PDU長度劃分，安裝形式有豎向安裝（圖1）形式和橫向安裝形式，按電源劃分又分為交流PDU和高壓直流PDU。

安裝立柱前后各兩根，上面標有刻度（1-42/47/52U），可實現(xiàn)服務(wù)器等設(shè)備的快速定位安裝。

安裝橫梁用于加強結(jié)構(gòu)，增大承重，同時固定立柱和垂直扎線板。

垂直扎線板用于綜合布線系統(tǒng)各類線纜的捆扎和整理。

框架為主要結(jié)構(gòu)，用于穩(wěn)定整體結(jié)構(gòu)，主要承重部件，框架底部預(yù)留有安裝孔，用于機柜本體和設(shè)備支架固定。

進線孔用于各類強弱電線纜的敷設(shè)，線纜由橋架經(jīng)進線孔進入機柜內(nèi)，機柜上部左側(cè)和右側(cè)各一個，其中一個為弱電線纜進線孔，另一個為強電進線孔。進線孔處設(shè)置毛刷，防止異物掉落機柜。

2 實際工程中的應(yīng)用

弱電機柜在實際工程應(yīng)用，主要體現(xiàn)在三個方面，一個方面是弱電機柜在主機房的布局，第二個是弱電機柜內(nèi)部布局，第三個是弱電機柜布局對制冷的影響。

2.1 弱電機柜在機房的布局

主機房的使用面積應(yīng)根據(jù)電子信息設(shè)備的數(shù)量、外形尺寸和布置方式確定，并應(yīng)預(yù)留今后業(yè)務(wù)發(fā)展需要的使用面積。當根據(jù)機房面積計算弱電機柜數(shù)量或者根據(jù)弱電機柜數(shù)量計算主機房的使用面積可按下式確定：

式中，A－主機房的使用面積（㎡）；

S－單臺機柜（架）、大型電子信息設(shè)備和列頭柜等設(shè)備占用面積，可取2.0～4.0（㎡/臺）；

N－主機房內(nèi)所有機柜（架）、大型電子信息設(shè)備和列頭柜等設(shè)備的總臺數(shù)。

機房內(nèi)主要大型設(shè)備主要有精密空調(diào)、列頭柜和弱電機柜，這3類設(shè)備尺寸最大的為精密空調(diào)，以80kW風冷為例，其尺寸為2200mm×980mm×1980mm（寬×深×高），其次為弱電機柜尺寸為600mm×1200mm×2000mm（寬×深×高），列頭柜尺寸同弱電機柜，但安裝方式有靠墻安裝和在機柜始端安裝。用于設(shè)備運輸?shù)耐ǖ酪浞挚紤]設(shè)備尺寸，在機房外設(shè)備調(diào)整好安裝方向后，考慮最大深度尺寸為980mm，同時兩側(cè)要預(yù)留250～600mm的空間，用于防止磕碰和人員運輸，設(shè)備搬運通道尺寸一般為1500～1800mm，GB50174-2017要求凈空間不應(yīng)小于1.5m[2]，通道太小影響設(shè)備搬運，太大則不經(jīng)濟。在項目實際應(yīng)用中維護空間可以和搬運通道重疊，兩者取尺寸較大的一個。

弱電機柜之間面對面布置需要考慮操作人員對服務(wù)器進行日常操作、服務(wù)器等設(shè)備的安裝、防靜電通風地板尺寸等要求。

維護人員進行服務(wù)器正常的操作和巡檢一般600mm的尺寸可以滿足；但是更換服務(wù)器設(shè)備時，需要安裝導軌設(shè)備托盤，將設(shè)備掛在導軌或托盤上推入機柜內(nèi)部，服務(wù)器尺寸深度在720mm左右，因此服務(wù)器安裝需要的凈空間要大于720mm；防靜電通風地板尺寸均為600mm×600mm，因此弱電機柜面對面布置時，尺寸一般選擇為600mm的倍數(shù)，一般選擇1200mm的寬度或者1800mm，1800mm一般應(yīng)用于47U和52U機柜。

弱電機柜背與背的間距和弱電機柜對墻體的間距，需要考慮操作人員對服務(wù)器進行日常操作、服務(wù)器等設(shè)備的安裝的要求。

弱電機柜不僅要考慮正面維護同時需要考慮背面維護的需求，除運維人員操作空間外，同樣要考慮服務(wù)器的安裝，GB50174-2017要求背面之間的距離不宜小于0.8m，在有維護要求時空間不應(yīng)小于1000mm，在實際過程應(yīng)用中考慮到防靜電地板的排布一般選擇1200mm尺寸，即為防靜電地板尺寸的倍數(shù)。

成行排列的機柜（架），其長度超過6m時，兩端應(yīng)設(shè)有通道；當兩個通道之間的距離超過15m時，在兩個通道之間還應(yīng)增加通道。通道的寬度不宜小于1m，局部可為0.8m。在實際應(yīng)用過程中均要考慮防靜電地板的排布，通道的尺寸一般為600mm的倍數(shù)。

2.2 弱電機柜內(nèi)部布局

正面立柱自下而上對應(yīng)1U至42U（47U/52U）并有明顯標識，方便安裝時可以快速定位，立柱用于安裝設(shè)備托盤/導軌，設(shè)備操作面均設(shè)置在正面。

背面設(shè)置PDU、進線孔、垂直扎線板等。

弱電機柜一般設(shè)置雙PDU，為機柜提供A/B兩路獨立電源，PDU一般8口以內(nèi)的橫向安裝，但會占用2U-3U的設(shè)備空間，減少弱電機柜內(nèi)設(shè)備安裝數(shù)量，8口以上PDU由于長度限制需要豎直安裝在垂直扎線板上，垂直扎線板相應(yīng)位置需要預(yù)留PDU的安裝位置，PUD的接口數(shù)量一般根據(jù)服務(wù)器的數(shù)量確定，最大接口數(shù)量一般為U數(shù)的50%，即42U弱電機柜最大配置為21口，47U一般配置34口，52U一般配置26口。

進線孔設(shè)置在機柜頂部，分為弱電進線孔和強電進線孔，當強電采用下進線時，可全部作為弱電進行孔使用。綜合布線各類線纜經(jīng)橋架敷設(shè)后，到達機柜位置后垂直向下，經(jīng)過進線孔進入機柜內(nèi)部。進線孔上設(shè)置毛刷，自動閉合線纜以外的縫隙，防止運行過程中異物掉進機柜內(nèi)部。

垂直扎線板安裝在弱電機柜背面左右兩側(cè)各安裝1個，當PDU不占用時可以使用兩側(cè)捆扎線纜，反之則使用一側(cè)捆扎。扎線板上有各種類型的預(yù)留孔，用于不同型號類型的捆扎材料，常用的捆扎材料有扎帶、專用線卡、魔術(shù)貼、魚骨線槽等。

弱電機柜內(nèi)部安裝的設(shè)備主要是服務(wù)器，服務(wù)器在運行過程中散發(fā)大量熱量，服務(wù)器一般安裝間距1U的空間散熱空間。根據(jù)服務(wù)器需求的不用，機柜內(nèi)通常設(shè)置不同數(shù)量的機柜托盤、L型支架用于固定安裝服務(wù)器，有滑動需求的服務(wù)器則需要配置導軌，導軌安裝在立柱上服務(wù)器則和導軌連接，需要時可以將服務(wù)器整體拉出弱電機柜外部進行操作。

2.3 弱電機柜布局對制冷的影響

弱電機柜布置不合理會導致各別部位局部過熱導致設(shè)備宕機，合理的布局可以提高數(shù)據(jù)中心的制冷效率。因此弱電機柜的布局對數(shù)據(jù)中心的安全性和經(jīng)濟行都非常重要。

弱電機柜通常結(jié)合精密空調(diào)送風模式進行布置，要遵循避免冷熱通道混用，避免在死角位置布置弱電機柜，冷通道尺寸還要結(jié)合機柜功率進行。

數(shù)據(jù)中心內(nèi)弱電機柜背對背面對面布置，形成冷通道和熱通道（圖2）。冷空氣由地板下送入弱電機柜正面，兩排弱電機柜面對面布置形成冷通道，冷空氣通過網(wǎng)孔被服務(wù)器風扇吸入服務(wù)器內(nèi)部，在服務(wù)器內(nèi)部進行熱交換后被排出進至弱電機柜背部，兩排弱電機柜背部形成熱通道[3]。地板下和冷通道均為冷空氣，熱通道和數(shù)據(jù)中心上部空間均為熱空氣，通過精密空調(diào)進行循環(huán)。

圖2 弱電機柜冷通道和熱通道

禁止第二排弱電機柜的正面布置在第一排的背面，第一排弱電機柜排出的熱空氣會被第二排弱電機柜內(nèi)的服務(wù)器吸入，無法有效地對設(shè)備散熱，如第二排機柜吸入的空氣要達到要求的話，精密空調(diào)排出的冷空氣溫度會大大降低，風量也會增加，導致第一排弱電機柜進風溫度過低，導致設(shè)備結(jié)露。同時這樣布置會導致第二排弱電機柜正面氣流紊亂，影響整個數(shù)據(jù)中心的氣流組織，導致第二排機柜局部過熱，因此禁止冷熱通道混用的布置方式。

假面板分為1U、2U、4U等規(guī)格型號搭配不同的現(xiàn)場環(huán)境，弱電機柜正面除安裝服務(wù)器的位置均需要安裝假面板，強制冷空氣通過服務(wù)器熱交換后進入熱通道進行循環(huán)，防止冷空氣通過服務(wù)器之間的空隙進入熱通道（圖3），這樣可以大大提高冷空氣的利用率，相同制冷需求的情況下，提高精密空調(diào)的運行效率，減少精密空調(diào)的運行時間，從而達到降效的目的。

3 結(jié)束語

弱電機柜的應(yīng)用是否合理直接影響著數(shù)據(jù)中心安全、高效、快捷的運行。隨著技術(shù)的發(fā)展在實際應(yīng)用過程中也結(jié)合了其他新技術(shù)新概念，例如：冷通道封閉技術(shù)、熱通道封閉技術(shù)、背板空調(diào)技術(shù)、微模塊技術(shù)等技術(shù)。我們要在實際過程中總結(jié)經(jīng)驗累積技術(shù)，結(jié)合實際情況選擇經(jīng)濟合理先進的應(yīng)用方案，努力建造一個安全、可靠、智能、快捷、綠色的新一代數(shù)據(jù)中心。

圖3 弱電機柜安裝假面板前后風向圖