高校模塊化數(shù)據(jù)中心機房的規(guī)劃與設計

摘" 要：隨著高校智慧校園的建設，IT設備數(shù)量不斷增加，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心擴展不靈活、能效低下的問題越來越突出。模塊化數(shù)據(jù)中心采用預制化的模塊設計，將冷通道系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)等進行整合，實現(xiàn)機房的快速部署，提升業(yè)務擴展的靈活性，實現(xiàn)綠色節(jié)能。模塊化數(shù)據(jù)中心的建設不僅能夠很好地解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心存在的弊端，還能提高數(shù)據(jù)中心的安全性、可靠性以及維護的便捷性，從而實現(xiàn)機房的智能化管理。文章以江蘇科技大學新校區(qū)IDC建設為例，介紹學校模塊化數(shù)據(jù)中心建設經(jīng)驗。

關鍵詞：IDC；模塊化；數(shù)據(jù)中心；機房建設

中圖分類號：TP391；TP308 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2025）01-0151-05

Planning and Design of Computer Room for Modular Data Center in Colleges and Universities

Abstract： With the construction of smart campus in colleges and universities， the number of IT devices is constantly increasing. The problems of inflexible expansion and low energy efficiency of traditional data centers are becoming more and more prominent. The modular data center adopts the prefabricated module design to integrate the cold aisle system， power supply and distribution system， refrigeration system to achieve rapid deployment of the computer room， enhance the flexibility of business expansion， and achieve green energy conservation. The construction of the modular data center can not only well solve the drawbacks existing in the traditional data centers， but also improve the security， reliability and convenience of maintenance of the data center， so as to realize the intelligent management of the computer room. This paper takes the IDC construction of the new campus of Jiangsu University of Science and Technology as an example to introduce the construction experience on the school's modular data center.

Keywords： IDC; modular; data center; computer room construction

0" 引" 言

隨著云計算、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)和5G技術的深入發(fā)展[1]，高校的信息化建設取得了飛速的發(fā)展，各種信息化技術已全方位滲透到高校的教學、科研、管理以及生活領域，師生對信息化的倚重程度持續(xù)攀升。隨著信息系統(tǒng)的不斷增多，由此生成了海量的信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的重要性愈發(fā)顯著，數(shù)據(jù)的安全也面臨著各類風險。數(shù)據(jù)中心作為最基礎的信息化設施，是信息化建設的根本所在，建設一個安全、綠色、環(huán)保和節(jié)能的數(shù)據(jù)中心機房已然成為高校信息化發(fā)展的要點。

江蘇科技大學夢溪校區(qū)機房采用傳統(tǒng)方式建設，設備設施老舊，已無法滿足學?，F(xiàn)有信息化建設發(fā)展的需求，亟須建設滿足學校信息化發(fā)展需求的數(shù)據(jù)中心機房。模塊化數(shù)據(jù)中心采用模塊化設計理念，集成供配電、制冷、機柜、綜合布線、動環(huán)監(jiān)控等子系統(tǒng)，具備快速部署、靈活擴展、易于維護、建設成本低以及綠色節(jié)能等特點。學校以新校區(qū)建設為契機，提前謀劃，整體設計，建成了一個技術先進，安全穩(wěn)定、環(huán)保節(jié)能的模塊化數(shù)據(jù)中心，為學校的高質量發(fā)展提供條件保障。

1" 總體規(guī)劃

江蘇科技大學新校區(qū)數(shù)據(jù)中心機房按照國家B級標準規(guī)劃建設，機房位于圖書館二樓東側，總建筑面積約747平方米。根據(jù)功能劃分為五個區(qū)域，分別為主機房、UPS間/配電間、氣體鋼瓶間、通風機房以及運行監(jiān)控中心。

主機房面積約525平方米，主要用于安裝5組模塊化機柜，其中4組服務器機柜，1組網(wǎng)絡設備機柜，承載學校的網(wǎng)絡以及業(yè)務的運行；UPS間/配電間面積約87平方米，用于安裝輸入輸出配電柜以及UPS設備等；氣體鋼瓶間安裝消防氣瓶以及消防報警設備等；通風機房用于安裝機房通風設備；運行監(jiān)控中心用于安裝顯示大屏，實時監(jiān)控機房運行狀況。平面布局圖如圖1所示。

模塊化數(shù)據(jù)中心主要由供配電系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、機柜系統(tǒng)以及動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)和消防系統(tǒng)組成[2]。模塊化數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)了關鍵設備的標準化建設[3]，產(chǎn)品出廠前進行預安裝，可大大縮短數(shù)據(jù)中心機房建設周期。模塊化數(shù)據(jù)中心具備靈活的擴展性，可根據(jù)實際的業(yè)務需求，動態(tài)的調整機房的配電和制冷，降低運營成本，提高數(shù)據(jù)中心資源的利用率以及整體的運行效益。

2" 模塊化數(shù)據(jù)中心設計

2.1" 機柜冷通道系統(tǒng)設計

江蘇科技大學數(shù)據(jù)中心機柜采用冷通道封閉方案，共建設5組冷通道，其中1組網(wǎng)絡設備冷通道，4組服務器冷通道，冷通道實物圖如圖2所示。

冷通道組件主要由玻璃天窗、玻璃移門、機柜、消防聯(lián)動組件、環(huán)境監(jiān)控組件、照明組件等組成。機柜前后面板均為網(wǎng)孔設計，兩排機柜相對放置，中間留出1.2米寬的過道，過道兩端安裝雙開玻璃推拉門，過道上方使用玻璃天窗封閉，形成一個封閉空間[4]。通過冷通道將冷空氣封閉于通道內，有效地阻止冷空氣與熱空氣的混合，使冷空氣更集中流向設備進風口，減少冷量的浪費，從而極大地提高空調的制冷效率，降低機房整體的PUE值，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

冷通道內每列設置1個配電列頭柜和2個網(wǎng)絡布線柜，用于冷通道各機柜的供配電及弱電線路布線。冷通道內的配電柜采用智能精密列頭柜，安裝于冷通道的首端，單列配電柜負責整個冷通道內所有機柜的其中一路供電，后期一旦發(fā)生故障，可關閉該列智能精密列頭柜，不影響業(yè)務的正常運行，便于后續(xù)的維修。

網(wǎng)絡區(qū)機柜采用800 mm（W）×2 000 mm（H） ×1 200 mm（D）機柜，提供標準網(wǎng)絡機柜24個，用于安裝學校校園網(wǎng)和設備網(wǎng)的核心交換機、路由器以及各類網(wǎng)絡安全設備；服務器區(qū)提供服務器機柜92個，服務器區(qū)采用分區(qū)分級設計，提供10 kW和5 kW兩種容量機柜；服務器區(qū)域冷通道內網(wǎng)絡布線柜采用800 mm（W） ×2 000 mm（H）×1 200 mm（D）機柜，便于后期的走線；服務器區(qū)其他機柜均采用600 mm（W）×2 000 mm（H）×1 200 mm（D）機柜。

2.2" 供配電模塊設計

供配電系統(tǒng)是保障數(shù)據(jù)中心安全可靠運行的關鍵基礎設施[5]。如圖3所示，學校數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)采用380 V/220 V，50 Hz，接地系統(tǒng)采用TN-S方式，進線電源采用三相五線制。從大樓配電間引入雙路市電至配電間內ATS后，接入至相應的配電柜，分別給UPS、空調等設備供電。

大樓配電室提供4路電源至UPS間/配電間，其中2路容量分別為450 kVA為機房動力提供電源，動力設備主要有空調、新排風機、照明及插座等；另外2路容量分別為640 kVA為機房UPS提供電源，為網(wǎng)絡設備、服務器等設備供電。機房預留柴油機發(fā)電接口，柴油發(fā)電機接口處的開關與各路供電線路開關互鎖，確保用電安全。當雙路市電停電后，可租借發(fā)電車，接入發(fā)電機接口供電，以保證業(yè)務的正常運行。

兩路機房動力進線通過2臺ATS切換后分別承載50%機房動力設備，當其中一路發(fā)生故障時，通過ATS切換另一路可承擔機房動力設備的全部負載。兩路機房UPS進線通過兩臺ATS切換后分別承載一路機房UPS設備，當其中一路發(fā)生故障時，通過ATS切換另一路可承擔機房兩臺UPS設備的全部負載。

雙路UPS供電及動力供電經(jīng)過ATS后分別輸出至UPS輸入柜和動力輸入柜。由UPS輸出柜分別輸出至各冷通道智能配電列頭柜，每列的智能配電柜負責整個冷通道設備一路供電，各智能列頭柜可實時監(jiān)測各個機柜的設備用電情況，包括開關狀態(tài)，電流大小、機柜功率情況等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心用電的精細化管理。

UPS系統(tǒng)采用模塊化熱插拔功率模塊的雙總線設計。機房設計兩臺模塊化UPS，組成雙母線2N供電模式，即單路運行時各負擔50%用電負載。本次UPS配置容量為150 kVA，通過功率模塊疊加，單臺UPS主機容量可擴展至600 kVA。與傳統(tǒng)UPS相比，模塊化UPS冗余配置多個功率模塊和控制模塊等，各個功能模塊相互獨立，一個模塊出現(xiàn)故障并不影響其他模塊的正常工作[6]，利用模塊的可熱插拔特點，出現(xiàn)故障的模塊可迅速將其隔離并進行在線更換，縮短維修時間，保障UPS的不間斷工作。

每個服務器及網(wǎng)絡機柜提供2路電源，服務器及網(wǎng)絡機柜內各安裝2條PDU，網(wǎng)絡接入?yún)^(qū)內每個機柜的配電容量為3 kW，中密度區(qū)每機柜的配電容量為5 kW，高密度區(qū)每個機柜的配電容量為10 kW。

2.3" 制冷系統(tǒng)設計

江蘇科技大學數(shù)據(jù)中心機房采用“風冷行級精密空調配合封閉通道”的制冷方式，風冷級行級空調與機柜共同組成封閉通道，實現(xiàn)冷熱空氣隔離。冷風直接輸送到冷通道，進入服務器機柜，設備排出的熱空氣被空調機組吸回，熱風不再進入機柜的前面，有效防止冷熱氣流短路[7]。

數(shù)據(jù)中心機房內主要的熱量來源于網(wǎng)絡設備、服務器、存儲設備以及UPS、空調系統(tǒng)和照明等輔助系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的熱量。一般數(shù)據(jù)中心空調制冷量采用以下式計算：

Q = W×0.8×（0.7～0.95） + {（80～200）×S }/1 000

其中Q為制冷量，W為設備功耗，單位kW；0.8為功率因數(shù)；0.7～0.95為發(fā)熱系數(shù)，即有多少電能轉化為熱能；80～200是每平方米的環(huán)境發(fā)熱量，單位是W；S為機房面積，單位是平方米。

根據(jù)各通道內的機柜設計容量，配置不同數(shù)量的行間空調，保障各通道的制冷需求。本次機房采用冷通道封閉方案，制冷區(qū)域僅限冷通道內，因此公式中的S可忽略不計。如圖4所示，高密度區(qū)冷通道中，服務器機柜合計24個，單機柜功率為10 kW，因此設備功耗W為240 kW，發(fā)熱系數(shù)取0.95，則通道內制冷量Q = 240×0.8×0.95 = 182.4 kW。因此，采用單臺制冷量為40 kW列間級空調需要5臺，為保證模塊化數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)可靠性，采用N + 1的冗余配置，因此高密度區(qū)需要40 kW行間級空調6臺。對于單機柜容量為5 kW的通道，根據(jù)發(fā)熱量配置4臺制冷量為42 kW的空調；網(wǎng)絡冷通道根據(jù)發(fā)熱量配置2臺制冷量為25 kW的空調?？紤]到空閑機柜以及機柜內設備間的間隙，以加裝盲板的方式減少冷空氣外泄損失，提高制冷效率[8]。

冷通道內的每臺空調均可獨立控制，任何一臺出現(xiàn)故障不會影響冷通道內的制冷效果?？照{采用EC風機，可根據(jù)冷通道內溫度情況，按需制冷，提升空調的制冷效率。空調具備智能群控功能，大大提升空調的可用性。

2.4" 動力與環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計

動力與環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)機房的供配電、環(huán)境、安防等子系統(tǒng)進行集中監(jiān)控和統(tǒng)一管理[9]。實現(xiàn)對各子系統(tǒng)運行情況的實時監(jiān)控，通過實時采集的數(shù)據(jù)，進行分析處理，通過可視化技術直觀展現(xiàn)機房相關基礎設施的運行情況，為數(shù)據(jù)中心機房的運行管理提供智能化手段，為數(shù)據(jù)中心的長期可靠運行提供技術保障。

數(shù)據(jù)中心機房主要監(jiān)控的對象包括：各配電柜的電壓、電流情況、各冷通道配電列頭柜各回路電流、電壓情況、空調運行情況、UPS主機工作情況、冷通道內、外溫濕度、UPS間溫濕度以及氫氣情況、門禁、視頻監(jiān)控等。如圖5所示，通過運行監(jiān)控平臺以及各冷通道顯示屏，可實時掌控機房基礎設施的運行情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，系統(tǒng)自動通過短信、郵件等方式告警，機房管理人員可第一時間處理，從而保障數(shù)據(jù)中心機房的安全穩(wěn)定運行。

2.5" 消防系統(tǒng)設計

根據(jù)機房內設備的性質以及機房布局要求，消防系統(tǒng)采用有管網(wǎng)全淹沒氣體滅火系統(tǒng)。系統(tǒng)設計3個保護區(qū)，分別為：UPS間、網(wǎng)絡區(qū)和服務器區(qū)。各保護區(qū)設置一定數(shù)量的煙感、溫濕度傳感器以及聲光報警裝置，一旦檢測到火災，消防系統(tǒng)第一時間觸發(fā)聲光報警，供電系統(tǒng)自動斷電，冷通道天窗自動打開，機房門禁解除[10]。30秒后消防系統(tǒng)噴灑消防氣體，氣體瞬間將相應的保護區(qū)域充滿，從而有效地避免火災的蔓延。

3" 建設成效

如圖6所示，目前學校數(shù)據(jù)中心機房已正式投入使用，數(shù)據(jù)中心的建成，一方面解決了老校區(qū)機房空間不足的問題，另一方面極大提升了學校的信息化基礎設施水平。隨著新校區(qū)的搬遷，學校所有的服務器及網(wǎng)絡核心設備均部署在數(shù)據(jù)中心機房，實現(xiàn)了資源的集中管控，提高了資源的使用效率。隨著模塊化機房的使用，現(xiàn)有的機房PUE值明顯低于夢溪校區(qū)機房，借助功能完善的動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)機房的可視化管理，降低機房的運行成本，提升管理效率。

4" 結" 論

通過封閉冷通道技術，模塊化UPS、行間級空調使用，可實現(xiàn)機房的快速部署、靈活擴展以及數(shù)據(jù)中心的精細化管理，實現(xiàn)高效節(jié)能的目的。在國家大力發(fā)展新基建的背景下，模塊化數(shù)據(jù)中心的建設是高校數(shù)據(jù)中心機房建設的必然趨勢。

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