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【摘 要】 文章简要论述了大型数据中心规划的概念，分析了数据中心主要系统对物理环境的要求，详细阐述了数据中心与民用建筑在结构上的区别，提出在规划建设上应关注IT、业务及场地等各方面的需求，优先满足数据中心用电、制冷、面积三个相互制约的基本条件，提高数据中心可用性级别，降低运营成本。
【关键词】 数据中心；规划；建设；模快化设计
【中图分类号】 TU17 【文献标识码】 A 【文章编号】 1727-5123（2012）03-004-03
随着ＩＴ技术的迅猛发展，数据中心正以空前的速度拓展计算能力。Ｇｏｏｇｌｅ在２００９年提出的“数据中心就是计算机”口号，正是这一趋势的最佳注释。在中国，甚至有不少面积超过几万平方米的大型数据中心正在如火如荼地建设。与传统的民用建筑相比，数据中心的建设具有其专业特性。微软数据中心业务总经理凯文蒂蒙斯说，“在数据中心破土动工之前有７０％的设施必须要解决经济学问题”。本文将就数据中心的规划与建设方案和实践方法展开讨论。
1 数据中心规划的概念
1.1 数据中心的规模。数据中心的规模涉及三个因素：面积（Ｓｐａｃｅ）、电量（Ｐｏｗｅｒ）、制冷量（Ｃｏｏｌｉｎｇ），简称ＳＰＣ，最终能够实际使用的规模取决于ＳＰＣ三者中的短板。民用建筑规模的核心指标是面积，而数据中心规模三因素中电量是核心指标。对于新建的数据中心，有了电量规模就可以直接推导出制冷量规模，可以从容地在设计中考虑制冷。而面积则有一定的弹性，面积不足时可以做高密度设计，即在一个机柜中放入更多的ＩＴ设备，从而在一定范围内提高单位面积的计算能力，也节省了面积。值得一提的是，并不是密度越高越好，当密度高到一定程度后（具体密度值依赖于具体设计方案），进一步提高密度反而不省面积（因为支撑它的电力和空调设备所占的面积会增加），造价也显著提高。民用建筑的造价一般由面积决定，而数据中心的造价主要由电量和可用性级别决定，面积对数据中心造价的影响很小。①电量。涉及三个方面：ａ．ＩＴ关键负载，即ＩＴ设备的实际用电负载；ｂ．总用电负载，即数据中心的总用电负载，包括ＩＴ设备、空调、照明等的负载；ｃ．市电进线容量，即向供电局申请的用电容量。如果ＩＴ关键负载为１０００ｋＷ，在一个比较节能（ＰＵＥ＝１．６）的绿色数据中心，总用电负载为１０００×１．６＝１６００
ｋＷ，市电进线容量需求大约为１６００／０．９≈１８００ｋＶＡ，考虑适当容量冗余，向供电局申请的市电进线容量为２０００ｋＶＡ，高等级数据中心要申请两路各２０００ｋＶＡ的单独进线。②面积。ａ．ＩＴ设备区占用的面积，也常被称为“高架地板面积”；ｂ．机电设备区面积，即空调、电气设备占用的面积；ｃ．其他功能区面积，主要指辅助性功能区域的面积，如监控室、休息室、备品备件室等，完全按照业主需求设置。
功率密度是一个与电量和面积有关的概念，是ＩＴ关键负载与ＩＴ设备区面积的比值，其数值越高表示单位面积的耗电越高，计算能力也越强。在实践中，新建数据中心的常见功率密度在１～２．５ｋＷ／ｍ２，专门设计的高密度数据中心可达到５ｋＷ／ｍ２以上。级别越高、功率密度越高，机电设备区面积也要越大。一个功率密度为１ｋＷ／ｍ２的等级４的数据中心，ＩＴ与机电区面积的常见比值为１：３（经验值），即１０００ｍ２的ＩＴ设备区面积，需要３０００ｍ２的机电设备区面积。
1.2 数据中心的可用性级别。提供尽可能高的可用性是数据中心的核心价值。数据中心的可用性通过机电系统的不同冗余设计体现出来。表１列出了数据中心可用性级别的常见标准。国家标准Ａ级大致对应了Ｕｐｔｉｍｅ标准的等级４和等级３，Ｂ级对应了等级２，Ｃ级对应了等级１。
表１ 数据中心可用性级别的常见标准
数据中心级别越高停机时间越短，停机业务损失越低，但建造和运行的投入成本显然越高。理论上可以通过算经济账来决定合适的等级，但业务损失不经过专业评估往往不易量化，也可采用同业参考的方法辅助决策。
1.3 数据中心的主要系统。数据中心有众多子系统，其中最核心的是电气系统和空调系统，这两者一般占数据中心总基建投资的７０～８０％。电气系统提供供电保证，设计核心是发电机和ＵＰＳ 的冗余拓扑结构。假设３台ＵＰＳ的容量能够达到数据中心负载（Ｎ＝３），常见的２Ｎ设计会使用６台ＵＰＳ（３主＜４５ｆ７＞ ＜８Ｆ３备），而ＲＲ设计则使用４台ＵＰＳ（３主１备），除此之外还有Ｎ＋１，ＤＲ，２（Ｎ＋１）等不同的拓扑结构，具有不同的可用性指标。
空调系统解决散热问题。ＩＴ设备工作时会产生大量热量，如不及时送走这些热量，会因过热而停机。空调系统有“水冷”（冷冻水系统空调）和“风冷”（自带压缩机风冷空调）之分，水冷系统的初期投资比风冷系统高，但规模较大的数据中心采用水冷系统会更节能，规模越大节能效果越明显。对于一个１０００ｋＷ的数据中心，一般２～３年内水冷系统节省的电费就能超过增加的初期投资。
1.4 绿色数据中心指标ＰＵＥ。ＰＵＥ为数据中心能源效率（Ｐｏｗｅｒ Ｕｓａｇｅ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ），计算公式：ＰＵＥ＝中心总用电量／ＩＴ设备用电量。输入到数据中心的电量经过供电系统的损耗之后，有部分供给了空调系统，还有照明、电梯等楼宇设施的用电，真正被ＩＴ设备使用的电量只是总电量中的一部分（见图１）。
图１ 数据中心耗能示意
ＰＵＥ＝１时意味着数据中心所有的电量都供给ＩＴ设备使用（理论上的最高能效），ＰＵＥ＝２时意味着ＩＴ设备每用１度电，非ＩＴ设备也要用１度电。常见的ＰＵＥ值在２．２以上，甚至高达３．０，而绿色数据中心的ＰＵＥ值可达到１．６甚至更低。低ＰＵＥ的获得主要依赖于空调系统的设计和散热的气流组织，需要综合采用各种节能技术，包括自然冷却技术。
以表２为例说明低ＰＵＥ设计的价值：这是一个分两期实施的大型数据中心，一期总电量约为１３ＭＷ，ＰＵＥ为２．２０时最大ＩＴ负载约为６ＭＷ，而ＰＵＥ为１．５５时最大ＩＴ负载约为８ＭＷ，在总电量不变的情况下能够比前者多安装５０００台标准服务器。当ＩＴ负载达到６ＭＷ时，两者每年的电费差异就高达近２５００万元（电费常常接近数据中心总运行成本的一半）。
【关键词】 数据中心；规划；建设；模快化设计
【中图分类号】 TU17 【文献标识码】 A 【文章编号】 1727-5123（2012）03-004-03
随着ＩＴ技术的迅猛发展，数据中心正以空前的速度拓展计算能力。Ｇｏｏｇｌｅ在２００９年提出的“数据中心就是计算机”口号，正是这一趋势的最佳注释。在中国，甚至有不少面积超过几万平方米的大型数据中心正在如火如荼地建设。与传统的民用建筑相比，数据中心的建设具有其专业特性。微软数据中心业务总经理凯文蒂蒙斯说，“在数据中心破土动工之前有７０％的设施必须要解决经济学问题”。本文将就数据中心的规划与建设方案和实践方法展开讨论。
1 数据中心规划的概念
1.1 数据中心的规模。数据中心的规模涉及三个因素：面积（Ｓｐａｃｅ）、电量（Ｐｏｗｅｒ）、制冷量（Ｃｏｏｌｉｎｇ），简称ＳＰＣ，最终能够实际使用的规模取决于ＳＰＣ三者中的短板。民用建筑规模的核心指标是面积，而数据中心规模三因素中电量是核心指标。对于新建的数据中心，有了电量规模就可以直接推导出制冷量规模，可以从容地在设计中考虑制冷。而面积则有一定的弹性，面积不足时可以做高密度设计，即在一个机柜中放入更多的ＩＴ设备，从而在一定范围内提高单位面积的计算能力，也节省了面积。值得一提的是，并不是密度越高越好，当密度高到一定程度后（具体密度值依赖于具体设计方案），进一步提高密度反而不省面积（因为支撑它的电力和空调设备所占的面积会增加），造价也显著提高。民用建筑的造价一般由面积决定，而数据中心的造价主要由电量和可用性级别决定，面积对数据中心造价的影响很小。①电量。涉及三个方面：ａ．ＩＴ关键负载，即ＩＴ设备的实际用电负载；ｂ．总用电负载，即数据中心的总用电负载，包括ＩＴ设备、空调、照明等的负载；ｃ．市电进线容量，即向供电局申请的用电容量。如果ＩＴ关键负载为１０００ｋＷ，在一个比较节能（ＰＵＥ＝１．６）的绿色数据中心，总用电负载为１０００×１．６＝１６００
ｋＷ，市电进线容量需求大约为１６００／０．９≈１８００ｋＶＡ，考虑适当容量冗余，向供电局申请的市电进线容量为２０００ｋＶＡ，高等级数据中心要申请两路各２０００ｋＶＡ的单独进线。②面积。ａ．ＩＴ设备区占用的面积，也常被称为“高架地板面积”；ｂ．机电设备区面积，即空调、电气设备占用的面积；ｃ．其他功能区面积，主要指辅助性功能区域的面积，如监控室、休息室、备品备件室等，完全按照业主需求设置。
功率密度是一个与电量和面积有关的概念，是ＩＴ关键负载与ＩＴ设备区面积的比值，其数值越高表示单位面积的耗电越高，计算能力也越强。在实践中，新建数据中心的常见功率密度在１～２．５ｋＷ／ｍ２，专门设计的高密度数据中心可达到５ｋＷ／ｍ２以上。级别越高、功率密度越高，机电设备区面积也要越大。一个功率密度为１ｋＷ／ｍ２的等级４的数据中心，ＩＴ与机电区面积的常见比值为１：３（经验值），即１０００ｍ２的ＩＴ设备区面积，需要３０００ｍ２的机电设备区面积。
1.2 数据中心的可用性级别。提供尽可能高的可用性是数据中心的核心价值。数据中心的可用性通过机电系统的不同冗余设计体现出来。表１列出了数据中心可用性级别的常见标准。国家标准Ａ级大致对应了Ｕｐｔｉｍｅ标准的等级４和等级３，Ｂ级对应了等级２，Ｃ级对应了等级１。
表１ 数据中心可用性级别的常见标准
数据中心级别越高停机时间越短，停机业务损失越低，但建造和运行的投入成本显然越高。理论上可以通过算经济账来决定合适的等级，但业务损失不经过专业评估往往不易量化，也可采用同业参考的方法辅助决策。
1.3 数据中心的主要系统。数据中心有众多子系统，其中最核心的是电气系统和空调系统，这两者一般占数据中心总基建投资的７０～８０％。电气系统提供供电保证，设计核心是发电机和ＵＰＳ 的冗余拓扑结构。假设３台ＵＰＳ的容量能够达到数据中心负载（Ｎ＝３），常见的２Ｎ设计会使用６台ＵＰＳ（３主＜４５ｆ７＞ ＜８Ｆ３备），而ＲＲ设计则使用４台ＵＰＳ（３主１备），除此之外还有Ｎ＋１，ＤＲ，２（Ｎ＋１）等不同的拓扑结构，具有不同的可用性指标。
空调系统解决散热问题。ＩＴ设备工作时会产生大量热量，如不及时送走这些热量，会因过热而停机。空调系统有“水冷”（冷冻水系统空调）和“风冷”（自带压缩机风冷空调）之分，水冷系统的初期投资比风冷系统高，但规模较大的数据中心采用水冷系统会更节能，规模越大节能效果越明显。对于一个１０００ｋＷ的数据中心，一般２～３年内水冷系统节省的电费就能超过增加的初期投资。
1.4 绿色数据中心指标ＰＵＥ。ＰＵＥ为数据中心能源效率（Ｐｏｗｅｒ Ｕｓａｇｅ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ），计算公式：ＰＵＥ＝中心总用电量／ＩＴ设备用电量。输入到数据中心的电量经过供电系统的损耗之后，有部分供给了空调系统，还有照明、电梯等楼宇设施的用电，真正被ＩＴ设备使用的电量只是总电量中的一部分（见图１）。
图１ 数据中心耗能示意
ＰＵＥ＝１时意味着数据中心所有的电量都供给ＩＴ设备使用（理论上的最高能效），ＰＵＥ＝２时意味着ＩＴ设备每用１度电，非ＩＴ设备也要用１度电。常见的ＰＵＥ值在２．２以上，甚至高达３．０，而绿色数据中心的ＰＵＥ值可达到１．６甚至更低。低ＰＵＥ的获得主要依赖于空调系统的设计和散热的气流组织，需要综合采用各种节能技术，包括自然冷却技术。
以表２为例说明低ＰＵＥ设计的价值：这是一个分两期实施的大型数据中心，一期总电量约为１３ＭＷ，ＰＵＥ为２．２０时最大ＩＴ负载约为６ＭＷ，而ＰＵＥ为１．５５时最大ＩＴ负载约为８ＭＷ，在总电量不变的情况下能够比前者多安装５０００台标准服务器。当ＩＴ负载达到６ＭＷ时，两者每年的电费差异就高达近２５００万元（电费常常接近数据中心总运行成本的一半）。