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60  科学与信息化2023年5月下
模块化机房建设在区教育局数据中心的应用
汪宏才
上海健生信息技术发展有限公司 上海 200000
摘 要 随着教育数字化转型发展，区教育局数字基座及各应用系统运行均需依靠数据中心机房进行支撑。本次教育局数据中心机房建设采用具有集成度高、安全可靠、绿节能等特点的模块化机房。本文通过介绍区教育局信息化机房的现状，针对数据中心机房需求，阐述模块化机房在教育局数据中心机房建设中的应用，并对模块化机房和传统机房进行对比分析。
关键词 模块化机房；冷通道；PUE；节能
Application of Modular Computer Room Construction in Data Center of District Education Bureau Wang Hong-cai
Shanghai Jiansheng Information Technology Development Co., Ltd., Shanghai 200000, China
模块化机房建设方案Abstract  With the development of digital transformation of education, the operation of the digital base and application systems of the District Education Bureau needs to be supported by the data center computer room. This construction of the data center computer room of the Education Bureau adopts a modular computer room with the characteristics of high integration, safety and reliability, green and energy conservation. This paper introduces the current situation of the informatization computer room of the District Education Bureau, expounds the application of modular computer room in the construction of data center computer room of the Education Bureau according to the needs of data center computer room, and compares and analyzes the modular computer room and the traditional computer room.Key words  modular computer room; cold channel; PUE; energy conservation
引言
本文结合区教育局机房现状及存在的问题，围绕新建数据中心机房功能需求及模块化机房建设设计展开论述，简要概述数据中心模块化机房的组成，通过模块化机房在区教育局数据中心机房建设中的应用实践分析模块化机房的特点。
1  区教育局信息化机房的现状
区教育局原信息中心机房、安全中心机房和考试中心机房均采用的是传统的机房，机房制冷系统能耗大
、效果不佳，设备和机房环境监测不完善、机房运维成本高。三地机房分散各地，不方便维护及统一管理。
机柜均处于满载状态，受环境空间限制，机房空间无法扩容，且机房由于前期规划等诸多原因，目前其实际容量已无法满足未来业务需求。
本项目数据中心机房是基于区教育的业务需求和适应当今高速发展的信息化、智能化的数据管理与处理要求的基础之上进行新建。采用模块化机房建设，在标准规范、节能环保、整体效率、日常运维等方面进行统筹规划。建成后将教育局信息
中心、安全中心、考试中心核心业务统一搬迁到新的数据中心机房，可方便管理和维护区教育局核心数据资产，节约使用成本。
2  新建数据中心机房的功能要求
新机房建设设计应具有充分的稳定性、安全可靠性、先进性，以及一定的灵活性、扩展性，使之能够充分满足区原三
地机房搬迁合并的需要，也能满足业务扩展的需求。机房建成后，不仅能满足教育局硬件设施承载要求，也能具备一定的扩展冗余，预留部分空间为未来不可预见的建设需求做准备。其设计规划具体为[1]：
①动力电源引入按照双市电进行规划；②机房进行合理的功能分区；③服务器机柜采用冷通道布局，运营商接入机柜只做外部线缆接入使用；④机房应具备一定的可扩展性，机房容量规划预留30%的业务空间，满足未来一段时间对业务扩容需求。
3  数据中心模块化机房设计
按照模块化机房设计，包括供配电系统、机柜系统、空调制冷系统、冷通道系统、消防系统和环境监控系统等。
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3.1 供配电系统设计
供配电系统采用双路市电输入，在综合配电柜进行双路市电切换，引出一路到机房供电。作为模块化机房系统的动力电源，为机房安全、稳定的运行起着非常重要的作用。供配电系统主要包括模块化UPS 系统，即不间断电源系统，是保障数据中心机房正常运行的重要部分。
本项目选用UPS 设备规格：200KVA ，单台满载120min 系统后备时间。采用恒功率计算法，计算UPS 满载放电时的电池配置。
用恒功率计算法得出每个电池单格需要提供的功率为：W/Cell=P ×Cos φ×100%/（VDC ×0.5×ŋ）  =200000×0.9×1/（384×0.5×0.95）
=987W
其中，P 为UPS 视在功率 200000VA ；Cos φ为输出功率因数0.9；VDC 为直流电压/电池组电压 384V （单组需要12V 电池的块数为32）；ŋ为UPS 逆变器效率为0.95。
根据截止电压1.70V 、恒功率放电表：得出6×186.00W ≥ 987W ，需要配置6组×32=192块电池。3.2 机柜系统设计
本次区教育局数据中心机房建筑面积约为198m 2，设置2组微模块，服务器机柜总数量共有36个，采用600mm 宽×1200mm 深×2000mm 高，列头配电柜位于冷通道左侧列头，采用宽为600mm 的标准19英寸机柜作为柜体；另外配置7台宽为600mm 的网络机柜作为布线机柜。服务器机柜负载按照平均4-6kW/机柜设计，单个微模块最大负载量可达80kW [2]。3.3 空调制冷系统设计
采用了冷气集中管理方案，精密空调可以优先保障IT 设备所需的运行温度。模块内区域按照机房建设标准提供18℃~27℃温度环境。模块外非IT 设备区域的温度可以根据客户体验做实际调整。
依据数据中心机房内热量的来源，对于数据中机房总热负荷，采用的计算公式：
Qt=Q1+Q2+Q3+Q4
其中，Qt 为主机房总热负荷（kW ）；Q1为室内设备负荷（考虑到设备的使用率，Q1=设备总功率×0.8）；Q2为室内UPS 热负荷，Q2=0.04W1+0.06W2，其中W1为电源系统额定功率值（UPS 额定容量），W2为IT 设备总负载功率；Q3为室内配电系统热负荷，Q3=0.02（W1+W2），其中W1为电源系统额定功率值（UPS 额定容量），W2为IT 设备总负载功率；Q4为建筑
环境热负荷（=0.12～0.18kW/m 2×机房面积）。
由计算可得，机房满载时，所需的总制冷量为136.87kW ，显制冷量为133.31kW ，考虑空调制冷设备的制冷能力应留有15%～20%的余量，制冷空调部分根据不同的冷通道面积，采用2台40kW 和2台50kW 的列间空调进行制冷。
本次设计采用冷通道封闭，列间空调内置的布置方案，空调为前水平送风背回风方式，实现数据中心模块的有效制冷。列间空调尺寸、风格均与服务器机柜保持一致，整体效果美观大方。列间空调就近水平送风的优势是列间空调水平送风采用“就近制冷”原则，通过列间空调入列，缩短空调的送风和回风距离，减少冷风在输送过程中的损耗，提高空调回风温度，提升空调效率。同时通过冷通道封闭，水平送风可以灵活调节送风方向，在一定程度上解决了下送风方式冷风不能到达机柜顶端的问题。3.4 冷通道系统设计
采用列间空调和封闭冷通道相结合的模式，空调采用前水平送风背回风方式，服务器机柜的摆放采用“冷、热通道”的布局方式。冷风在设备自吸气流的作用下，被强制地送入机柜，与服务器热交换后才能进入机房空调，提高了冷风利用效率。冷通道封闭，冷池蓄冷和均匀弥散的效果有效解决机房热点问题，降低冷风与热风混合或与外界热交换带来的冷量损耗。3.5 消防系统设计
柜式七氟丙烷灭火装置外接声光报警、释放显示灯、手动启停开关。在工作状态下，冷通道的旋转天窗是处于水平形态；当发生火灾时，通过温度和烟感报警联动，能够触发自动通电将电磁锁打开，在重力作用下旋转天窗会自动打开，确保七氟丙烷气体能够顺利地进入冷通道。3.6 环境监控系统设计
环境监控系统集成UPS 、空调、配电，对机房温湿度、烟雾、漏水等状态进行实时监测，采用了标准接口、模块化的系统。支持电话、短信、声光等告警方式，提供故障分析信息，定位告警发生的根本原因[3]。通过综合运维管理平台系统可实现对微模块内配电、环境、安防、消防等设备进行全方位监控；配合组态编辑软件实现现场数据采集，并编辑成可配置化画面，最终在一体化监控屏及PC 网页上显示，实现环境数据实时监控。
4  模块化机房在区教育局数据中心机房建设中的应用实践
区教育局数据中心模块化机房经实际运行，其PUE 值低于
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1.5，已经达到了绿机房标准，该机房具有以下特点。4.1 机房建设周期短
本次数据中心机房建设工期紧，涉及机房建设、设备安装调试、三地机房搬迁。传统机房建设工程相对复杂，周期长，无法快速投产[4]。而模块化机房建设集设计、工程、运维于一体，采用的是模块化架构，部件模块化，保证了快速交付。大幅减少工程设计内容，通过整合机房精装修、空调系统、机柜、精密配电系统、监控系统以及综合布线系统的建设环节，极大缩短建设周期。4.2 机房集成度高
传统机房无法支持高密，空间利用率低，供电、制冷效率低相比，模块化机房在其两组微模块将传统机房的机柜、制冷空调、配电、动环等系统集成在一个模块中，形成了整体解决方案。7个机柜为布线柜布置在微模块外面，机房整体布局呈块状，分区合理，干净整洁，便于维护。通过模块化机房的集成能够在相同的面积规划下设计较优的机房容量，满足业务扩容需求。4.3 绿节能
传统机房采用开放通道和房间级空调，采用的是空调下送风，受制冷距离限制，远端制冷效果较差，其PUE 值普遍在1.7~2.5之间。模块化机房采用的密封通道和行级空调，制冷更加有针对性，近端制冷，避免冷量流失，杜绝冷热气流混流，其PUE 值普遍在1.3~1.8之间[5]。以传统机房PUE 值取1.7，模块化机房PUE 值取1.5为例，机房设计负荷满载计算。根据满载情况下计算得出机房所需的总制冷量为136.87kW 。
传统机房年耗电量：133.87kW ×1.7×36×365=2990388.06kW·h ；
模块化机房年耗电量：133.87k W ×1.5×36×365= 2638577.7kW·h ；
耗电量对比：2990388.06kW ×H-2638577.7kW ×H =351810.36kW·h 。
经上述结果对比，模块化建设模式每年至少比传统机房建设大约节省35.18万度电，以每度电0.6元计算，每年大约能够节省21.1万元电费。
4.4 供电安全可靠
与传统机房相比，模块化机房的供电采用双路市电输入，在综合配电柜进行双路市电切换，引出一路到机房供电。UPS 系统单台满载120min 系统后备时间，确保了机房供电的安全可靠[6]。
4.5 环境监控系统直观便捷
模块化机房在2组微模块各配置一台10.1英寸（1英寸=2.5厘米）电容式多点触控屏，用于调节模块化机房内的温湿度等参数，直观展示模块布局信息、配电、制冷子系统信息。模块环境（照明、门禁、天窗等）、PUE 、空间、告警信息等一目了然。系统内置Wi-Fi 与手机App 通信，可以通过手机全面灵活监控机房的工作状态、运行信息、告警信息等。
5  结束语
目前模块化机房已经成为新型数据中心建设重要的发展趋势，模块化机房在区教育局数据中心机房建设中的实践中体现了集成度高、绿节能、供电安全可靠、环境监控直观便捷的特点。整体建设完成后达到（GB50174-2017）《数据中心设计规范》B 类机房标准。不但提升了区教育局机房基础设施的技术水平，也提升数据中心机房的运维保障能力。
参考文献
[1] 张春艳.对建设模块化数据中心机房的思考[J].金融科技时代,2023,31(1):69-71.
[2] 李佩.能效综合设计的一体化UPS 在模块化机房的应用[J].数据中心建设,2022(11):15-18.
[3] 张旭东.传统机房存在的问题和模块化数据中心机房[J].卫星电视与宽带多媒体,2022(13):70-72.
[4] 张贺波.模块化数据中心机房建设分析[J].科学与探讨,2021(6): 265-266.
[5] 孙建龙，滕森.模块化UPS 在广电机房技术研究及应用[J].科学与财富,2020(8):94..
[6] 林志伟.中职模块化数据中心建设的探索与实践[J].创新创业理论研究与实践,2020(7):16-18.