模块化数据中心设计探讨

Posted 2021-04-27 数据中心最佳实践

在规划模块化数据中心设计时，工程师们应关注于诸如系统效率和操作特性等属性。而参考本文，将为广大读者：提供与数据中心和其他复杂的电力和冷却基础设施的关键设施类型的模块化相关主题的深层次理解。提出关于一系列模块化设计方法的财务和运营结果方面的论点，包括了从应用程序最小化到具有多级冗余的高度模块化设计。

在设计数据中心的电源和冷却系统的过程中，必须有一个已知的基本负载，使之成为工作的起点。这是所需的最小容量。从该起点出发，以作出关于必须内置多少额外容量能力的决策。这类容量能力可用于未来的业务增长，或者预留给发生故障时。(通常，该预留储备容量已经建立在基本负载中)。当工程师在每个模块中建立冗余时，创建模块化的策略变得更加复杂。

在本文中，我们将仔细研究关于建立电源和冷却系统中的基本负载、额外容量和冗余的不同参数。尽管本文的重点是关于冷却系统的数据中心模块化，但相同的基本概念同样也适用于电气设备和配电系统。分析冷却和电力系统的模块化共同推荐的方法，往往会产生协同效应。

什么是模块化规划？

在规划一款模块化基础设施(如数据中心)时，有三大主要问题需要解决：

用于功率和冷却中央设备规模尺寸大小的基本负载是多少(分别用千安培，或千伏安和吨表示)?在建筑的初始阶段，如果使用一个电源和冷却模块，则被认为是一个“N”系统，该模块的容量能力等于基本负载。

在基本负载的情况下，中央设备用作构建块的N是多少?例如，如果基础冷却负荷为500吨，并且使用两台冷却器而没有冗余，则N为250吨。如果需要并行维护级别，则可以使用“N + 1”配置。在这种情况下，N仍然是250吨，但现在有三台冷却器了。在这种冷却情况下，设计的容量能力将超过250吨。

我们如何规划未来的模块?如果功率和冷却负载的增长被确定为线性的和可预测的(这是罕见的情况)，则一天的模块将被复制，并用于未来的增长。然而，当增长不可预测或模块设计由于负载或储备容量需求的变化而必须改变时，则必须有一套相应的战略来解决这些问题。这便是在模块内使用模块方法发挥其用武之地的地方了。

模块内的模块方法

每个模块都将具有多款功率和冷却装置，其规模尺寸设置成各种配置，以至少能够满足为一天的负载提供服务。这可以在没有备用容量的情况下完成，到达系统的所有方式都是容错，例如2N、2(N + 1)、2(N + 2)等。因此，系统的增长对整体模块会产生直接的影响。例如，如果每个模块将服务于设施内的一个区域，而没有与其他模块的任何互连，则模块化的方法将保持纯粹，并且该设施将被设计并构造为具有相等大小的构建块。虽然这种方法非常干净和易于理解，但其并没有利用机会存在的优势：共享储备容量，同时保持所需的可靠性水平。

如果长期战略包括数据中心的互连模块随着设施的增长而增长，那么毫无疑问，将有机会减少支出，包括与能源消耗和维护成本相关的资本支出和持续的运营成本。互连战略使得设计看起来更像传统的中央设备，而不像模块化的方法。尽管这是真的，但是如果在一个模块中存在某种类型的灾难性故障(例如火灾)，则模块可以被设计为适应负载。这就是模块化的方法可以成为实现高水平正常运行时间的一个组成部分的原因所在了。使模块化实现物理分离将允许关闭处于故障模式的一个模块;其他模块将承担由故障模块卸下的容量。

使用互连的方法可以在构建更多模块时减少电力和冷却设备的数量，仅仅因为安装了更多的N规模的模块。安装具有共同容量和储备容量的模块将为设施提供更大的功率和冷却能力。

如果对于基础设施中未来的冷却负荷的存在不确定性，则可以在一天安装电力和冷却设备，但这种方法偏离了模块化数据中心的基本设计原则。虽然这种方法肯定能够提供一个大的“缓冲”，但其所带来的财务支出是相当大的，设备可能会在极低的工作负载运行一段时间。

设备容量，维护和物理规模尺寸

在分析实施模块化解决方案的可行性时，要理解的参数之一是N的大小以及其将如何影响到数据中心运营的长期成本和灵活性。为了证明这一点，我们不妨考虑一处基础载荷为1,000吨的数据中心基础设施。该模块可以设计成N为1000吨。这种方法几乎不提供储备容量或最大限度地为IT系统减少超出范围的温度和湿度风险的能力。在这一N配置中，一款主要的HVAC设备将使整个冷却系统瘫痪而不能工作(除非在测试或维护期间激活临时的冷却器，泵等)。

另一方面，是由许多较小的设备所组成的设备布局。使用这种方法肯定会导致一个高度模块化的设计，但这是有代价的：所有的设备必须安装，每个部件都需要电气连接(加上配电功率分布、断开、启动器，等等)、测试、调试和长期的操作和维护。故而找到一个中间地带是非常重要的;关键是建立所要求的可靠性水平，优化能源效率，并减少维护和运营成本。

工厂制造的模块与现场安装的模块

在考虑如何构建模块时，有几种选择：现场安装，混合模式或工厂制造。这些选项中的每一种都有其各自的一组优缺点。故而您企业将需要考虑以下要素：

设施的安装地理位置将立即影响到模块化设计方法的类型。例如，当设施位于人口稀少的地区，导致熟练的管道工人，板材和电气设计和施工专家很难找到时，使用工厂制造的，测试和调试的模块将是有益的，该数据中心模块化站点可能在多个部分组装，并且能够连接到其他系统和设施。这有一点复杂和详细细节需要考虑，但在这种类型的情况下，选择工厂制造的方案是有意义的。

通常，数据中心基础设施必须建在一定的地理区域，这些地理区域不具备制造商对于新的电力和冷却设备的启动、调试和维护的支持。这将涉及到需要制造商的技术团队进行长途的差旅——故而在发生运行异常或设备故障的情况下是不可取的。如果地理选址方面没有选择，那么前期的规划和特殊要求应该被写入规范，以主动解决这些问题。虽然来自设备供应商的成本会增加，但预先购买备件并在运行异常情况下规定最大响应时间将会减少设备故障所带来的影响。

数据中心和其他关键设施的施工进度通常是由客户的需求所驱动的，而客户的需求通常又是由其营收的产生或客户的最终用户(例如社区，商业企业，政府机构)尽快使用/占用拟议的设施所决定的。当分析构造整个数据中心基础设施的最佳方法时，使模块与设施的构造并行地在场外建造将会是有利的。该模块可以运送到数据中心站点现场并安装，即使设施不完整。由于模块中的所有设备，管道和电气都已安装，测试和调试，因此可以缩短建造基础设施的总体时间。此外，在出厂设置中对设备的调试和测试可以更有效——特别是当建立模块的人员与调试机构在现场，并且所有人都在一起工作时，得以能够确保所有的问题都获得及时解决。

在现场制造和工厂制造的两种选择之间方法是构建一款模块的混合方法。顾名思义，混合方法使用工厂构建和现场站点直接组件的组合的方法。这种方法并没有一套统一的解决方案，因为与工厂内部制造相比，在现场完成的工作量会因具体项目的不同而异。关于为什么要使用混合方法的一个很好的例子是，当运输安装在模块中的大型电源和冷却设备时可能会遇到困难。 HVAC和电气工作的平衡仍然可以在工厂完成，并利用这一点来减少总体的时间。而数据中心未来的业务扩张需求可以以同样的方式处理，进而建立快速扩张的能力。

性能比较

使用模块化设计方法的优势之一是获得来自具有多个较小的冷却器，泵，风扇等的更高程度的灵活性和可维护性。当存在多个冗余设备时，维护程序较少具有破坏性，并且在设备发生故障的情况下，可以修复或更换冗余设备，而不会危及整个操作运营。

在数据中心中，冗余设备的设计理念是关键基础设施设计的基石之一，因此这些策略非常易于使用，并且能够被数据中心的设计者和业主们所理解。在冗余策略的基础上实现分层的模块化只需要长期规划练习，更加专注于设计在所构建的数据中心的整个生命周期中如何发挥作用。

为了说明这个概念，一处新的数据中心设施可以从使用N+2冗余策略的一款冷冻水系统开始，其中N是中央设备的构建块。二阶算法被用来比较不同的制冷压缩机的卸载曲线。这些曲线基本上显示了设施空调负荷和压缩机的能力，以减少能源使用之间的差异。

在分析中，每款冷却机组都将共享负载的相等部分;随着冷却器的数量的增加，每台冷却器将具有较小的负载百分比。一般来说，当空调负载减小时，压缩设备不能具有线性能量使用的减少。当尝试优化能量使用，可扩展性和可靠性时，这是系统设计中的固有挑战。故而在分析中可以使用以下参数：

曲线设计：CentH2OVSD-EIR-fPLR&dT

(这是具有变速压缩机的水冷涡轮制冷却器的能量模型简写，其中EIR是能量输入比，这是方程的求解。fPLR&dt表示EIR是冷却器的部分负荷比率和从进入的冷凝器水温中减去压缩机冷冻水供给温度的升程的函数)。

曲线类型：比率和dT中的四次方程式

方程：f(r1,dT) = c1 + c2*r1 + c3*r12 + c4*dT + c5*dT2 + c6*r1*dT

系数：

• c1 = 0.27969646

• c2 = 0.57375735

• c3 = 0.25690463

• c4 = -0.00580717

• c5 = 0.00014649

• c6 = -0.00353007

每种场景都是使用这种方法开发的，并且结果证明了冷却器设备的效率是如何随着总空调负载的降低而减小的。

分析综述：

当整个数据中心设备负载从100%降低到25%时，N + 2系统(三台冷却器)的能量性能下降最小。这是由于冷却器已经在非常小的负载下操作。因此，冷却负载的大波动不会对系统的效率产生大的影响。

N系统(一台制冷机)显示对设备制冷负荷变化的影响最大。冷却器将在峰值负载时以最高效率水平运行，但会随着系统的卸载而快速下降。

N + 1系统(两台制冷机)在设备负载变化的灵敏度方面介于N和N + 2系统之间。

当付诸实践时，类似的类型场景(以一种或另一种形式)将成为许多数据中心项目的一部分。当对这些场景进行建模和分析时，结果将使优化策略显得更清晰，使支持后续的技术和金融财务演习。模块化的类型最终将由可靠性，第一和运营成本所驱动。因为一系列不同的参数和环境会塑造最终的设计方案，一个精心策划的，有条不紊的程序最终将允许企业数据中心实现一个知情和精简的决策过程。

（来源 中国智能机房数据中心）

相关阅读：