现代数据中心的动力系统设计.ppt

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1、,现代数据中心动力系统设计及实例举析,主讲人：杜秋,2023/8/20,1,提纲：数据中心电力系统的设计规范及要求数据中心空调系统的设计数据中心的消防系统数据中心动力系统设计案例举析,2023/8/20,2,规模扩大、功率密度增高造成供电总容量的提高。单机柜负荷：2KVA/台3KVA/台4KVA/台更高；单位面积平均负荷：0.5kva/m21kva/m21.5kva/m22kva/m2更高；可靠性要求供配电系统的可靠性要求相应提高。供配电系统可靠性：99.0099.9099.9999.999%更高；,1.数据中心供配电系统的发展趋势,2023/8/20,3,2.1 国内标准、规范2.1.1 国

2、家标准、规范供配电系统设计规范（GB50052-1995）10kV及以下变电所设计规范(GB50053-94)低压配电设计规范(GB50054-95)建筑物电子信息系统防雷技术规范(GB50343-2004)电子计算机机房设计规范（GB 50174-93）电子信息系统机房设计规范(征求意见稿)2.1.2 行业标准、规范通信局(站)电源系统总技术要求（YD/T 1051-2000）通信电源设备安装工程设计规范（YD/T 5040-2005）通信局(站)防雷与接地工程设计规范(YD/T 5098-2005)民用建筑电气设计规范（JGJ16-2008）2.1.3 企业标准、规范中国电信IDC产品规范

3、(试行)中国电信数据中心机房电源、空调环境设计规范(暂行)中国电信灾备中心机房建设规范(征求意见稿),2.数据中心供配电系统设计相关标准、规范,2023/8/20,4,2.2 国外标准、规范数据中心电信基础设施标准（TIA-942）2005.04 美国国家标准学会(ANSI)美国电信产业协会(TIA)、TIA技术工程委员会(TR42),2023/8/20,5,2.3 设计标准、规范要求2.3.1供配电系统设计规范(GB50052-1995)负荷分级一级负荷：中断供电将造成人身伤亡。中断供电将在政治、经济上造成重大损失。中断供电将影响重要政治、经济单位的正常工作。中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等

4、情况的负荷,以及重要场所不允许中断供电的负荷，应视为特别重要的负荷。二级负荷：中断供电将在政治、经济上造成较大损失。中断供电将影响重要用电单位的正常工作。三级负荷：不属于一级和二级负荷者应为三级负荷。,2023/8/20,6,2.3.1供配电系统设计规范(GB50052-1995),供电要求：一级负荷：应由两路独立电源供电。当其中一路电源发生故障时，另一路电源不应同时受到损坏，容量上应能满足全部一级负荷及二级负荷。一级负荷中特别重要的负荷：除由两路独立电源供电外，还应增设应急电源，并严禁将其他负荷接入应急供电系统。二级负荷：宜由两路电源供电。,2023/8/20,7,2.3.2 电子计算机机房

5、设计规范(GB50174-93),电子计算机供电电源质量根据电子计算机的性能、用途和运行方式，可划分为A,B,C三级。,2023/8/20,8,2.3.3 电子信息系统机房设计规范(征求意见稿),机房分级 A级(容错型)在系统需要运行期间，其场地设备不应因操作失误、设备故障、维护和检修而导致数据系统运行中断。B级(冗余型)在系统需要运行期间，其场地设备在冗余能力范围内，不应因设备故障而导致网络系统运行中断。C级(基本型)在场地设备正常运行情况下，应保证网络系统运行不中断。,2023/8/20,9,2.3.3 电子信息系统机房设计规范(征求意见稿),2023/8/20,10,2.3.4 中国电信

6、IDC机房规范(试行),产品(机房)分级 根据IDC机房的软硬件设施和人员配置情况，以及由此产生的服务水平差异，将IDC产品分为AA、A、B、C级。AA级：通过国际IDC标准认证，价格与服务体系与国外接轨。主要为国际 化企业服务，同时可作为对数据安全有严格要求的政府部门、金融、证券等企业的灾备中心。A级：提供高质量的服务，优先保证的资源条件。主要面向政府机关和增 值业务运营商。B级：提供较好的服务、可接受的价格。主要面向中小企业。C级:入门级产品，主要面向散户和批发商。,2023/8/20,11,2.3.4 中国电信IDC机房规范(试行),2023/8/20,12,2.3.5 中国电信数据中心

7、机房电源、空调环境设计规范(暂行),机房分级 同中国电信IDC机房规范(试行)中相应条文供电要求：,2023/8/20,13,2.3.6 中国电信灾备中心机房建设规范(征求意见稿),机房分级 A级(容错型)：在系统需要运行期间，其场地设备不应因操作失误、设备故障、维护和检修而导致数据系统运行中断。正常工作时间99.995%，年计停机时间26min，月计2.2min。B级(冗余型)：在系统需要运行期间，其场地设备在冗余能力范围内，不应因设备故障而导致网络系统运行中断。正常工作时间99.982%，年计停机时间94.6min（月计7.9min)。C级(基本型)：在场地设备正常运行情况下，应保证网络系

8、统运行不中断。正常工作时间99.749%，年停机时间22小时（月计110min)。,2023/8/20,14,2.3.6 中国电信灾备中心机房建设规范(征求意见稿),2023/8/20,15,2.3.7 通信电源设备安装工程设计规范（YD/T 5040-2005）,一类市电供电：从两个稳定可靠的独立电源各自引入一路供电线。该两路不应同时出现检修停电，平均每月停电次数不应大于1次，平均每次故障时间不应大于0.5h。二类市电供电：由两个以上独立电源构成稳定可靠的环形网上引入一路供电线，或由一个稳定可靠的独立电源(输电线路)上引入一路供电线。允许有计划检修停电，平均每月停电次数不应大于3.5次，平均

9、每次故障时间不大于6h。,2023/8/20,16,2.3.8 数据中心电信基础设施标准（TIA-942）,2023/8/20,17,3.1 UPS电源系统负荷统计,具体负荷设备明确时，按设备计算负荷数据统计。具体负荷设备不明确时，按机柜平均负荷统计。机柜数量也不明确时，可按机房面积平均负荷估计。需了解负荷设备的功率因数COS，分别统计有功功率Pj（kw）和视在功率Sj（kva）。需注意三相负荷平衡的情况，有大容量单相负荷设备时应按相分别统计。,3.数据中心用电负荷,2023/8/20,18,3.2 变配电系统负荷统计,UPS系统负荷(输入)：UPS系统负荷(输入)供电负荷充电负荷UPS电源系

10、统负荷(输出)及蓄电池组容量明确时，供电负荷=UPS系统输出负荷UPS系统主机效率；充电负荷=蓄电池10h率充电电流充电电压UPS整流器效率,UPS电源系统负荷(输出)及蓄电池组容量不明确时：供电负荷=N台主用UPS主机额定输出容量 负荷率 UPS主机整机效率；充电负荷(N+X)台UPS电源主机额定输出容量(0.150.25)；,机房空调机组负荷：N台主用空调机组额定负荷容量需要系数(0.70.9)。照明及其它负荷：按建筑电气常规方法统计。,2023/8/20,19,3.3、市电电源选择：一般采用10KV供电电压，但其供电容量有限。上海地区规定：,3.4、高压配电系统：两路市电电源的高压配电系

11、统应采用单母线分段方式；当两路市电冗余时，两段母线间可不设置联络(供电部门也不允许联络)；应采用放射式配电；两路市电电源的配电线路应分开敷设，不能分开时应采取防火隔离措施；配电线路应采用无卤低烟阻燃型、耐火型电缆或母线槽；,2023/8/20,20,3.5 低压配电系统,两路市电低压配电系统应采用单母线分段方式，两段母线间设置联络。要求机房的两路市电应分别与两路自备应急电源中的一路自动切换；对于UPS电源系统、机房空调、机房照明及其它建筑设备中的一级、二级负荷应采用放射式双回路配电，两路电源在负荷设备输入端自动切换。双回路配电的两路线缆应分开敷设，不能分开时应采取防火隔离措施。配电线路应采用无

12、卤低烟阻燃型、耐火型电缆或母线槽。,机房空调设备应设置专用的配电柜。机房空调配电柜应引接两路电源、自动切换。一个机房或区域应设置两台及以上空调配电柜，每台空调配电柜的输入电源应分别引自不同的低压配电柜或配电回路。一个机房或区域内的多台空调设备应间隔连接于不同的配电柜上，且正常运行时宜连接于不同的电源上。,4.机房空调配电系统,2023/8/20,21,数据中心变配电系统示意图,2023/8/20,22,5.1 发电机组容量选择,需注意不同类型机组及功率标称值的定义，根据市电电源的可靠性情况予以选择。常规定义主用机组：指连续运行时能持续输出额定功率的机组。能按额定功率连续运行，且每12h内应能过

13、载10%运行1h。备用机组：指连续运行时需按规定降低输出功率的机组。能按额定功率连续运行24h；连续运行超过24h时，其输出功率不低于机组额定功率的90%。备用机组每年允许的累计运行时间应不低于500h。一般情况下可认为机组的主用功率为备用功率的90。ISO8528-1最新定义紧急备用功率：变动负荷，平均负荷率70%，每年运行时间不超过200小时。备用功率：每年运行时间不超过500小时。主用功率：变动负荷，平均负荷率70%，持续运行，每年运行时间不限。持续功率：恒定负荷，持续运行，每年运行时间不限。需考虑环境条件和使用条件(消音降噪措施等)引起的容量损失。需考虑非线性负荷的需求。,2023/8

14、/20,23,5.2 发电机组输出电压选择发电机组输出电压一般采用0.4KV。能否直接采用10KV输出电压，需视供电部门规定。数据中心设有35/10KV总变配电所时，发电机组宜采用10KV输出电压，并与总变配电所的10KV输出母线联络。5.3 发电机的设置一般宜与两路市电电源的变压器组对应设置。采用并列运行方式时，若自动同步控制出现故障，应能手动控制同步5.4 发电机组燃料储备及管路要求发电机组燃料储备量应根据机房等级要求，结合市电电源可靠性、供油可靠性、消防要求综合决定，一般不宜少于发电机组满负荷运行8小时的用油量。发电机组的供油管路(管道、油泵、滤清器)应有冗余。,2023/8/20,24

15、,5.5 发电机组的环保措施发电机组运行时产生的噪声应小于其所在区域的环境噪声标准值。机组由于消音降噪工程所引起的功率损失应小于机组额定功率的5%。城市5类区域环境噪声标准值（单位：dB）,0类：适用于疗养区、高级别墅区、高级宾馆区等特别需要安静的区域。1类：适用于居住、文教机关为主的区域。2类：适用于居住、商业、工业混杂区。3类：适用于工业区。4类：适用于城市中的道路交通干线道路两侧区域、穿越城区的内河航道两侧区域。,2023/8/20,25,6.1 UPS电源系统的设计原则,UPS电源系统的设置应考虑分区或分类供电的要求。多个UPS电源系统可分期建设，但每个UPS电源系统宜一次建成。每个U

16、PS电源系统的供电容量不宜过大，一般控制在800KVA以下。UPS电源系统的主机连结方式应与机房等级(可靠性要求)匹配。UPS电源系统的输入、输出配电方式应与机房等级(可靠性要求)匹配。,6.2 UPS电源主机联结方式,2023/8/20,26,N1并联冗余UPS电源系统示意图,N2并联、双单元冗余UPS电源系统示意图,(N1)2并联冗余、双单元冗余的UPS电源系统示意图,6.3 UPS的几种冗余配置形式,2023/8/20,27,N-主用台数；Sn-UPS主机额定输出视在功率(KVA)；Pn-UPS主机额定输出有功功率(KW)；Sj-计算负荷视在功率(KVA)；Pj-计算负荷有功功率(KW)

17、。,6.4 UPS电源主机容量选择,UPS电源主机容量的选择应结合主机联接结方式以及分区、分类供电要求统筹考虑。一般单机不宜大于400KVA。UPS电源主机容量选择应同时满足：N*Sn Sj、N*Pn Pj,注意不同品牌、型号UPS主机在不同负荷功率因数时的容量折算系数表：,三相负荷不平衡时，应按最大相负荷3选择UPS电源主机容量。,2023/8/20,28,6.5 UPS电源系统蓄电池组配置6.5.1 配置原则系统负荷明确时，可按负荷计算。系统负荷不明确时，按系统额定值 或按系统额定值负荷率计算。不考虑输入电源中断时，UPS主机同时发生故障。考虑安全系数和环境温度系数。并联组数不宜过多；容量

18、较大时宜采用2V单体蓄电池，但不宜少于2组。注意按单机计算或按系统计算的差别。例：初期，1+1并联冗余系统，负荷1，要求后备时间1h。单机0.5h2 系统1h。扩容后，2+1并联冗余系统，负荷2，要求后备时间1h。单机0.5h3 系统1h。,2023/8/20,29,Ij-计算负荷电流；Pj-计算负荷功率；-UPS逆变器效率；Uj-蓄电池组计算电压，Uj=UN*0.925。UN-蓄电池组额定电压,6.5.2 容量计算按电流计算:,Q-蓄电池组容量(Ah)；K-安全系数，K=1.25；Ij-计算负荷电流(A)；T-后备时间(h)；-蓄电池放电容量系数；-环境温度系数。,按功率计算:,Pn-单节(

19、2V)蓄电池计算功率(w)；K-安全系数，K1.25；n-蓄电池组节数(2V)。,N-选定容量规格的蓄电池组数；PN-选定规格的单节蓄电池，在规定放电时间下的放电功率(w)。,放电容量系数和环境温度系数,2023/8/20,30,6.6 UPS电源系统的输入配电,UPS电源系统应设置专用的输入配电柜；UPS电源系统输入配电柜应引接两路电源、自动切换；每套UPS电源系统应设置两台及以上输入配电柜，分别引自不同的低压配电柜或配电回路；UPS电源主机的主电源和旁路电源应分别引入，宜来自不同的输入配电柜；并联冗余UPS各主机的输入电源应分别由不同的配电柜引接，但应注意确保各台主机的旁路电源连接在同一电

20、源上。系统正常运行时，各台主机的主电源宜连接在不同的电源上。双单元冗余UPS的两个单元各台主机的旁路电源应连接在同一电源上。系统正常运行时，两个单元各台主机的主电源应分别连接在不同的电源上。,2023/8/20,31,6.7 UPS电源系统的输出配电6.7.1 配电方式,UPS系统输出一般采用三级配电方式：系统输出配电柜机房配电柜机柜配电单元。UPS电源系统输出应采用放射式、双回路配电方式。UPS电源系统输出应采用三相配电，末端分相，以利三相平衡。对于双单元冗余UPS电源系统，单电源输入设备，可将其每个单元中的部分容量视为并联冗余性质。对于需要双电源、双回路供电的单电源输入设备，宜在机柜配电单

21、元设置静态转换开关STS。静态转换开关STS的性能应能满足其要求，一般转换时间小于510ms。UPS电源系统输出配电须重视选择性保护。,2023/8/20,32,6.7.2 配电设备,UPS各主机输出应并接输出配电柜母线上，并应能单独与其断开。UPS系统输出配电应设置应急旁路，正常运行时应急旁路应分断并锁止。UPS电源系统输出配电柜（列头柜）回路容量不宜过大，一般宜负责一列或两列设备机柜为宜。采用双回路配电方式时，两个回路的机房配电柜宜分设柜体、成对设置。系统输出开关宜采用插入式或抽出式断路器。当负荷设备对零地电压要求较高时，可在机房配电柜设置隔离变压器，隔离变压器次级中性点接地。根据运营管理

22、需要，机架配电单元或机房配电柜建议设置电流测量或电能计量表具，并尽量可做到远程监控和存储。双回路配电线路应分开敷设，不能分开时应采取防火隔离措施。配电线路应采用无卤低烟阻燃型或耐火型电缆。,2023/8/20,33,6.8.1 输入指标,电压额定值：220/380VAC电压允许变动范围：-15%+10%频率额定值：50Hz频率允许变动范围:4%,6.8.2 输出指标,电压额定值：220V/380VAC电压可调范围：5%频率额定值：50Hz输出电压精度：稳态时1%、瞬态时5%瞬态电压恢复时间：50ms频率精度：0.1%（内同步）频率同步范围：0.5Hz，1Hz，1.5Hz，2Hz可调频率调节速率

23、：0.11 Hz/s,功率因素：0.8电压谐波失真度：5%功率软启动：1015s内爬行到额定功率,电压波形失真度：3%（线性负载）、5%（非线性负载）三相输出电压不平衡度：1%（平衡负载）、3%（50%不平衡负载）、5%（100%不平衡负载）三相输出电压相位偏移：1（平衡负载）3（不平衡负载）过载能力：10min(125%额定电流)、10s(150%额定电流)限流：100%110%额定电流可调负载功率因数：0.8（滞后）负载波峰因数：3:1,2023/8/20,34,6.8.3 其它指标,噪声（距离设备1m处）：60dB(A)(100kVA设备)、70dB(A)(100kVA设备)效率:90%

24、(100kVA设备)、85%(10100kVA设备)、80%(10kVA设备)静态开关指标：过载能力100ms（10倍额定电流）、转换时间：1ms在使用寿命期间内，平均失效间隔时间(MTBF)应1105h，不可用度应510-6h。监控 A.智能接口：RS232C、RS422、RS423、RS485。B.监控内容：遥测：交流输入电压，直流输入电压，输出电压，输出电流，输出频率，标示蓄电池电压，标示蓄电池温度。遥信：同步/不同步状态，UPS/旁路供电，蓄电池放电电压低，市电故障，整流器故障，逆变器故障，旁路故障。,2023/8/20,35,7.1 接地,数据中心应采用联合接地方式，将围绕建筑物的环

25、形接地体、建筑物基础地网及变压器地网相互连通，共同组成联合地网。建筑物底层应设置环形接地总干线。应设置两根及以上垂直接地主干线。各楼层应设置水平接地干线，并宜与两根及以上垂直接地主干线联结。设备接地可采用网状、星形或网状-星形混合方式。,7.数据中心接地与供配电系统防雷,应采用分级保护方式，并综合考虑供配电系统的分布情况。当存在不利因素时，应提高交流电源第一级SPD的最大通流容量。平均雷暴日应按当地气象部门最新数据为准。,7.2 供配电系统防雷,2023/8/20,36,8、数据中心空调系统的设计要求,8.1、舒适性空调与专用空调的不同比较（数据中心需采用精密的机房专用空调）：服务对象不同：舒

26、适性空调（普通）是服务于人的，而专用空调是服务于设备；运行特性不同：机房专用空调是大风量，小焓差，高显热比；舒适空调刚好相反，是小风量，大焓差，低显热比【显热比（SHF：Sensible heat factor）的概念：是显冷量（降温制冷量）与总冷量（降温制冷量+除湿制冷量）的比】；显热比的不同：舒适性空调显热比为60%（近30%的冷量除湿，以保证舒适性、小噪声、低风量），专用空调的显热比超过90%；换热次数不同：舒适型空调的换热次数为5-10次/h，而数据中心的换气次数在30次/h（早期）以上，近来逐步上升到60次/h甚至90次/h；出风温度不同：舒适性空调出风为6-8度，专用空调出风在13

27、-15度；控制精度不同：专用空调温湿度控制精度1，1%RH，洁净度0.5 微米/升18,000(B级)；舒适性空调温度精度为35，温度场不均匀，仅保证近端设备处的温度，无湿度控制，只具备简单的过滤功能；工作温度不同：专用空调工作在-40-45 区间24小时正常工作，舒适空调-5 以下停止工作；设计寿命不同：专用空调24h*365天运行，寿命超8年，而普通空调同比仅3年左右；,2023/8/20,37,附表：舒适空调与机房专用空调的对比表,2023/8/20,38,8.2、数据中心空调的设计规范,、中国电信数据中心机房电源、空调环境设计规范（暂行）中有关机房环境要求规定（2005年12月颁布）：

28、3.1.1 以通信行业标准规定的通信设备（交换设备、传输设备、数据网络设备）的正常使用环境要求为基础，确定数据中心机房的环境要求。3.1.2 机房环境温湿度要求：AA 级、A 级机房温度为2125，B 级、C 级机房温度为1828，相对湿度4070%，温度变化率小于5/h，且不结露。3.1.3 机房洁净度要求：机房内灰尘粒子应为非导电、非导磁及无腐蚀的粒子。灰尘粒子浓度应满足：（1）直径大于0.5m的灰尘粒子浓度18000粒/升。（2）直径大于5m的灰尘粒子浓度300粒/升。,2023/8/20,39,、根据国家标准GB-50174-93电子计算机机房设计规范，对电子计算机机房的温湿度要求如下

29、：温度恒定：温度波动控制在2412之内。湿度恒定：相对湿度波动控制在505%RH之内。空气洁净度：在每升的空气中，0.5微米的颗粒应9.8Pa。其他要求：具备远程监控及来电自启动功能。,8.2、数据中心空调的设计规范,2023/8/20,40,、IDC机房热负荷的组成,电子计算机机房设计规范（GB50174-93）中的规定，机房的热湿负荷应包括：计算机和其它设备（主设备）的散热：精确算法科学但不适用（主要是目标负荷不明确）。粗略算法一般有：按UPS所提供给通讯设备的总容量计算或有确切的设备能耗参数；太阳辐射、建筑围护结构的传热：传导、对流和辐射，与当地的环境平均气温、夏季高温、墙体材料结构等都

30、有关系。基本计算方法为：QK*F*(tzp-tn)kcal/h；【K：围护结构的导热系数(kcal/m2h)；F：围护结构面积(m2)；tn：机房内温度()；tzp：机房外的计算温度()】。人体散热、散湿、照明装置散热、新风负荷等：。,2023/8/20,41,、功率密度的概念与定义：为便于参数的计算与比较，通常会建立和引用功率密度的概念单位元素（面积、机架、空间、U位等）上所配备或产生的电或散热量，即：平面功率密度（kw/m2或kcal/m2h）、机架功率密度（kw/架或kcal/架h）、空间功率密度（kw/m3或kcal/m3h）、U位功率密度（kw/U或kcal/Uh）。功率密度随着机房

31、应用技术的不断发展而演变，其含义也经过了从平面到立体、从宏观到微观的演变进程。建立不同概念的初衷，是随着机房功耗的逐步上升到不同的阶段，为便于空调系统的研究与应用而延伸的,2023/8/20,42,平面功率密度：概念：在某一特定机房环境下，均摊至该环境单位面积（每平方米）上所配备的有效电力容量（或能耗），其单位kw/m2或kcal/m2h。早期热密度较低，空调冷量配比的重要性尚未凸现，人们习惯以机房单位面积上的电功率配备或散热量（即平面功率密度）来核算机房环境条件，。如：某机房面积为500m2，其配备的UPS系统为400*（2+1），按功率因数0.9、安全系数0.8计，则其可用的平面功率密度为

32、：0.9*0.8*400*2/500m2=1.152kw/m2或990.72kcal/m2h缺点：平面功率密度忽略了机架密度以及空间高度，缺乏机架密度和空间的概念。随着机房散热量的增大，利用平面功率密度概念计算时，将和实际的温度梯度和特性产生较大误差，所以以该概念在评估机房环境时具有一定局限性。,、功率密度的概念与定义：,2023/8/20,43,机架功率密度：概念：在某一特定机房环境下，均摊至该环境内每个机架上所配备的有效电力容量（或能耗），定义为机柜的功率密度，其单位为（kw/架或kcal/架h）。如：某机房面积为500m2，装配机架数量为250只，其配备的UPS系统为400*（2+1），

33、按功率因数0.9、安全系数0.8计：其可用的平面功率密度为：1.152kw/m2或990.72kcal/m2h；其可用的机架功率密度为：0.9*0.8*400*2/250m2=2.3kw/架或1981.44kcal/架h；缺点：该概念在一定程度上对机房环境的实用性上进行了定义，但忽略了机架自身高度及可用空间方面的问题，对于高能耗、高发热密集度的现代服务器设备与机房环境的关系缺乏微观的衡量，一定程度上也具有局限性。,、功率密度的概念与定义：,2023/8/20,44,空间功率密度：概念：在某一特定机房环境下，均摊至该环境内每单位体积上（m3）所配备的有效电力容量（或能耗），定义为空间功率密度，其

34、单位为（kw/m3或kcal/m3h）。如：某机房面积为500m2，装配机架数量为250只，机房高4.5m，其配备的UPS系统为400*（2+1），按功率因数0.9、安全系数0.8计：其可用的平面功率密度为：1.152kw/m2或990.72kcal/m2h；其可用的机架功率密度为：2.3kw/架或1981.44kcal/架h；其可用的空间功率密度为：0.9*0.8*400*2/(500m2*4.5)=0.256kw/m3或220.16kcal/m3h；缺点：该概念在一定程度上对机房环境在空间的能量密度上进行了定义，但忽略了机架密度和机架可用性方面的问题，在对机房可用性的微观计算上具有一定的片

35、面性，同时也具有局限性。,、功率密度的概念与定义：,2023/8/20,45,U位功率密度：概念：U位是IDC机架上的基本单元，U位宽为19英寸机架的标准宽度，高为4.45厘米。U位功率密度是上述三种功率密度的一个延伸，是综合了机房空间概念和可用性的一个综合参数，其含义为：一是指在某一特定机房环境下，均摊至该环境内每U位空间上的有效电力容量（或能耗），单位为（kw/U或kcal/Uh）；二是指在某一特定机房环境下，均摊至每单位空间（m3）上的U位数量，即U位空间密度，其单位为（U/m3）；如：某机房面积为500m2，装配机架数量为250只，每机架的有效空间为42U，机房高4.5m，其配备的UP

36、S系统为400*（2+1），按功率因数0.9、安全系数0.8计：其可用的平面功率密度为：1.152kw/m2或990.72kcal/m2h；其可用的机架功率密度为：2.3kw/架或1981.44kcal/架h；其可用的空间功率密度为：0.256kw/m3或220.16kcal/m3h；其可用的U位功率密度为：0.9*0.8*400*2/(250架*42)=54.9w/U或47.18kcal/Uh；其可用的U位空间密度为：250架*42u/(500m2*4.5m)=4.67U/m3；优点：U位是IDC机房可用性的最小计算和衡量单位。它不但在宏观上可全面衡量机房在电力和空调系统配置上的平衡性，在微

37、观上可衡量机房电力和空调系统的可用性，还可衡量机房建设在空调和电力系统配置的统一性，同时，它也可从某种程度上对研究机房建设的经济性具有一定价值。,、功率密度的概念与定义：,2023/8/20,46,实例举析：2006年建设的上海某IDC机房第六层：实用面积为800m2（含空调设备所占用面积），装配机架数量为400只，每机架的有效空间为42U，机房全高4.5m（净高3.4m），其配备的UPS系统为400KVA*（3+1），cos=0.9、实用安全系数按0.8计，空调机组配置16台，全冷量100kw/台（显冷量90kw），设定14+2冗余方式运行，空调效率按0.8计：,2023/8/20,47,2

38、023/8/20,48,、合理的参数配比是提高机房经济效益的有效途径之一,对于一个IDC机房来说，各参数间存着一定的函数关系，其关系式可模拟分析为：关系式1：F=*Pf服务器的运行能耗Pf(KW)是一个可以和运营收入F(元)挂钩的参数，其中值是一个带单位的比例系数（元/KW）；关系式2：R=*Pf发热量R（KJ）和通讯设备的即时能耗Pf之间存在一定的比例关系，是一个通讯设备在一定功率能耗下单位时间内的热能产生系数（KJ/KW）；关系式3：Pk=*RPk（KW）是空调消耗电能产生冷量与服务器的发热量R相抵消，使机房保持一个恒定的温度的功率参数；综合关系式4：Pk=*R=*Pf=*F/=K*F 结

39、论：由上式关系可推出，在营业收入F为定值的情况下，要想减少空调电力Pk的支出，必须尽力减小其关系系数K，K值的大小与空调的布局、气流组织、送风方式、能效比等相关的综合参数有关。,2023/8/20,49,9、机房建筑选择上需注意的其他问题,围护结构的严密性问题：维护结构的热工性能、热传递系数、地区气候特性差异、建筑材料、建筑物朝向、通风透光等关联问题；冷桥问题：避免不同传热系数的材料交界面易产生水雾凝结的现象；缝隙漏风问题：L=0.827AP1.25=1.03375AP【L：正压漏风量，m3/s；0.827：漏风系数；A：总有效漏风面积，m2；P：压力差，Pa；1.25：不严密处附加系数】洁净

40、度问题：有害气体渗入问题（SO2、H2S、NO2等沿海的盐雾空气）、微生物问题、尘埃颗粒问题【规范规定：在静态条件下，大于或等于0.5um的尘粒数，应少于18000粒/L，既洁净度级别相当与50万级（0.5um）】；气流组织问题：发热与制冷量匹配问题：,2023/8/20,50,10、数据中心的消防系统概述,10.1、IDC消防的基本原则：为了保护机房的服务器和网络设备，机房的消防系统不能采用液体灭火，而是管网式气体消防系统；消防系统应具备：声光报警装置、自动控制装置、手切换控制装置、手/自动切换装置等功能；消防探头监控区域设计为：吊顶上、吊顶下、地板下（相对封闭和独立的区域内）；消防要求机房

41、内的设施：所有隔断、门窗、线缆、设备、地板、天花、机架等都需要具备和符合一定的防火等级和标准；消防联动功能：消防的控制系统需要和供电线路控制、空调系统的供电与进排风装置、门禁系统等进行联动控制；,2023/8/20,51,10、数据中心的消防系统概述,10.2、消防系统的历史演变：灭火剂的历史：最早期使用水灭火（廉价、可再生，但具有局限性），替代水的灭火物质泡沫灭火剂、干粉灭火剂、卤代烷1211、1301；随着科学技术的发展、环保意识等增强，高精尖仪表、仪器、计算机等场所受到限制；卤代烷（哈龙halong）的危害：对大气层的破坏作用，被蒙特利尔国际公约所禁止；哈龙的替代品：高低压CO2灭火系统

42、、七氟丙烷（FM200）灭火系统、SDE惰性气体灭火系统、烟烙烬（Inergen）、气溶胶EMB、卤代烷13001（CF3I）等；,2023/8/20,52,10.3、常用的气体消防介质CO2：原理：高压、低温、液化储存喷放时，急剧膨胀、吸热、降温稀释空间含氧量窒息灭火；优点：容易液化、灌装、制造简单、价低、对被防护环境无污染和腐蚀；缺点：34-75%的灭火浓度，需要高压液化低温储存系统（液化温度-19-20C），容易爆炸、膨胀过程产生静电起火、系统故障率高，防护区人员的生命安全灯等问题（宝钢、大众等厂都发生过类似故障），是对环境产生温室效应、引起自然灾害等；的罪魁祸首，是国际公约禁用介质；,

43、2023/8/20,53,10、数据中心的消防系统,10.4、IDC中常用的气体消防介质七氟丙烷（FM200）：成分：(CF3CHCF3-七氟丙烷)是一种化合物，由碳、氟、氢组成。它无色、无味、不导电，并通过中断燃烧过程以及改变区域内氧气含量来达到灭火效果，灭火过程是一个化学反应范畴；优点：是一种洁净的、有效的、环保可接受的，灭火后不留残余物质的气体，因此使火灾后的停工时间减至最小。灭火效率高、速度快、浓度（8-10%，接近5-8%的哈龙浓度）；用法：以液态形式储存于钢制气瓶中，并由氮气加压至360psig(2482Kpa)。在温度20环境下，设计体积浓度为7%就足以扑灭一般火灾；缺点：高温下

44、产生氟化氢（HF），与水结合形成氢氟酸对皮肤、皮革、纸张、玻璃、精密仪器具有腐蚀作用。储存压力2.5Mpa/4.2Mpa，喷嘴的工作压力小于0.8Mpa，管道输送距离上有限制，难分配，不支持较多的消防分区；,2023/8/20,54,10、数据中心的消防系统,10.4、IDC中常用的气体消防介质七氟丙烷（FM200）：七氟丙烷气体灭火系统设备组成：药剂储存和喷放设备主要有：七氟丙烷气体钢瓶（及固定装置）、瓶头阀电磁启动器、瓶头阀手动启动器、高压软管、气动软管、喷嘴等；报警和控制设备主要有：气体控制盘、烟感火灾探测器、紧急启停按钮、警铃、蜂鸣器及闪灯、气体释放指示灯、压力开关等。FM200设计时

45、的重要参数：依据经济合理、优化设计的原则，在保证系统性能安全可靠的前提下进行设计和分区。所涉参数为：面积S（m2）、净高h（m）、体积VS*h、所需七氟丙烷药剂量为M（Kg）；常规的特定参数：设计浓度8%、采用氮气增压输送的增压压力为4.2MPa，喷射时间7秒，浸渍时间不少于3分钟；,2023/8/20,55,10、数据中心的消防系统,10.5、常用的气体消防介质SDE惰性气体：概况：1991年昆山宁华研制、97年成功，常温、常压下固态存储，工作时电子企划启动器激活催化剂而立即气化灭火，成份：35%CO2、25%N2、39%气态水、雾化金属氧化物1.2%，不含F、Cl、Br、I等卤族元素，对臭

46、氧层无破坏。目前国内唯一拥有自主知识产权的气体灭火新品，尚未得到推广和应用；优点：灭火迅速、被保护物上不残留、毒性指标中，灭火浓度8-14.16%，经权威人士鉴定是低毒的安全产品；机理：物理窒息、低温气态水降温为主，抑制燃烧为辅，物理和化学反应相结合，实现全淹没、全方位灭火；,2023/8/20,56,10、数据中心的消防系统,10.5、常用的气体消防介质气溶胶灭火系统概况：分为冷气溶胶和热气溶胶。国内多用热气溶胶，通过含能灭火剂的燃烧，产生大量的固体微粒和部分气体，均匀分布在空间内，形成气溶胶，以快速高效抑制火灾；机理：利用固体颗粒在高温下产生金属阳离子与燃烧反应过程中产生活性自由基团发生反

47、应，切断化学反应的燃烧连来实现的；利用固体微粒（钾盐）分解过程产生的水来吸热降温实现；优点：适用于小系统，系统越大造价相对越高。粒度小，可绕过障碍物长时间停留空间，灭火效果好，可用于密闭或开放空间。制造成本低；缺点：产物为气、固两相流，无法进行管网组合分配，对气体保护区域、空间越大的场所（150m3以下较好）造价远高于其他系统；,2023/8/20,57,10、数据中心的消防系统,10.5、IDC常用的气体消防介质烟烙烬（Inergen）概况：最早应用于美军的战地急救气，上世纪80年代美国安素公司研制。是一种惰性气体灭火剂，代号IG541，美国UL-1058标准认可，作为卤代烷灭火剂的替代品，

48、52%的N2、40%的Ar、8%的CO2；机理：与CO2、SDE类似，通过降低防护区氧气浓度达到窒息灭火；优点：成分均为大气中的天然成份，喷后无残留，灭火速度快、不污染被保护物，对大气无破坏，许多大型和重点保护区的首选；缺点：灭火设计浓度37.5-42.8%，工作压力达15Mpa，系统造价高（灭火剂、储存钢瓶、管路）等，全面推广尚有难度（列举事故案例举析）；,2023/8/20,58,10、数据中心的消防系统,10.5、常用的气体消防介质13001（Triodide）概况：美国太平洋科技公司研制，目前国内尚未使用，获美国NFPA标准认证，属新型卤代烷CF3I；优点：低毒、低灭火浓度（3.2%）

49、，大气中停留时间一天即可自行分解，环境友好！缺点：粘度系数大，输送距离受限，造价高于1301、FM200、SDE、气溶胶等，喷放时与FM200类似形成白雾，影响人员疏散；,2023/8/20,59,10、数据中心的消防系统,10.5、常用的气体消防介质超细水雾定义：在最小工作压力下、距喷嘴1m处的平面上、水雾最粗部分的微粒直径DV0.99不大于1000µ。目前是各国灭火研究的主流；机理：使用特殊喷嘴，通过水与不同雾化介质产生水微粒，基本方法：水流与固定物强烈撞击；两股组成相似的水流撞击；超声波或静电雾化；水在压力容器中受热沸腾，高于沸点突然释放到大气中压力状态改变；灭火原理是水微粒气

50、化表面积增大吸热，急剧膨胀而汽化，通过冷却燃烧和窒息双重物理反应灭火；分类：高压3.45Mpa、中压、低压1.21Mpa；优点：是水喷淋、水喷雾、哈龙、SDE、CO2等系统的综合；缺点：灭火对象受限（机房系统不可用，可灭燃油类发电机组），工作压力高，水质要求高等；,2023/8/20,60,10、数据中心的消防系统,10.5、常用的气体消防介质总结每种灭火方式都有或多或少的缺陷：Inergen（烟烙烬）、CO2：灭火浓度高、价格贵；FM200:对人和保护对象有腐蚀；SDE、气溶胶：对设备和管路介质要求高等；选择原则：灭火效率高、安全性与可靠性高；环境友好性与被保护对象的安全；价格的合理性等综合