相对于传统机房,模块化机房对于场地装修环境依赖性低、可批量复制标准化快速部署、节能高效、智能化管理程度高和运维便宜。
模块化UPS电源
一、前言
一般办公楼宇层高2.8米,梁高2.5米,地面承重在200kg/m2左右,场地个别区域有上下水管井、立柱等,导致无大段连续规则区域。一般为了美观,楼宇外侧为玻璃幕墙,无法或禁止悬挂空调室外机。此类机房一般建设周期要求较短,往往非有计划性的建设,而是伴随着一些形如同城业务处理中心的装修建设而配套建设,选址取决于业务中心的位置,其内一般负荷不高,以综合布线机柜,汇聚接入网络设备和监控服务器等为主,为非核心机房,视其业务连续性重要程度,配备相应的UPS、空调、新风和消防安防等设备,但是一般要求能快速部署投产使用。由于层高和场地限制,一般机房建设为顶部吊顶放置灯管和温烟感等，地面放置最多30cm高防静电地板，强弱电线缆均下走线，空调上送风，能满足基本使用需要，但是存在对机房场地装修依赖性高而导致的制冷效率低、智能化管理程度不高，加之，运维效率低、安全级别差、建设模式无法标准统一，导致走线不规范和布局凌乱等问题。
二、模块化机房解决方案
1.模块化机房
顾名思义,就是类似于成品模块的,以一个标准机柜宽高为基准,将UPS主机和电池、空调、配电柜都集成于若干个标准模块中,然后将这些模块合理摆放,并配有天窗和密闭组件,将其自由组合后的整个模块区域就是机房。由于品牌、规格、设计及接口统一标准,软硬件都可在出厂前准备完毕,因此建设时只需到货组装,部署快捷、即插即用、即需即扩,如同小颗粒积木一般。相对于传统机房来说,可以视为是一个“房中之房”,采用密闭冷/热通道技术,避免冷/热气流的混合,温湿度控制精准,大幅降低能耗,因此对于模块外房间装修条件要求低,可支持水泥地面和防静电地板安装,配备有机房所需的整套机柜、UPS、空调、消防、安防和动环等设备,具有全触摸屏交互操作和图形化显示界面,配有网络通信接口,满足机房可视化高效运维和智能化管理的要求。
采用模块化的架构,方便扩展和分期建设。相对于传统机房,机房设备品牌统一化、设计统一、机房设备控制及管理统编辑一化。
2.模块化机房结构和技术应用
近些年在数据中心建设中模块化机房以有大量广泛应用,当前各大主流品牌厂商均有模块化机房产品,结构大同小异,基本上包括标准机柜、以及同机柜一般尺寸高度的模块化UPS、UPS电池柜、锂电池柜、列头柜、配电柜、列间空调,以上设备一般面对面总数成偶数对平行部署,间隔至少标准的1.2米,满足人员进出和设备运输装卸维护,两侧机柜顶部采用可翻转天窗覆盖,周边采用密闭组件封堵,两端各设置一个通道门,形成一个密闭的类似集装箱体,箱体顶部可布放灯光照明,温湿度传感器、烟感探测器,视频监控摄像头,红外入侵检测装置,门禁控制器,天窗控制器、灯控交流执行器等设施,满足模块动力环境监测、安防监控以及设备联动控制要求。模块内各监测系统联动控制温控设施以达到精确制冷,可达到《数据中心设计规范》(GB50174-2017)中A类机房温湿精准控制要求。若因市电异常中断,温控设施停止运转,天窗将自动翻转,与模块机房外空间气流交互,防止模块内设备温度过高宕机。若模块内发生火灾烟雾时,将联动切断温控和新风等设施电源,将门禁置为常开模式,天窗自动翻转,以便模块外消防气体灌入模块内设备上进行灭火。
三、建设和使用经验介绍
1.机房位置规划
(1)顶楼雨雪天有漏水隐患,地下室常年湿度太高,而且极端天气时,存在洪涝灾害带来的安全隐患,不应选取。
(2)机房的正上方楼层区域应无漏水隐患,如卫生间、厨房、大楼中央空调设备层、上下水管井、暖气或雨水管等,机房空调下方楼层区域便于楼板开孔和检修,布放空调冷凝水排水管至就近卫生间;机房垂直上下楼层无着火隐患,如食堂后堂、天然气管路等;机房布放防鼠药或是粘鼠板、驱鼠器、挡鼠板等。机房区域内无水火隐患,如消防喷淋、暖气管路、天然气管路等。
(3)承重问题。承重问题是重中之重,不可大意,一般需要大楼建设时的框架结构图等资料,经过专业公司测算证明再决策,否则可能会有安全隐患。一般若采用底层加固的方式,往往投资成本较高,还需找原楼梯建设设计单位进行改造设计,所以多数采取面积换承重方式,即一方面严格控制各机柜内、电池架上设备摆放数量,摆的松散些,多占些机柜空间;另一方面采用选择合适区域做槽钢散力架等方法,在总承重量不变的情况下,将受力面积变相加大,来降低单位面积的受力,以满足低于当前地面承重要求。对于场地承重满足国标机房建设要求的,比如大楼的底层等,可以直接将UPS电池集成在模块内。
(4)场地不规则问题。尽量选取一个规则的矩形区域,能满足模块的摆放和维护空间,以及未来扩容的空间。如场地面积足够开阔板正,无突出立柱管道井等无法拆除阻拦,模块为一标准矩形围挡,直接组装拼接布放在合适位置即可。如一期建设不需要太多机柜,后期再扩容增加模块,可先规划预留好场地,待后期扩容时拆除门头,再增加即可。若场地中央中有悬空立柱或无水管井等阻隔,在摆放设计时,可采用将其也视为一个或多个连续机柜,通过包边等改造,在其面上安装若干块与机柜同宽高的加面板,与一侧机柜前端保持平齐,这样,在模块化箱体内可以看到该立柱或管井区域为几个光面板,两侧均为机柜，整体依然是一个连续的矩形模块。若依然无法摆下或摆放后难以维护，则须另选机房区域。
(5)尽量选取建筑的背阳面,即北面,减少阳光直射的时间,如果是通透区域,则阳面窗户应彻底封堵和保温隔热,以减少空调制冷运行时长,以达到机房节能要求。
(6)应充分考虑便于空调室外机悬挂和放置,由于室外机一般要求放置高度不低于室内机,另外室外机若离室内机太远,会导致管路太长后期维修检修难度大,且影响制冷效率。可根据实际情况,考虑放置在楼顶部晒台,另外也需充分考虑室外机冲洗等维护的便利性,若实在无合适位置则只能在室内。若确实就近无合适放置室外机平台,如顶楼和机房距离管径太远,影响温控设备运行,如果建筑为玻璃幕墙,外墙也无法悬挂,可考虑采用室内选取一开阔区域,改造后专门用于室外机放置的方式,室外机进排风口采用风道设计,满足室外机散热需求,室内通风面积须由厂商计算满足室外机散热要求。若采用进排风口,通风面积依然不足的话,可将区域内所有窗户改为百叶窗散热,防止雨雪飘入,地面做好防水,并且预留排水通道,以用于室外机冲洗和零星室外雨雪飘入排水。做好区域消防监测,远离厨房锅炉排烟管等,以防飘入烟尘误报,做好该区域跟其他区域隔断,隔断注意防火隔热保温处理,并且天花板等封严实,防止飞入鸟等进入筑巢造窝等。消防喷淋做好保温,防止严寒天气爆管。
(7)机房供电应与楼层办公用电相独立，最好能敷设一趟机房专用电缆至高低压配电室,但须考虑楼层强电井空间和配电室是否预留相对应容量的空开柜。
(8)大楼应有专用货梯或运货楼梯,以确保大型设备运输通道畅通。为便于设备拆装时运输,以及维护空间,机柜后端距离墙面应不小于600mm,机房内以及机柜间主过道,应不小于1200mm。机房门宽高应至少1000mm×2000mm。
(9)大楼抗震等级、防雷年检、消防年检、接地电阻等应尽可能满足国标机房建设要求。
(10)机房空调等设备工作时会有噪音和震动,机房边缘区域隔档应做好隔音保温,机房附近尽量安排为更衣室、库房等,不要有核心办公区或是领导办公室,以免影响办公。
(11)如场地空间充足,应配置备件库房等区域,放置待上架和老旧闲置设备。如果层高充足的,可以地面布放高度50cm以上的静电地板,空调放置在模块化外的独立区域,地板下送风,更易于维护更换和防止漏水等情况,并且可以将空调冷媒管路由等置于静电地板下,布局更加合理美观。
2.装修注意事项
(1)机房区域顶部所有管路全部拆除,机房内的有水管井应切断为无水管井,从其他地方改道避开并拆除填平。
(2)对于层高不足场景,楼顶不吊顶,涂防尘漆,所有窗户紧闭,在不破坏基础结构的前提下,内侧木板封堵(应急时可拉开散热),配备防火隔热窗帘,机房隔档墙体采用保温隔热隔音材料填充,表面涂刷白色乳胶漆。门采用安全防盗门,对开门,以满足机房内机柜、空调等大件搬运。门口放置50cm高的挡鼠板,表面经过防腐处理、坚硬、美观,上方贴有反光条,可在灯光或其他光源的照射下反射光线,对人员起到警示提醒作用,拆卸方便货物运输。墙顶喷黑,墙面刷白乳胶漆。均匀涂刷乳胶漆,可以选取某一高度为分界线,界线以下刷白,界线以上的墙面及顶面采用喷涂的方式,全部喷涂成黑色,分界面采用适当宽度的亚光铝不锈钢条做装饰。主机房应密封,墙体围护结构清洁。
(3)门窗、墙壁、地(楼)面的构造和施工缝隙,均应采取密闭措施。所有进入机房的孔洞要采用防火泥封堵。地面做好打磨、修补、除污、除尘,进行自流平铺设,再铺设防静电、耐腐蚀、耐磨的塑胶地板材料。地面做防水处理。如果条件具备,机房区域顶部楼层地面做防水处理。
(4)进出机房线缆全部使用上走线方式，使用网格走线架,需提前布置好走线通道，对于监控摄像机、应急照明灯等由于靠在墙边上，可采用沿着墙壁敷设合适宽度的黑色的金属线槽，用于强弱电走线，较为美观。注意强弱电桥架分离间距，满足国标规定，如层高不足，不能再垂直方面满足，则应在垂直尽可能远的基础上，水平分离满足间距，并尽量减少交叉汇聚部位。
3.供配电系统
(1)模块化UPS入列模块化机房内，使UPS保持恒温状况下稳定运行，配置主控模块及功率模块冗余，来增强可靠性，一般每个功率模块50KVA，一个UPS机框满配支持最大250KVA功率，功率模块数量可采用n+1备份模式，按需采购，即插即用。外置独立的维修旁路，以便后期无间断维修及更换UPS设备。
(2)UPS电池总重量视后备时间要求为准,一般配备柴油发电机的情况下,要求不小于半小时。电池非常重,一般100AH铅酸免维电池每只约27公斤左右,220AH的约65公斤左右,可采用空间换承重的方法,根据承重梁位置,选择合适区域,布放槽钢散力架,将电池总重量平摊到散力架的整体受力面上,以使得平均压力低于地面承重最大值。为便于检修和维护,采用电池架分两层摆放电池。每组电池配置空开箱,以便后期无间断更换UPS电池。
(3)配电柜。配电柜分为从高低压配电室接入机房的总进线配电柜,市电分配电柜,UPS输入配电柜,UPS输出配电柜和列头柜,线缆线径、空开大小等满足机房未来发展负荷要求,机房用电与楼层公共用电分开;为机房用电至少提供一路市电供电线路和一路油机,设备用电与机房空调用电分开;上下进线口用挡板及防火泥封堵。UPS和市电配电柜分离,以便后期无间断扩容改造。
(4)维修插座。在机柜附近墙面,以及机房每隔一定间距范围内,布放若干市电维修插座,以便维护维修时设备用电。
(5)照明灯具。采用节能防爆灯吸顶安装,照度满足国标机房维护要求,顶部走线采用镀锌钢管套管。机房照明接UPS电,满足异常停电维护需要。
(6)防雷接地。一般接地接至大楼联合接地,取决于大楼的接地阻值,若不满足,则需新建接地。配电柜、PDU等均有防雷模块配备。机房内所有设备的金属外壳、各类金属线槽、金属管道等必须进行等电位联结并接地。
4.制冷系统
(1)对于冬季严寒地区,应给室外机配备低温启动组件等,满足超低温时正常运行,并对于机房外墙管路进出口洞进行彻底密闭封堵,防止透风导致室内冷凝滴水;除了制冷功能外,还应具备除湿加热功能。空调冷凝水排水管与孔洞连接处做好密封加固,排水管径充足,以防多台空调同时工作排水或是管路不牢靠有震动,造成冷凝水倒灌溢出等问题。
(2)有多台空调时,应在模块内合理布局,在保证制冷量充足的情况足,所有空调可采用群控轮旬工作方式,增强可靠性,提高设备使用寿命,减小维护周期。空调进水管尽量不要横跨机房或是布于机柜的顶端,可贴机房墙面进入空调,管路尽量减少转弯,以避免管路阻力增大堵塞,影响水压和增加故障节点。规划好冷媒管路由,并进行保温防护。
(3)空调下方应部署漏水检测绳和拦水围堰,排水孔应靠近机柜前端后后端,便于漏水时检修和防水重做。配置新风机,凉天降低空调制冷压力。机房位置尽量选取面朝北侧,避免阳光长时间照射。
(4)新风机。配备新风机,维持室内正压,并可在室外温度较低时,减轻空调制冷压力。
(5)软化水装置。空调进水管前端配备软化水装置,提高水质减少水垢,减少加湿管路堵塞漏水风险。
(6)设备尽量放于承重梁对应位置上,承重梁施工过程中禁止打孔,以免破坏承重结构。机房可选配应急冷风机,防止极端条件空调全部故障情况,供机房设备散热使用。
5.动力环境监控系统
(1)门禁系统。在机房出入口,备件库房,室外机房等重要位置安装门禁,对于机房进出人员及区域权限进行管控和记录。门禁使用UPS供电,以满足非消防报警导致市电中断停电情况下的安全防护要求。
(2)设备状态监控。对于配电柜、列头柜、UPS主机及电池、空调等进行状态监控,发生故障邮件、短信或电话报警,并且天窗与空调联动,当空调断电时,天窗自动打开,以避免空调无法制冷时,箱体内温度过高。也可选配监控显示大屏,置于模块化箱体门口,配有警号和报警灯,一旦发生报警发出刺耳的警报和红色醒目灯光。
(3)温湿度监测。对于模块箱体内,机柜内,机房顶部适当间隔区域布放吸顶温湿度计,接入动力环境监控系统,实时监控,防范温湿度监控盲区,消除局部热点。
(4)漏水检测。空调下方排水管区域,机房内空调进水管等全部由漏水检测绳缠绕,发生漏水、爆管时第一时间报警。
6.安防消防系统
(1)安防系统。机房门、隔墙和窗户等根据安防相关规定封闭或加固,机房各区域部署无死角视频监控系统,硬盘容量满足至少存储90天监控数据。在机房门窗等入口布放红外入侵检测装置,人员离开时布防,人员非法进入时发出声光报警,并与视频监控系统联网联动,发生入侵时,相关监控画面会自动在视频监控系统界面弹出报警,以便远程监控值守人员第一时间发现风险并掌握现场情况。各办公区监控探头汇聚网络设备和供电电源均为UPS供电,以满足24小时无间断监控要求。
(2)消防系统。根据场地面积测算,布放相应数量及容量的七氟丙烷柜装灭火器,若场地层高充足,也可单独设置消防钢瓶间,布设消防管路到机房各区域精准灭火,一般层高不足情况下,则在机房合适区域放置无管网灭火装置,支持机房外远端控制喷发和近端手动操作模式,采用消防专用电接入。模块化机房冷通道内外部、室外机房、备件库等各区域均按规定布放温烟感探测器,一般由于机房为无人值守，因此接至大楼消防统一监控。机房内按照消防规定，合适区域布放应急双头尾灯，并就近配备电源插座，满足消防报警时现场照明需要。配电柜、门禁与消防联动，当发生消防报警时，自动切断机房总市电进行电源，关闭空调、新风机等,门禁系统失效，满足人员快速逃生要求。由于窗户一般正常情况下无法打开，假若七氟丙烷喷发，需考虑清理方法，即排烟风机，注意排烟管路设计，同样支持机房机房外远端控制排烟和近端手动操作模式，墙面安装配套泄压阀，以防压力过大。
7.工程验收注意事项
(1)施工验收。墙顶打吊筋坑洞填补和补漆修复。机柜的固定牢靠性。强弱电线缆必须分开走线、分束捆扎、接线规范,不同性质电缆之间保持一定的间距,所有管路、空开、设备、网线两端均使用不易脱落机打标签标注。若有吊顶,其内的隐蔽工程走线和接线规范性。主机房内部布线使用的管井和孔洞,在施工完成后,须用防火材料予以封堵。对于配电柜等上方应张贴或悬挂有电危险类似的图标。塑胶地面应平整,无鼓包或翘起。各配电柜、配电箱,设备的防雷模块配备和接地情况检查。所有产品出具合格保修证书、产品手册、设备材料清单,包括不限于设备品牌型号序列号数量等,涉及软件的提供软件版本、IP地址、登录和数据库数据库密码等。对于各配电柜和列头柜的上下进线口也应用防火泥或专用挡板进行安全封堵。
(2)功能性测试。接地电阻测试是否满足要求。断电演练,观察UPS运行状态及蓄电池工作状态、门禁、监控、机房照明灯是否正确接入UPS供电,天窗是否联动,启动油机是否能够正常带载。消防演练,观察门禁是否联动失效,机房内非UPS供电设备是否切断电源。
(3)试运行观察。极端天气下的运行平稳性观测。机房温湿度控制情况,以及动环是否有误报漏报错报现象。
8.后期维护注意事项
(1)若机房投产初期设备较少,注意将空余机柜和设备间隙位置用自带的扣板封闭,防止冷气外泄,提高模块内制冷循环利用效率。
(2)若采用的是以面积换空间的方式来解决的承重问题,须在后期使用过程中对承重方面控制保持连续性和高度警惕,严格控制机柜内设备数量,以及做好后期机房管理员更换交接、UPS电池更换等环节的承重评估工作。
(3)设备安装时做好地线连接,每年定期做好大楼防雷接地检测和配电柜年检等。
(4)机房后期再次扩容或其它施工,须注意强弱电走线和捆扎的分离,注意施工后机房进出线孔均用防火泥封堵。
(5)定期做好空调过滤网、风机皮带和加湿罐更换,UPS电池内阻电压检测和电池充放电,柳絮季节和高温天气做好室外机冲洗,提高设备使用寿命。
(6)机房与外部的进出口做好封堵和填充,排烟风机和冷风机管路用保温棉做好保温,防止极端寒冷天气,室内管路结冰凝露滴水。
(7)做好定期消防和断电演练,留意动环系统联动和报警的有效性,做好老化设备的及时更新设备。
四、结语
相对于传统机房,模块化机房对于场地装修环境依赖性低、可批量复制标准化快速部署、节能高效、智能化管理程度高和运维便宜。传统机房配电柜、UPS、空调和IT机柜分离部署，模块化机房可视实际需求将其全部整合在若干个统一尺寸标准的模块中，可以考虑未来应用在银行网点设备间。网点位于底层，一般不存在承重问题，需要一个集配电、UPS和空调于一体的模块和1-2个用于网络及监控的机柜即可，有利于设备间统一标准装修建设布局和供配电接入，也可节省设备间面积，并满足了未来设备间内动力环境监控全省联网的要求。
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作者简介
赵欣（1985.8.13～）,男,江苏省徐州市睢宁县人,毕业于吉林大学通信工程学院,工学硕士学位,现就职于中国邮政储蓄银行新疆维吾尔自治区分行信息科技管理部,中级工程师,主要从事系统和网络运维管理研究。
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