浅析数据中心建筑基础空间优化设计

浅析数据中心建筑基础空间优化设计

章昊南

华信咨询设计研究院有限公司 310052

【摘要】文章以金华某云计算园区内的数据中心为例，探讨了数据中心建筑基础的空间优化，同时为数据中心改良工程提供了一些可行性的策略及建议，适配其在实际项目中的应用。在数据中心建筑基础空间中的顶棚、地面、墙体、空调、防水及消防等方面分别提供了空间设计上的优化策略。

【关键词】智慧城市；数据中心；优化设计

1引言

数据中心是智慧城市的关键技术支撑，它不仅可以为城市的市民提供服务，也可以为企业提供相应的支持。此外，企业从业务的支持、驱动和创新都离不开数据中心的加持。智慧城市作为城市发展的需求及目标，同样对数据中心带来了新的机遇与挑战。总体而言，数据中心由数据应用、技术支持、硬件设备及建筑基础组成。数据应用处于数据中心的产业链的下游，负责服务企业和部分各类型的信息应用及存储。技术支持负责为数据应用提供技术支持，包括5G、人工智能、深度学习、云计算、大数据等。硬件设备为软件应用提供了运行的环境及基础平台。建筑基础处于数据中心的上游，不仅为硬件设备提供存放的空间，还需要保障硬件设备的运作环境，提供供能、制冷、消防、安防等支持。数据中心的建筑基础作为数据中心重要的组成部分，在智慧城市的推动下，其节能程度、使用寿命、空间舒适度、空调系统、排水系统等仍然有值得优化的空间，尤其是在新型硬件设备不断推陈出新的未来，数据中心的建筑基础不仅要适应当前的硬件设备的需要，同时要为未来的硬件设备预留一定的适配可能。持续优化数据中心建筑基础已成为数据中心业界及相关企业部门的关注焦点。

2数据中心建筑基础空间分析及优化

金华某云计算中心位于金华市婺城区，其建设模式基于云计算数据中心，其空间规划主要分为四个功能区，即机房区、辅助区、支持区和行政区。每个房间单独分隔，机房区用于放置机柜、服务器、网路设备、通信设备等重要设备。辅助区为备品备件室。支持区分为UPS室、配电房、制冷机房、气瓶间、新风机房、空调区、油机房、燃油间等。行政区主要包括维护管理用房、消控室、值班室、监控室、卫生间等。主机房位于建筑空间的中心处，南北两侧为精密空调区，中间由一条走廊把机房区划为南北两个分区，并连接东西两端的垂直交通，东西两侧为楼电梯及相关辅助用房，底层为配电房、制冷机房、柴发机房、日用燃油间、消控值班室等。随着现代信息化程度的深入，企业的信息业务不断扩张，传统的设备已无法满足目前的业务需求，因此本项目的企业需要对其数据中心进行设备更替，在此过程中希望对数据中心的建筑基础进行适当优化，以满足新设备在负载、功耗、节能、环境等需求。以金华某数据中心项目为例，从以下六个方面对数据中心的建筑基础空间的优化进行讨论与探索。

2.1顶棚工程

考虑到机房的技术要求和特点，对机房的顶棚进行优化，以节约建设及运维的综合成本。首先，数据中心项目的特点，是机房内部各专业管道很多，暖通、水、电气、消防、电源、通信等，几乎密布在机房上空，尽管机房层高越来越高，从以前的4.5m做到现在的5.4m，甚至部分项目要求达到6m以上，管道密布的情况并未得到改善，甚至因机房功耗、空调系统的变化还在加剧。由于现在空调系统的选择因素，经常会做800高的架空地板，加大柱网跨距增加机柜布置后梁高会达到1米左右，因此也常出现机房的净高不足的情况。此外，因为管道多，若设计时各专业没有充分、精确的协调，施工时又不严谨，经常会造成上空管道混乱的情况，甚至安装完成后再无维修空间可供操作，对项目后期的管理和维护造成较大的困难。因此，本项目在利用BIM进行管道碰撞协助设计的同时，在局部楼层采取了综合支吊架的做法。设计上在通信机房区域的顶板底部设置了成品预埋槽道，后期吊挂安装设备走线架。预埋槽的埋设位置主要跟据设备的布置方向及间距，并考虑了一定的灵活性，槽底部与板底做平，外观平整美观，后期安装方便，同时避免了后置膨胀螺栓对结构构件的损伤。设备走线架安装后可以根据机房的不同布局调整，满足不同客户的需求，节省了施工时间及材料的浪费。该技术的运用改善了传统机房施工工艺的缺陷，对项目建设、运营、维护起到莫大的作用，得到了业主的认可与好评。

2.2地面工程

根据该项目建设数据中心的需要，防静电地板采用全钢防静电材料。防静电地板由钢板制成，具有很高的耐久性，同时，它还具有防火和防潮的功能。此外表面采用进口抗静电涂料，抗静电效果良好。并且无边地板的配合精度高，避免了地板连接间的缝隙，防止地板藏污纳垢。在数据中心的防静电地板施工之前，需要对地面进行预处理。首先，机房的基础地面应该平整以防止灰尘和潮湿，土建阶段采用防静电水磨石地面并增加聚氨酯防水层，然后在地面上铺设保温棉，可以有效的起到数据中心地面的耐磨、光滑、无尘、保温、隔热、防潮作用，然后在绝热层上安装一层镀锌钢板，然后在镀锌钢板上完成等电位接地铜排施工，最后再完成架高抗静电地板和设备承重底座安装固定，起到抗震、防火、洁净、等电位、屏蔽的功能，另外在冷热通道区间进行彩色喷涂保护，并以颜色区分实现可视化管理标识。地板的标高为800mm，有足够的空间在地板下形成静压力舱和消音气流分配风道，并与空调系统、供配电系统的设计和施工相结合，方便铺设强弱电、消防等管道及相关电气设施(插座、插座盒、漏水传感器、烟感传感器等)。此外，地板上新增用于机房的防水插座，专用于终端和其他设备，可以随时打开或关闭，以确保使用方便和安全，克服以前接线翻地板的缺点。

2.3墙体工程

通常，数据中心采用轻质砌块作为主要墙体材料，减轻自重的同时也具有更好的自保温作用。主机房内的分隔墙以石膏板为基础，墙面需要优化，包括墙面处理、抹灰处理、隔音面具处理等工序。墙面应做保养工艺，如刷防尘漆、防潮漆和防水涂料等。抹灰面漆需要用灰砂或水泥砂浆涂抹在建筑物的墙壁和支柱表面，以使建筑物内部光滑，并增强保温、隔热、隔音、防尘等性能，最后表层添加喷涂等材料及工艺。隔音墙主要使用在制冷机房、油机房、空调机房等噪音较大的房间，采用微孔饰面板，经济实用。

2.4空调系统

数据中心园区无粉尘，无污水，但能耗较大，主要体现在机架及空调的耗电，这往往是社会资源占用的重要部分，也是设计工作思路的重点。因此，数据中心的建设从一定角度上来说主要围绕的核心就是空调系统与供配电系统，考虑到不同地域与气候，不同场地与市政条件，不同规模与建筑形态，均会对这两个系统的选择产生影响，本文仅从金华某数据中心为例来探讨此问题，该项目空调系统考虑通信设备发热量均为显热、热量大、需常年供冷、分阶段实施、供冷安全性高等特点，为降低空调系统能耗及供冷安全，采取了一系列节能措施及新技术：1）冬季与过度节季采用冷却塔自然冷却供冷,全年约节电910000KWh；2）为节省压缩机能耗延长利用室外自然冷却时间，冷冻水供回水温度由传统7℃/12℃提高至10℃/15℃；制冷机组效率约提高8%，满负荷运行制冷机组全年节电约510000KWh；3）充分利用自然冷源，设置智能节能新风系统，当室外洁净度与温湿度达到要求时，直接引入室外低温洁净新风，降低机械制冷能耗，全年约节电817000KWh；4）为解决初期低功耗达不到离心机组开机条件与大机组功效高的矛盾，采用冷却水单元式空调与大型高效离心机组冷冻水系统相结合的方法，保证供冷安全，提高供冷效率；5）采用高效变频离心式冷水机组。空调系统采取以上节能措施后，满负荷运行时，全年节电量约可以节省894.8T标准煤，减少二氧化碳排放量2230.3T，大大降低了后期运维的成本，同时也为国家环境保护计划做出贡献。

2.5防水工程

数据中心机房防水主要分为屋面防水和室内防水两部分。屋面防水等级按数据中心规范及业主的要求一般都按Ⅰ级考虑。按国标图集做法，两层防水通常做在一起，或正置式或倒置式。但是数据中心因为顶板吊挂管道多，经常需要在顶板打洞，如果屋面采用倒置式则容易打穿防水层，导致屋面防水失效，同时屋面设备也非常多，也有可能破坏正置式屋面的防水层，且都在工艺配套阶段实施，施工较难控制，因此，项目采用上下两层防水分设的方式，以减少漏水情况发生的可能。数据中心室内防水，通常机房漏水事故发生的原因是空调的冷凝水泄漏和地板的渗水及管道意外爆管等。对于前两种情况的解决方案有：防新风气流因温差结露。机房区域的新鲜空气是直接从室外气氛中引入的。在高温高湿季节，当引入的新鲜空气在机房内达到23℃±2℃时，会产生少量的冷凝水。为了解决这一现象，可以将室外新鲜空气引入新风扇，经过新风扇加压后，风管通向空调的上回风口。经过空调的新风流和回风流同时通过空调进行温度调节、湿度调节和除尘，然后用空调的大气流将它送入房间空间，产生的水通过空调的排水管排放到室外。防止因空调机加湿器，进排水管损坏漏水。在精密空调区地坪设置绝热层，缓冲地坪上、下两者温差。其次，环境监测系统用于在空调房间的地面上建立一个自动漏水监测系统，它可以即时监测地面漏水情况，及时制止因管道破裂和漏水造成的事故。更重要的是，在机房四周及精密空调主机周围设120mm高防水地垄，并设置泄水井，在漏水意外发生以后，使得机房有一定的冗余机制，预留一定时间给维修人员及时抢修。机房入口设置门槛高差，防止外部其他洪涝或消防管道等意外水源进入机房导致水患造成不必要的损失。

2.6消防系统

数据中心主要采用气体灭火系统，根据灭火剂的不同主要分为七氟丙烷灭火系统及混合气体灭火（IG541）系统，前者系统压力较低，一般设计工作压力为4.2和5.6MPa，灭火剂用量少，设备和管网造价也较低，单个瓶组间面积较小，节省面积成本提高整体利用率，但药剂成本和维护费用较大。而后者药剂用量大，储瓶数量更多，单个瓶组间需要占用的面积相应也较大，因为系统压力较大，一般设计工作压力需要15和20MPa，所以输送距离也比较远，更适合单体面积较大的建筑，金华某数据中心选用了七氟丙烷灭火系统，设计目标是:①发生火灾时，迅速将火扑灭，确保机房设备和人员的安全；②灭火不能损坏机房内的设备，最大限度地减少火灾损失；③为确保消防系统启动时工作人员的安全，气体毒性应降至最低。此外，冗灾系统主要由自动、人工两种方式控制。1）自动启动模式在一般情况下，消防灭火系统保持自动运行状态。若发生火灾时，温度监测器与烟雾检测器会同时向火灾声报器、光报器、灭火控制器等传输火灾警报并启动相应的设备。其中，声报器和光报器有利于提醒人员疏散。同时，系统自动切断非冗灾系统的供电系统，并进入灭火装置启动倒计时，预留一定的时间让工作人员撤离。在倒计时结束后，气体灭火系统迅速启动，释放七氟丙烷实施灭火。同时，点亮数据中心门口的警示灯，防止人员误入。在灭火结束后，经过人工检查无安全隐患后，可手动熄灭警示灯。2）人工启动模式当数据中心正在维护检修时，为了防止误触火灾警报系统，可以将其设置为人工启动模式。当数据中心火灾发生时，需要人工按下气体灭火控制盘的按钮，进入倒计时准备灭火。如果出现紧急情况，在保证数据中心室内没有工作人员的情况下，可以打破数据中心室外的紧急灭火系统按钮的玻璃罩，及时启动紧急灭火。若出现系统火警误报或火灾不严重的情况，可在火灾报警系统启动后的倒计时期间，人工按下气体灭火控制盘的取消按钮制止气体灭火系统。

3结语

通过对数据中心建筑基础空间的探索与实践应用，在具体的细部上不断的深入及优化，以空间细部量变实现整体空间的质变，从而实现了空间优化的目标，同时在实际工程中也具备一定的可操作性，在数据中心建筑可持续优化的方向上提供了一些新的思路，最终实现为现代化智慧城市的数据中心基础建设提供合理、保障、品质的思维与设计。