數(shù)據(jù)中心建筑基礎(chǔ)空間優(yōu)化設(shè)計分析

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【摘要】文章以上海某數(shù)據(jù)中心為例，探討了數(shù)據(jù)中心建筑基礎(chǔ)的空間優(yōu)化，同時為數(shù)據(jù)中心改良工程提供了一些可行性的策略及建議，適配其在實際項目中的應(yīng)用。在數(shù)據(jù)中心建筑基礎(chǔ)空間中的天花、地面、墻體、空氣、防水及消防等分別提供了空間設(shè)計上的優(yōu)化策略。

【關(guān)鍵詞】智慧城市；數(shù)據(jù)中心；優(yōu)化設(shè)計

1引言

數(shù)據(jù)中心是智慧城市的關(guān)鍵技術(shù)支撐，它不僅可以為城市的市民提供服務(wù)，也可以為企業(yè)提供相應(yīng)的支持。此外，企業(yè)從業(yè)務(wù)的支持、驅(qū)動和創(chuàng)新都離不開數(shù)據(jù)中心的加持。智慧城市作為城市發(fā)展的需求及目標(biāo)，同樣對數(shù)據(jù)中心帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)?？傮w而言，數(shù)據(jù)中心由數(shù)據(jù)應(yīng)用、技術(shù)支持、硬件設(shè)備及建筑基礎(chǔ)組成。數(shù)據(jù)應(yīng)用處于數(shù)據(jù)中心的產(chǎn)業(yè)鏈的下游，負(fù)責(zé)服務(wù)企業(yè)和部分各類型的信息應(yīng)用及存儲。技術(shù)支持負(fù)責(zé)為數(shù)據(jù)應(yīng)用提供技術(shù)支持，包括5G、人工智能、深度學(xué)習(xí)、云計算、大數(shù)據(jù)等。硬件設(shè)備為軟件應(yīng)用提供了運行的環(huán)境及基礎(chǔ)平臺。建筑基礎(chǔ)處于數(shù)據(jù)中心的上游，不僅為硬件設(shè)備提供存放的空間，還需要保障硬件設(shè)備的運作環(huán)境，提供供能、制冷、消防、安防等支持。數(shù)據(jù)中心的建筑基礎(chǔ)作為數(shù)據(jù)中心重要的組成部分，在智慧城市的推動下，其節(jié)能程度、使用壽命、空間舒適度、空調(diào)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)等仍然有值得優(yōu)化的空間，尤其是在新型硬件設(shè)備不斷推陳出新的未來，數(shù)據(jù)中心的建筑基礎(chǔ)不僅要適應(yīng)當(dāng)前的硬件設(shè)備的需要，同時要為未來的硬件設(shè)備預(yù)留一定的適配可能。持續(xù)優(yōu)化數(shù)據(jù)中心建筑基礎(chǔ)已成為數(shù)據(jù)中心業(yè)界及相關(guān)企業(yè)部門的關(guān)注焦點[1]。

2數(shù)據(jù)中心建筑基礎(chǔ)空間分析及優(yōu)化

上海某數(shù)據(jù)中心位于上海浦東新區(qū)，建于2018年。其建設(shè)模式基于云計算數(shù)據(jù)中心，總面積約2000㎡，其空間規(guī)劃主要分為四個功能區(qū)，即主機房、輔助間、支持間和行政區(qū)。每個房間單獨分隔，主機房用于放置機柜、服務(wù)器、網(wǎng)路設(shè)備、通信設(shè)備等重要設(shè)備。輔助間為倉庫。支持間放置UPS、配電間、氣瓶間、新風(fēng)機、空調(diào)室、發(fā)電機等。行政區(qū)域主要包括辦公室、保安室、監(jiān)控室、衛(wèi)生間等。主機房位于建筑空間的中心處，南北兩側(cè)為精密空調(diào)，西側(cè)為走廊及供能、消防、辦公、新風(fēng)等設(shè)備空間，東側(cè)緊挨安保室、辦公室和衛(wèi)生間等提供駐場人員服務(wù)的空間（見圖1）。隨著現(xiàn)代信息化程度的深入，企業(yè)的信息業(yè)務(wù)不斷擴張，傳統(tǒng)的設(shè)備已無法滿足目前的業(yè)務(wù)需求，因此本項目的企業(yè)需要對其數(shù)據(jù)中心進(jìn)行設(shè)備更替，在此過程中希望對數(shù)據(jù)中心的建筑基礎(chǔ)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，以滿足新設(shè)備在負(fù)載、功耗、節(jié)能、環(huán)境等需求。本項目數(shù)據(jù)中心的建筑基礎(chǔ)空間優(yōu)化具有以下六項。

2.1天花工程

考慮到機房的技術(shù)要求和機房的高度要求，優(yōu)先選擇中央機房的天花板進(jìn)行優(yōu)化，以節(jié)約建設(shè)成本。首先在天花板上部粘貼保溫棉，起到防潮、防塵、保溫的作用，其次在下部采用全鋁塑噴涂微孔吊頂，具有防火防潮、易清洗和降噪的功能[2]。在選材方面，選用金屬防靜電吊頂。其不僅具備價廉質(zhì)優(yōu)的優(yōu)點，并且還具備平整度高和顏色均勻的特點。為了使燈具的風(fēng)格與金屬吊頂保持一致的風(fēng)格，照明系統(tǒng)采用了光柵燈，燈具在天花板上均勻分布，具有協(xié)調(diào)裝飾的效果。此外，在具體的施工工藝中，還需要對天花板部分做防水防漏處理。值得一提的是，在天花板的整體施工完成后，可以刷一層防塵涂料，以確保天花板的基礎(chǔ)不會積滿灰塵。此外，天花板和天花板上部的線槽應(yīng)接地，以防止靜電灰塵收集。由于開放式制冷系統(tǒng)的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，在空氣交換過程中，微小的灰塵會暴露在整個主機房的空間中，具有藏污納垢的風(fēng)險，影響主機房的工作運行環(huán)境安全，因此在天花工程之中增加防塵設(shè)計，減少粉塵污染的影響。

2.2地面工程

根據(jù)該項目建設(shè)數(shù)據(jù)中心的需要，防靜電地板采用全鋼防靜電材料。防靜電地板由鋼板制成，具有很高的耐久性，同時，它還具有防火和防潮的功能。此外表面采用進(jìn)口抗靜電涂料，抗靜電效果良好。并且無邊地板的配合精度高，避免了地板連接間的縫隙，防止地板藏污納垢（見圖2）。在數(shù)據(jù)中心的防靜電地板施工過程中，需要對地面進(jìn)行預(yù)處理。首先，機房的地板應(yīng)該平整以防止灰塵和潮濕，然后開始刷防潮漆以防止潮濕和霉變，然后再刷防靜電水泥漆，最后在地面上鋪設(shè)保溫棉，可以有效的起到數(shù)據(jù)中心地面的保溫、隔熱、防潮作用，然后在絕熱層上安裝一層鍍鋅鋼板，然后在鍍鋅鋼板上完成等電位接地銅排施工，最后再完成架高抗靜電地板和設(shè)備承重底座安裝固定，起到抗震、防火、潔凈、等電位、屏蔽的功能，另外在冷熱通道區(qū)間進(jìn)行彩色噴涂保護(hù)，并以顏色區(qū)分實現(xiàn)可視化管理標(biāo)識。地板的標(biāo)高為500mm～600mm，有足夠的空間在地板下形成靜壓力艙和消音氣流分配風(fēng)道，并與供配電系統(tǒng)的設(shè)計和施工相結(jié)合，方便鋪設(shè)強弱電、消防等管道及相關(guān)電氣設(shè)施(插座、插座盒、漏水傳感器、煙感傳感器等)。此外，地板上新增用于機房的防水插座，專用于終端和其他設(shè)備，可以隨時打開或關(guān)閉，以確保使用方便和安全，克服以前接線翻地板的缺點。

2.3墻體工程

通常，數(shù)據(jù)中心的墻面以石膏板為基礎(chǔ)，墻面需要優(yōu)化，包括墻面處理、抹灰處理、隔音面具處理等工序（見圖3）。墻面應(yīng)做保養(yǎng)工藝，如刷防塵漆、防潮漆和防水涂料等，再到墻壁內(nèi)壁使用40mm厚的鋁箔玻璃纖維絕緣棉。抹灰面漆需要用灰砂或水泥砂漿涂抹在建筑物的墻壁和支柱表面，以使建筑物內(nèi)部光滑，并增強保溫、隔熱、隔音、防塵等性能，最后表層添加水刷石、水磨石、噴涂等材料及工藝。隔音墻主要是利用數(shù)據(jù)中心主機房周圍的彩色涂層鋼板進(jìn)行工藝處理。由于數(shù)據(jù)中心機房的潔凈要求較高，本項目采用彩涂鋼板裝飾，其具備防潮防濕的作用，在潮濕的環(huán)境下也可以對墻體有很好的保護(hù)作用（見圖4）。

2.4空氣凈化

在空氣凈化設(shè)計方面，主要根據(jù)氣壓差的原理，設(shè)計了正壓新風(fēng)系統(tǒng)隔離了塵埃從室外進(jìn)入室內(nèi)。根據(jù)國標(biāo)GB50174-2017的規(guī)定A級數(shù)據(jù)中心的空氣指標(biāo)是每升含塵量≤18000粒（細(xì)微性≥0.5微米），而塵源主要是從外界引入的新風(fēng)。首先利用正壓新風(fēng)系統(tǒng)，使得室內(nèi)比室外氣壓高9.8Pa，有效隔離塵埃，新風(fēng)濾塵效率控制在70%以上。其次，精密空調(diào)的回風(fēng)量控制在16200m3/h。在城市大氣中含塵量的特定條件下，本項目所采用的空調(diào)回風(fēng)風(fēng)量每小時可過濾室內(nèi)空氣85次以上，當(dāng)空調(diào)的空氣回圈周期為20次/H時，精密空調(diào)的灰塵過濾效率達(dá)到95%以上，機房的灰塵含量可以控制在一個水準(zhǔn)，測試結(jié)果如表1所示。此外，在現(xiàn)場測試中，發(fā)現(xiàn)主機房的清潔度優(yōu)于相鄰的普通機房，合理的原則是主機房的熱負(fù)荷大于相鄰?fù)ㄓ脵C房的熱負(fù)荷，前者注入的空調(diào)也比后者大，主機房的氣壓比相鄰機房略高，所以主機房會比相鄰的普通機房干凈。其次，由于在精密空調(diào)區(qū)域使用明亮清潔的彩鋼金屬鋁塑復(fù)合板作為墻壁保護(hù)，天花板使用防塵漆和保溫隔熱金屬板，在地板下靜壓箱均采用防火隔熱以及安裝鍍鋅金屬板，并進(jìn)行防塵處理，保證地板下空調(diào)送風(fēng)潔凈需要。用于冷卻設(shè)備的空氣會被精密空調(diào)進(jìn)行預(yù)冷卻，然后送至服務(wù)器發(fā)熱元件進(jìn)行循環(huán)冷卻，精密空調(diào)的G4級過濾器對主機房室內(nèi)空氣進(jìn)行凈化過濾處理，以便控制分散灰塵的數(shù)量。

2.5場地防水

通常數(shù)據(jù)中心機房漏水事故發(fā)生的原因是空調(diào)的冷凝水泄漏和地板的滲水[4]。對于這兩種情況的解決方案有：防新風(fēng)氣流因溫差結(jié)露。機房區(qū)域的新鮮空氣是直接從室外氣氛中引入的。在高溫高濕季節(jié)，當(dāng)引入的新鮮空氣在機房內(nèi)達(dá)到23℃±2℃時，會產(chǎn)生少量的冷凝水。為了解決這一現(xiàn)象，可以將室外新鮮空氣引入新風(fēng)扇，經(jīng)過新風(fēng)扇加壓后，風(fēng)管通向空調(diào)的上回風(fēng)口。經(jīng)過空調(diào)的新風(fēng)流和回風(fēng)流同時通過空調(diào)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)、濕度調(diào)節(jié)和除塵，然后用空調(diào)的大氣流將它送入房間空間，例如產(chǎn)生一點水，它積聚在空調(diào)機身的“水盆”中，并通過空調(diào)的排水管排放到外面。防止因空調(diào)機加濕器，進(jìn)排水管損壞漏水。在精密空調(diào)區(qū)地坪安裝絕熱層，緩沖地坪上、下兩者溫差。其次，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)用于在空調(diào)房間的地面上建立一個自動漏水監(jiān)測系統(tǒng)，它可以即時監(jiān)測地面漏水情況，及時制止因管道破裂和漏水造成的事故。更重要的是，在機房四周及精密空調(diào)主機周圍設(shè)100mm高防水地壟，在漏水意外發(fā)生以后，使得機房有一定的冗余機制，預(yù)留一定時間給維修人員及時搶修。機房入口安裝防水擋板，防止外部其他洪澇或消防管道意外水源進(jìn)入機房導(dǎo)致水患。

2.6消防系統(tǒng)

上海某數(shù)據(jù)中心采用氣體滅火系統(tǒng)，其主要滅火材料使用七氟丙烷氣體。此外，氣體滅火系統(tǒng)有三種控制模式，包括自動、手動和機械緊急啟動[5]。該項目的設(shè)計目標(biāo)是:①發(fā)生火災(zāi)時，迅速將火撲滅，確保機房設(shè)備和人員的安全；②滅火不能損壞機房內(nèi)的設(shè)備，最大限度地減少火災(zāi)損失；③為確保消防系統(tǒng)啟動時工作人員的安全，氣體毒性應(yīng)降至最低。滅火系統(tǒng)主要有兩種，分別為管網(wǎng)式和無管網(wǎng)式。主要針對數(shù)據(jù)中心主機房的面積大小而定。采用管網(wǎng)式滅火系統(tǒng)可以不占用主機房的空間，專門設(shè)立氣瓶室存放滅火氣瓶。而無管網(wǎng)式不需要單獨的房間，可以設(shè)立在主機房內(nèi)。這兩種方式的具體分析如下。1）管網(wǎng)式滅火系統(tǒng)管網(wǎng)式滅火系統(tǒng)由瓶組架、滅火劑容器、機械應(yīng)急啟動把手、滅火劑容器閥、壓力軟管、滅火劑管路單向閥、安全釋壓閥、集流管、啟動管路、信號回饋裝置、滅火劑傳輸管道、電器控制線路、噴嘴、火災(zāi)探測器、放氣指示燈、光報警器、聲報警器、緊急啟動按鈕、報警控制器、滅火控制器、輔助啟動裝置等組成。管網(wǎng)式滅火系統(tǒng)需要設(shè)置氣瓶室，通過管網(wǎng)連接至保護(hù)區(qū)，當(dāng)保護(hù)區(qū)發(fā)生火災(zāi)時，火災(zāi)探測器收到火災(zāi)情報并反饋于報警控制器，并觸發(fā)光聲報警器和滅火控制器，滅火控制器啟動氣瓶裝置，滅火劑由氣瓶室傳輸?shù)奖Ｗo(hù)區(qū)，通過噴頭進(jìn)行滅火（見圖6）。2）無管網(wǎng)式滅火系統(tǒng)無管網(wǎng)式滅火系統(tǒng)由氣瓶柜、滅火劑容器、機械應(yīng)急啟動把手、滅火劑容器閥、壓力軟管、滅火劑管路單向閥、安全釋壓閥、集流管、滅火劑傳輸管道、火災(zāi)探測器、電氣控制線路、噴嘴、信號回饋裝置、啟動管路、啟動裝置、報警控制器、滅火控制器、聲報警器、光報警器、放氣指示燈、緊急啟動按鈕等組成。無管網(wǎng)式滅火系統(tǒng)無需氣瓶室，滅火劑容器及配套裝置設(shè)置在保護(hù)區(qū)內(nèi)。區(qū)別于管網(wǎng)式滅火系統(tǒng)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，采用全淹沒式滅火系統(tǒng)，噴嘴直接釋放滅火氣體填充保護(hù)區(qū)，滅火效率高，并且距離較近，需要的壓力較小，降低高壓爆瓶的風(fēng)險（見圖7）。項目的冗災(zāi)系統(tǒng)主要由自動、人工兩種方式控制。1）自動啟動模式在一般情況下，消防滅火系統(tǒng)保持自動運行狀態(tài)。若發(fā)生火災(zāi)時，溫度監(jiān)測器與煙霧檢測器會同時向火災(zāi)聲報器、光報器、滅火控制器等傳輸火災(zāi)警報并啟動相應(yīng)的設(shè)備。其中，聲報器和光報器有利于提醒人員疏散。同時，系統(tǒng)自動切斷非冗災(zāi)系統(tǒng)的供電系統(tǒng)，并進(jìn)入滅火裝置啟動倒計時，預(yù)留一定的時間讓工作人員撤離。在倒計時結(jié)束后，氣體滅火系統(tǒng)迅速啟動，釋放七氟丙烷實施滅火。同時，點亮數(shù)據(jù)中心門口的警示燈，防止人員誤入。在滅火結(jié)束后，經(jīng)過人工檢查無安全隱患后，可手動熄滅警示燈。2）人工啟動模式當(dāng)數(shù)據(jù)中心正在維護(hù)檢修時，為了防止誤觸火災(zāi)警報系統(tǒng)，可以將其設(shè)置為人工啟動模式。當(dāng)數(shù)據(jù)中心火災(zāi)發(fā)生時，需要人工按下氣體滅火控制盤的按鈕，進(jìn)入倒計時準(zhǔn)備滅火。如果出現(xiàn)緊急情況，在保證數(shù)據(jù)中心室內(nèi)沒有工作人員的情況下，可以打破數(shù)據(jù)中心室外的緊急滅火系統(tǒng)按鈕的玻璃罩，及時啟動緊急滅火。若出現(xiàn)系統(tǒng)火警誤報或火災(zāi)不嚴(yán)重的情況，可在火災(zāi)報警系統(tǒng)啟動后的倒計時期間，人工按下氣體滅火控制盤的取消按鈕制止氣體滅火系統(tǒng)。

3結(jié)語

通過對數(shù)據(jù)中心建筑基礎(chǔ)空間的探索與實踐應(yīng)用，在具體的細(xì)部上不斷的深入及優(yōu)化，以空間細(xì)部量變實現(xiàn)整體空間的質(zhì)變，從而實現(xiàn)了空間優(yōu)化的目標(biāo)，同時在實際工程中也具備一定的可操作性，在建筑可持續(xù)優(yōu)化的方向上提供了一個新的思路，最終實現(xiàn)面向智慧城市數(shù)據(jù)中心的優(yōu)化設(shè)計。

參考文獻(xiàn)

[3]李勁.云計算數(shù)據(jù)中心規(guī)劃與設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[4]林予松.數(shù)據(jù)中心設(shè)計與管理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.

[5]中國建筑節(jié)能協(xié)會.數(shù)據(jù)中心電氣設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

作者：鄭亮 鄭洪斌 單位：澳門科技大學(xué)