數據中心建筑基礎空間優化設計分析

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【摘要】文章以上海某數據中心為例，探討了數據中心建筑基礎的空間優化，同時為數據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用。在數據中心建筑基礎空間中的天花、地面、墻體、空氣、防水及消防等分別提供了空間設計上的優化策略。

【關鍵詞】智慧城市；數據中心；優化設計

1引言

數據中心是智慧城市的關鍵技術支撐，它不僅可以為城市的市民提供服務，也可以為企業提供相應的支持。此外，企業從業務的支持、驅動和創新都離不開數據中心的加持。智慧城市作為城市發展的需求及目標，同樣對數據中心帶來了新的機遇與挑戰。總體而言，數據中心由數據應用、技術支持、硬件設備及建筑基礎組成。數據應用處于數據中心的產業鏈的下游，負責服務企業和部分各類型的信息應用及存儲。技術支持負責為數據應用提供技術支持，包括5G、人工智能、深度學習、云計算、大數據等。硬件設備為軟件應用提供了運行的環境及基礎平臺。建筑基礎處于數據中心的上游，不僅為硬件設備提供存放的空間，還需要保障硬件設備的運作環境，提供供能、制冷、消防、安防等支持。數據中心的建筑基礎作為數據中心重要的組成部分，在智慧城市的推動下，其節能程度、使用壽命、空間舒適度、空調系統、排水系統等仍然有值得優化的空間，尤其是在新型硬件設備不斷推陳出新的未來，數據中心的建筑基礎不僅要適應當前的硬件設備的需要，同時要為未來的硬件設備預留一定的適配可能。持續優化數據中心建筑基礎已成為數據中心業界及相關企業部門的關注焦點[1]。

2數據中心建筑基礎空間分析及優化

上海某數據中心位于上海浦東新區，建于2018年。其建設模式基于云計算數據中心，總面積約2000㎡，其空間規劃主要分為四個功能區，即主機房、輔助間、支持間和行政區。每個房間單獨分隔，主機房用于放置機柜、服務器、網路設備、通信設備等重要設備。輔助間為倉庫。支持間放置UPS、配電間、氣瓶間、新風機、空調室、發電機等。行政區域主要包括辦公室、保安室、監控室、衛生間等。主機房位于建筑空間的中心處，南北兩側為精密空調，西側為走廊及供能、消防、辦公、新風等設備空間，東側緊挨安保室、辦公室和衛生間等提供駐場人員服務的空間（見圖1）。隨著現代信息化程度的深入，企業的信息業務不斷擴張，傳統的設備已無法滿足目前的業務需求，因此本項目的企業需要對其數據中心進行設備更替，在此過程中希望對數據中心的建筑基礎進行適當優化，以滿足新設備在負載、功耗、節能、環境等需求。本項目數據中心的建筑基礎空間優化具有以下六項。

2.1天花工程

考慮到機房的技術要求和機房的高度要求，優先選擇中央機房的天花板進行優化，以節約建設成本。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。其不僅具備價廉質優的優點，并且還具備平整度高和顏色均勻的特點。為了使燈具的風格與金屬吊頂保持一致的風格，照明系統采用了光柵燈，燈具在天花板上均勻分布，具有協調裝飾的效果。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不會積滿灰塵。此外，天花板和天花板上部的線槽應接地，以防止靜電灰塵收集。由于開放式制冷系統的傳統數據中心，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，具有藏污納垢的風險，影響主機房的工作運行環境安全，因此在天花工程之中增加防塵設計，減少粉塵污染的影響。

2.2地面工程

根據該項目建設數據中心的需要，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）。在數據中心的防靜電地板施工過程中，需要對地面進行預處理。首先，機房的地板應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，最后在地面上鋪設保溫棉，可以有效的起到數據中心地面的保溫、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，另外在冷熱通道區間進行彩色噴涂保護，并以顏色區分實現可視化管理標識。地板的標高為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道，并與供配電系統的設計和施工相結合，方便鋪設強弱電、消防等管道及相關電氣設施(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備，可以隨時打開或關閉，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，數據中心的墻面以石膏板為基礎，墻面需要優化，包括墻面處理、抹灰處理、隔音面具處理等工序（見圖3）。墻面應做保養工藝，如刷防塵漆、防潮漆和防水涂料等，再到墻壁內壁使用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據中心主機房周圍的彩色涂層鋼板進行工藝處理。由于數據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，在潮濕的環境下也可以對墻體有很好的保護作用（見圖4）。

2.4空氣凈化

在空氣凈化設計方面，主要根據氣壓差的原理，設計了正壓新風系統隔離了塵埃從室外進入室內。根據國標GB50174-2017的規定A級數據中心的空氣指標是每升含塵量≤18000粒（細微性≥0.5微米），而塵源主要是從外界引入的新風。首先利用正壓新風系統，使得室內比室外氣壓高9.8Pa，有效隔離塵埃，新風濾塵效率控制在70%以上。其次，精密空調的回風量控制在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回風風量每小時可過濾室內空氣85次以上，當空調的空氣回圈周期為20次/H時，精密空調的灰塵過濾效率達到95%以上，機房的灰塵含量可以控制在一個水準，測試結果如表1所示。此外，在現場測試中，發現主機房的清潔度優于相鄰的普通機房，合理的原則是主機房的熱負荷大于相鄰通用機房的熱負荷，前者注入的空調也比后者大，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，由于在精密空調區域使用明亮清潔的彩鋼金屬鋁塑復合板作為墻壁保護，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，并進行防塵處理，保證地板下空調送風潔凈需要。用于冷卻設備的空氣會被精密空調進行預冷卻，然后送至服務器發熱元件進行循環冷卻，精密空調的G4級過濾器對主機房室內空氣進行凈化過濾處理，以便控制分散灰塵的數量。

2.5場地防水

通常數據中心機房漏水事故發生的原因是空調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：防新風氣流因溫差結露。機房區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，當引入的新鮮空氣在機房內達到23℃±2℃時，會產生少量的冷凝水。為了解決這一現象，可以將室外新鮮空氣引入新風扇，經過新風扇加壓后，風管通向空調的上回風口。經過空調的新風流和回風流同時通過空調進行溫度調節、濕度調節和除塵，然后用空調的大氣流將它送入房間空間，例如產生一點水，它積聚在空調機身的“水盆”中，并通過空調的排水管排放到外面。防止因空調機加濕器，進排水管損壞漏水。在精密空調區地坪安裝絕熱層，緩沖地坪上、下兩者溫差。其次，環境監測系統用于在空調房間的地面上建立一個自動漏水監測系統，它可以即時監測地面漏水情況，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主機周圍設100mm高防水地壟，在漏水意外發生以后，使得機房有一定的冗余機制，預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入機房導致水患。

2.6消防系統

上海某數據中心采用氣體滅火系統，其主要滅火材料使用七氟丙烷氣體。此外，氣體滅火系統有三種控制模式，包括自動、手動和機械緊急啟動[5]。該項目的設計目標是:①發生火災時，迅速將火撲滅，確保機房設備和人員的安全；②滅火不能損壞機房內的設備，最大限度地減少火災損失；③為確保消防系統啟動時工作人員的安全，氣體毒性應降至最低。滅火系統主要有兩種，分別為管網式和無管網式。主要針對數據中心主機房的面積大小而定。采用管網式滅火系統可以不占用主機房的空間，專門設立氣瓶室存放滅火氣瓶。而無管網式不需要單獨的房間，可以設立在主機房內。這兩種方式的具體分析如下。1）管網式滅火系統管網式滅火系統由瓶組架、滅火劑容器、機械應急啟動把手、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。管網式滅火系統需要設置氣瓶室，通過管網連接至保護區，當保護區發生火災時，火災探測器收到火災情報并反饋于報警控制器，并觸發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到保護區，通過噴頭進行滅火（見圖6）。2）無管網式滅火系統無管網式滅火系統由氣瓶柜、滅火劑容器、機械應急啟動把手、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。無管網式滅火系統無需氣瓶室，滅火劑容器及配套裝置設置在保護區內。區別于管網式滅火系統，當火災發生時，采用全淹沒式滅火系統，噴嘴直接釋放滅火氣體填充保護區，滅火效率高，并且距離較近，需要的壓力較小，降低高壓爆瓶的風險（見圖7）。項目的冗災系統主要由自動、人工兩種方式控制。1）自動啟動模式在一般情況下，消防滅火系統保持自動運行狀態。若發生火災時，溫度監測器與煙霧檢測器會同時向火災聲報器、光報器、滅火控制器等傳輸火災警報并啟動相應的設備。其中，聲報器和光報器有利于提醒人員疏散。同時，系統自動切斷非冗災系統的供電系統，并進入滅火裝置啟動倒計時，預留一定的時間讓工作人員撤離。在倒計時結束后，氣體滅火系統迅速啟動，釋放七氟丙烷實施滅火。同時，點亮數據中心門口的警示燈，防止人員誤入。在滅火結束后，經過人工檢查無安全隱患后，可手動熄滅警示燈。2）人工啟動模式當數據中心正在維護檢修時，為了防止誤觸火災警報系統，可以將其設置為人工啟動模式。當數據中心火災發生時，需要人工按下氣體滅火控制盤的按鈕，進入倒計時準備滅火。如果出現緊急情況，在保證數據中心室內沒有工作人員的情況下，可以打破數據中心室外的緊急滅火系統按鈕的玻璃罩，及時啟動緊急滅火。若出現系統火警誤報或火災不嚴重的情況，可在火災報警系統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。

3結語

通過對數據中心建筑基礎空間的探索與實踐應用，在具體的細部上不斷的深入及優化，以空間細部量變實現整體空間的質變，從而實現了空間優化的目標，同時在實際工程中也具備一定的可操作性，在建筑可持續優化的方向上提供了一個新的思路，最終實現面向智慧城市數據中心的優化設計。

參考文獻

[3]李勁.云計算數據中心規劃與設計[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[4]林予松.數據中心設計與管理[M].北京：清華大學出版社，2017.

[5]中國建筑節能協會.數據中心電氣設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2013.

作者：鄭亮 鄭洪斌 單位：澳門科技大學