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“新基建”下数据中心选址与节能

2020年3月4日,中共中央政治局常务委员会召开会议时指出:加快5G网络、数据中心等新型基础设施的建设进度。“新基建”的概念是与传统基建相对应的,传统基建是指铁路、公路、机场和房地产等为代表的基建模式。“新基建”赋予数字化、网络化和智能化的内涵,体现当今世界经济和中国经济发展趋势与内在需求的建设模式。在“新基建”的背景下,数据中心的重要性日益凸显。数据中心实现的功能是对信息进行处理、传输、运算和存储,是一切信息化的基础。没有数据中心,其他一切信息化都不可实现,例如5G、物联网和智慧城市等。数据中心从建设用途上可以分为两类:提供互联网服务的数据中心(Internet Data Center,IDC)和企业级数据中心(Enterprise Data Center,EDC)。2010—2019年,中国IDC市场增长19倍,增长率稳定在35%以上,2019年市场规模接近1 900亿元,增速接近36%,全部数据中心市场中,IDC占比70%,EDC占比30%,市场规模达到2 700亿元。2020年市场规模预计3 700亿元。2018年全球IDC市场整体规模超过6 000亿元人民币,同比增长23.6%,2020年预计全球IDC市场规模可以达到8 000亿元。数据中心业内最关心的两个问题是可靠性和节能,这两个问题与数据中心的选址密切相关,下面将分别进行阐述。

中国电子工程设计院有限公司副总工程师 钟景华

数据中心选址

数据中心选址涉及到安全、节能、电力、通信、交通和环境等方方面面,建设数据中心首先遇到的问题就是选址问题。选址是否合理直接关系到数据中心建设的成败。

《数据中心设计规范》 G B 50174—2017是2017年发布的,为目前最新的数据中心设计规范,也是指导数据中心设计、建设的最根本的一本规范。下面就该规范对于数据中心选址作出的规定进行解读。

1)电力供给应充足可靠,通信应快速畅通,交通应便捷。数据中心的耗电量比较大,每平方米耗电量一般是写字楼的50~60倍。这么大的用电量,如果没有充足的电力供应,是不可能建数据中心的。所以,选址时首先要查看了解周边能否有足够的电力供应。数据中心与网络的关系就像发电厂与电网的关系一样。发电厂发出的电需要通过电网给用户供电,而数据中心中的数据和信息也需要通过网络传输给用户。所以,数据中心必须有网络支持,没有网络支持的数据中心就是信息孤岛。数据中心在建设过程中有大量的设备需要运输,在使用过程中一旦出现故障,则需要人员来援救、设备来支持,因此数据中心所在地必须交通便捷。

2)自然环境应清洁,环境温度应有利于节约能源。数据中心里有大量的空调系统,需要有新风进入,如果数据中心所在地区雾霾很严重,会对电子设备产生腐蚀作用。当雾霾严重时,需要对空气进行过滤,则将增加建设和运行成本,所以尽量选择在环境清洁的地方建数据中心。国家倡导数据中心建在北方和西部主要是从节能的角度考虑的。我国北方和西部温度都比较低,空调系统的使用量会大大减小,可有效降低数据中心的能耗。但是,数据中心选址最根本的是应用,如果建在很偏远的地区,虽然环境温度比较低,但附近用户量较少也是不行的。所有的信息传输都是有时延的,距离近,时延就短;距离远,时延就长。举例来说,股票交易就与数据中心的位置有很大关系。大部分券商都把自己的数据中心放在深交所或上交所建的数据中心里,因为距离近,所以成交的可能性更大。越是经济发达的地区,需要的数据和信息就越多,所以需要在经济发达地区建设更多数据中心。

3)A级数据中心不宜建在公共停车库的正上方。这条规定主要考虑的是数据中心安全方面的因素。美国的规范中规定数据中心下面是不允许有停车库的,因为数据中心是企业、政府的最核心的部门,如果有汽车炸弹袭击,或者由于驾驶技术导致汽车撞击地下停车库中的建筑物,则重要的信息就会丢失。在中国实施这样的硬性规定有一定的困难,根据中国的国情,修建的数据中心下面不能有公共停车库,对于企业自己的停车库需要严格管理。

4)大中型数据中心不宜建在居民小区和商业区内,与住宅的距离不宜小于100 m。这条规定是受两个典型案例的启发。2016年,在上海和法国发生了两起官司,都是数据中心附近的居民起诉噪声扰民,两起官司的结果都是居民获胜,数据中心关门。数据中心的建设成本是非常高的,如果因为居民起诉而被关闭,损失也是非常高的。数据中心为了给空调系统降温,在屋顶上都会有冷却塔或是空调系统室外机组,这些设备会产生很大的噪声。经测试,单台冷却塔的噪声在70分贝左右,数据中心整体产生的噪声在90分贝左右,会给附近的居民造成严重困扰。当距数据中心80 m左右时,噪声值会降到与周围环境同等水平,所以规范规定数据中心建设地点离居民区不得小于100 m。数据中心不能建在商业区是因为商业区的电价非常高,用电成本承担不起,而且商业中心人员密度比较大,也不利于数据和信息的安全。

在我国将数据中心根据重要程度不同划分为三个等级。

1)A级为容错型,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、外电源中断、维护和检修而导致电子信息系统运行中断。A级是最高级别,主要是指涉及国计民生的机房设计。其电子信息系统运行中断将造成重大的经济损失或公共场所秩序严重混乱。

2)B级为冗余型,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电子信息系统运行中断。B级定义为电子信息系统运行中断将造成一定的社会秩序混乱和一定的经济损失的机房。

3)C级为基本型,在场地设备正常运行情况下,应保证电子信息系统运行不中断。A级或B级范围之外的电子信息系统机房都称为C级。

表1中列出了规范对三种数据中心选址的一些具体要求。

表1 数据中心选址

2016年,工信部发布《关于进一步加强通信信息业节能减排工作指导意见》,要求“十三五”期间积极推动绿色数据中心的建设,实现新建大型数据中心 PUE 值低于1.4。

空调系统的能耗占数据中心整体能耗的很大一部分,是降低数据中心PUE值的关键环节,对于数据中心里的空调系统可以采取如下节能措施。

1)空调系统应根据当地气候条件,充分利用自然冷源。

2)空气质量优良地区可采用全新风空调系统。

表2列出了几个数据中心的选址与PUE值的关系。

表2 几个数据中心选址与PUE值

从表2中可以看出,位于挪威莱夫达尔的数据中心纬度非常高,PUE值很低,可以达到1.1;我国纬度比较高的地区建设的数据中心位于内蒙古的海拉尔,PUE值可以达到1.18;百度建在阳泉的数据中心。虽然纬度不是很高,但是在建设过程中运用了大量新技术,投入了很大成本,PUE值可以达到1.1。总的来说,数据中心所在地区纬度越高,PUE值越低。

典型案例介绍

1. 日本IDCF数据中心

IDCF数据中心位于日本福冈县北九州市,建筑面积45 000 m2,双路66 kV高压进线,2×30 MV·A变压器,鸡笼式建筑,全新风空调系统,封闭热通道。机柜功率6~10 kW。

新风从IDCF数据中心下面类似于百叶的进风口进入,通过机柜把机柜里的热量带走,温度升高之后顺着通道把热风送到屋顶,在出风口将热量散去,这就是鸡笼式建筑的特点,非常节能。日本IDCF数据中心外观图如图1所示。

图1 日本IDCF数据中心

因为空气质量问题,中国采用鸡笼式数据中心不多。近几年随着我国空气质量好转,这种形式的数据中心在一些地方也逐渐得到应用。

日本的数据中心没有国家标准,只有协会标准,表3为日本数据中心的协会标准。日本将数据中心划分为4个等级,Tier1~Tier4,Tier4为最高等级,依次降低。IDCF 数据中心备用电源采用单台功率3 500 kV·A 重油发电机,采用重油发电机的优点如下。

1)重油发电机的功率大,单台功率可以 达到3 500 kV·A,柴油发电机很难达到这么大的功率。

2)重油发电机建造成本低,只有柴油发电机的50%。

3)重油热值高,闪点高,更加安全可靠。

4)采用重油日本政府给予补贴,采用柴油则没有补贴。在中国由于柴油比较普遍,重油应用的比较少,所以大部分数据中心备用电源都是采用柴油发电机。

表3 日本数据中心协会标准:JDCC FS-001

2. 挪威莱夫达尔矿洞数据中心

挪威莱夫达尔矿洞数据中心位于北纬 60°的大西洋沿岸,是利用废弃的地下铝矿矿洞建成的数据中心,矿洞面积 40万m2。该数据中心位于地下160 m,非常安全。矿洞数据中心距离松恩峡湾几百米,空调冷源来自海面下60 m的海水,双路220 kV高压进线,柴油发电机作为备用电源。

在电力供应方面,挪威莱夫达尔矿洞数据中心所在地区有大量的可再生能源,松恩峡湾有350 MW水电供应和22 MW风力发电。该地区电价非常便宜,为0.03~0.04欧元/kW·h,可节约大量运行成本。

挪威莱夫达尔是大西洋海底光缆登陆点,所以地理位置优越,到各大城市的传输时延为:奥斯陆7 ms,斯德哥尔摩13 ms,哥本哈根15 ms,伦敦17 ms,法兰克福22 ms,阿姆斯特丹21 ms。运营商可以根据时延开发各种应用。数据中心所在矿洞共分为五层。一层放置网络、风机和水泵等基础设施;二~五层为主机房。每个洞都是标准的:洞长500 m,洞宽350 m,洞深160 m,单洞长30~100 m。每个隧道宽13 m,高16 m,采用集装箱数据中心,集装箱内的各种电气设备、网络设备和服务器等全部在洞外厂安装,做好集成,每个集装箱的用电量为10 MW ,在洞内把电力、冷冻水等接至每个集装箱即可应用。莱夫达尔矿洞数据中心模型图如图2所示。

图2 挪威莱夫达尔矿洞数据中心模型

数据中心空调冷冻水的冷源采用的是7 ℃的海水,因为矿洞低于海平面,所以可以先把海水通过虹吸技术吸进来,通过板换降低洞内冷冻水的温度。由于应用了这项技术,莱夫达尔矿洞数据中心的PUE值非常低,为1.1,所以非常值得借鉴。

结束语

2009年11月11日,阿里巴巴创建“双十一”,当天销售额 0.5亿元人民币;2019年11月11日,淘宝天猫销售额2 684亿元人民币,10年增长5 368倍,幕后英雄就是数据中心。

数据中心是一切信息化技术的基础,各行各业依赖于信息技术的发展而发展,信息就像水和电一样,成为不可缺少的元素,就像发电厂为电网提供源源不断的电力支持一样,数据中心为信息网络提供源源不断的信息支持。

数据中心选址涉及需求、安全和节能。在“新基建”背景下,各地应尽早规划布局数据中心,让数据中心成为数字经济时代的支点。