轻钢模块化数据中心设计易实现标准化、参数化.因此,设计中在满足数据中心各专业设计规范和协同的同时,也要以“工业化制造”为指导,兼顾模块单元产品质量和成本.图2展示了标准化的数据中心单元的协同设计模式.
图2 多专业系统数据中心协同设计
Fig.2 Collaborative design of multi-discipline system for data center buildings
2.1 基于模块化的建筑和设备设计
在建筑设计方面,由于采用了标准化的集装箱尺寸,需要合理考虑整体功能空间的规划,所有内部尺寸都应尽量定制化,同时兼顾其他专业的需求.例如保温系统需要结合标准化模块单元的形式采用夹心保温的方式,缝隙为需要重点处理的部位; 预留墙板洞、管道井,以解决各专业管道穿行; 防水模块尽量避免跨越缝隙,尽量在同一个集装箱内自成体系; 集装箱防水接缝处理应考虑内部横向纵向接缝处理以及外部横向纵向接缝处理.
在电气与设备工艺设计方面,需要考虑将各种机电设备都能在工厂装配好,或在现场的移动工厂提前安装在模块单元中.在设计时,依据标准集装箱规格合理安排动力配电系统、照明系统、插座系统、应急照明及疏散指示系统和安防系统.针对单箱式模块,电源是固定在边缘侧,只需在箱体内进行布线设计; 针对组合式模块,则需要考虑由外市电引入,将高压柜、变压器、低压配电系统、UPS配电系统、直流配电系统组成一个电源模块,并预留同IT模块、空调模块的管线连接口.
2.2 模块单元的结构设计
传统模块化建筑可采用墙承重或柱承重的承重形式[5-6].结构设计时,从工厂化加工的角度,需尽可能做到构件截面、甚至单元层面的标准化.为此,本文提出两个原则:(1)为解决不同风荷载和地震作用的抗侧力要求对模块单元结构标准化的影响,可采用“承重与抗侧分离”的设计理念,通过配置满足不同抗侧能力需求的预制功能构件,在承重需求下解决模块单元的结构标准化问题,实现结构设计参数化.(2)为解决不同楼(屋)面荷载对模块单元结构标准化的影响,可采用桁架式楼(屋)面方案,通过变换桁架弦杆截面或桁架高度方式,实现结构方案标准化和结构设计的参数化.在此基础上,提出了由标准化截面构件、结构单元及节点构造的模块单元方案(图3).结构设计的另一个重点是模块单元模块之间连接设计,模块之间需要通过标准连接件和连接工艺,形成满足结构性能要求的标准化节点构造.连接节点主要涉及模块与模块、模块与屋面、模块与基础之间,其中又分为角节点、边节点、中节点.但在模块单元结构方案标准化的前提下,很容易实现这些节点构造的标准化[7-9].
以某一多层组合式模块建筑体系为例,在此阐明模块单元的结构设计标准化理念.对于多层模块结构体系,其上下相邻的模块受弯构件需要进行连接以提高其承载力.考虑到采用H型截面进行叠合连接方便,且用钢量更小,可作为首先推荐的截面类型.此案例中,采用的标准化构件截面为:BOX 250×12,HN 100×50×5×7,HW 100×100×6×8,HW 150×150×7×10,HM 148×100×6×9,HM 194×150×6×9,HW 200×200×8×12.根据组合式模块建筑体系的平面布置,整理出标准的模块单元,并对其进行编号.模块单元的编号规则为S/A(单箱式/组合式)-18/20/30/40(模块长度)-A/B(模块宽度)-Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ(首层/顶层/标准层),例如,A-40-A-Ⅲ为标准层,长40 ft,宽2 438 mm,用于组合式数据中心的模块单元.其中,标准模块的具体布置如表3所示,标准构件与标准模块的对应关系如图3所示.
表3 标准模块单元的构件布置及其截面分类
Tab.3 Component assignment and section classification of standard module unit
图3 模块单元与截面对应关系
Fig.3 Correspondence between module unit and section
最终,将标准的模块单元组装为所需的模块建筑,并对该体系进行各工况下的结构及构件验算.对于上述案例中的组合式数据中心,标准模块的组装方案如图4所示.
图4 标准模块单元与数据中心结构体系对应关系
Fig.4 Correspondence between standard module units and structural system of data center buildings
2.3 参数化智能设计
在数据中心建筑中,单箱式模块数据中心只有一个模块(如表1),而组合式数据中心是诸多功能模块的组合(如表2),其IT机组、电源机组、冷却机组的数量和相互约束是在选型时的重要考虑.组合式数据中心的智能化设计的重点在功能模块数量和组合连接关系的参数化表达,以及在不同数量下模块之间的组合形式变化.以IT机组需求和电源机组需求为例,本文将展示组合式数据中心的参数化智能设计的方法.
IT模块是数据中心的核心部分,其布设情况将影响其他模块,在参数化组合时宜优先考虑.单个IT模块可提供32个设备位置,除去PDF与消防设备(共占用3个设备位置),剩下29个空位布设机柜和空调.IT单模块内的机柜与空调除需满足上述的位置数量的约束外,空调制冷量也应满足数据机柜的制冷需求.同时,考虑到制冷设备故障等突发状况,需预留一台空调设备作为应急备份,则可归纳出如式(1)的约束关系.
x+y=29 (1)
式中:x表示机柜数量; y表示空调数量.
此外,空调制冷量应满足数据机柜的制冷需求,而考虑到制冷故可得出机柜数量与空调数量之间还存在如式4.2的供需关系.
40(y-1)≥xb (2)
式中:40表示单个空调制冷量(单位:kW); x表示机柜数量; y表示空调数量; b表示单个机柜功耗.
据式(1)和(2)确定出每个IT单模块内容纳的机架数量后,用户输入对IT机柜的需求,就可确定IT单模块的总数量,如式3.
式中:β表示IT单模块的总数量; a表示机柜数量; x表示空调数量.
之后可确定电源模块的数量.在此之前,需要确定不同供电地区的PUE值.PUE表示数据中心总能源消耗与IT负载消耗的能源比值,值越大表明数据中心为实现IT设备运行所消耗的电能越大,是衡量一个数据中心性能和绿色程度的重要指标.根据上述概念,数据中心总电力需求θ即可表示为公式(4).
式中:δ表示总机架数量,计算方式如式(4)、(5); b表示单个机架能耗; α表示PUE值; α,β,和x的含义同公式(3).
为保障供电,需对θ进行一定的系数放大0.95.最终,电源模块的数量N则可用公式(6)表示:
N=θ/q (6)
式中:表示电力模块数量; θ表示总电力需求; 表示单个电源模块可供电量.
同时,考虑到数据中心对可靠性和安全性的需求,可以选择N型供电系统或2N型供电系统.图5和图6分别展示了在不同机架需求和供电模式下的模块化数据中心生成结果.
图5 N型配电系统下电源模块组合的不同形式
Fig.5 Module configurations of N-type powering system
图6 2N型配电系统下电源模块组合的不同形式
Fig.6 Module configurations of 2N-type powering system
参数化的模块数据中心生成方式增强了设计的自动化,能够快速生成符合各专业的模块方案,方便了业主及设计师做分析与决策.
