税收减免、财政补贴数据来自当地人民政府网站的公示信息。优质高校数量源自中国学位与研究生教育信息网。信息传输、软件及信息服务业从业人员人数来自最新统计年鉴。
　　
　　综上,选择温度、湿度、空气洁净度、地震强度、地质灾害数量、磁场干扰场强、电价、水价、电力自给率、人均工资、土地价格、建造成本、高速公里占总公里数比率、网络节点等级、金融业企业数量、用户使用固定网络的数量、软件信息服务业企业数量、有无产业扶持政策、行业从业人员数量和优质高校的数量等特征变量来衡量影响数据中心规划设计,如表3.1所示。
　　
　　3.4影响因素分析结果
　　
　　(1)数据中心空调、新风系统可将温度、湿度、空气洁净度等气象条件调节到适宜环境,因此气象条件对数据中心的数量没有明显的影响。
　　
　　(2)数据中心建造的标准抗震等级大于6，具有较高安全性，因此地质环境的地震强度、地质灾害的发生次数与规模数据中心的个数没有明显的联系。
　　
　　(3)在能源条件下,由于电力供需总体保持均衡,加之电力价格持续下跌,而水资源日益枯竭,使得水价出现了明显的上涨趋势,因此水价是最重要的因素。而电价、电力自给率等因素对于数据中心的数量并没有显着影响。据中国电力企业联合会的报告,二零二零年全国电力保持相对平稳状态。除华北和华中地区电力限流偶有发生之外,东北、西北能向外输送电。从今后的发展方向出发,可以优先发展东北、西北两个地区的数据中心。
　　
　　(4)在运营费用方面,由于目前的数据中心产业快速增长,导致了大量的人力资源紧缺,因此,具有竞争性的薪酬对于吸引大量的人才来说具有很大的诱惑力。由土地价格与建造成本标准相差并不太高可见,各个地区之间工业厂房并没有明显区别,与设备投资相比较,土地或厂房的资本开支在数据中心成本中的比例并不高,因此土地价格和建造成本对数据中心的数量没有明显的影响。
　　
　　(5)交通网络配套方面,基于数据中心业务对网络的速率和稳定性的要求,网络节点等级与数据中心数目之间存在着一定的联系。对于因距离而引起的网络延迟目前尚无有效的方法来解决。若能将其置于远离网络中心的位置,则可提高整体的传输速度及稳定性。但是近年来,基础设施投资建设在不同地区得到了发展。区域间交通设施相差不大,交通可达性对数据中心规划的影响较小,因此高速公里数占总公里数的比例与数据中心数量之间没有显著关系。
　　
　　(6)市场的需求现集中在各大云计算服务商、互联网企业以及数字化转型需求较大的传统行业,所以信息技术服务业的企业数量可作为用户的主体代表。在高传输速率和高可靠性要求日益增长的今天,目前的技术还无法很好地解决长距离传输造成的延迟问题,数据中心的规划距离用户越近,越能提供高质量的服务。
　　
　　(7)在区域环境下,相对于产业优惠政策和优质高校数量,数据中心数量与行业从业人员数量之间存在着紧密的关联,这是由于当前数据中心的扩张速度快于人才培养,致使对人才的需求急剧增长。二是数据中心安全规定所需的24h值班检查。因此,除了现有的维护机器人难以替代传统的人工巡检外,还存在着专业技术人员缺乏、人力资源短缺等问题。政策方面,“新基建”下各区域在税收优惠和财政补贴方面差异较小,因此产业优惠的存在与否对数据中心影响不显著
　　
　　四、数据中心优势位置选取设想
　　
　　如表4.1所示为全国数据中心基本信息。
　　
　　国内数据中心的布局可分为三类,以北上广深为第一类,合肥、芜湖、福州、厦门、兰州、南宁、贵阳、石家庄、唐山、洛阳、郑州、武汉、长沙、南京、无锡、苏州、沈阳、长春、吉林、哈尔滨、呼和浩特、太原、西安、天津、成都、昆明、海口、杭州、包括重庆在内的29个城市属第二类,其余则属于第三类。
　　
　　第一类如图4.1所示,北上广深与其他两种情况在网络配套、市场需求以及区域环境上存在较大差。此类区域的网络配套位于核心节点或汇聚节点,具有较大的用户基础,企业客户聚集,本地区人才储备丰富,因而此类区域内对数据中心的需求量远远大于其供给量,需适量增加供给填补需求缺口。这种类型可称为需求导向型。
　　
　　第二类共29个城市,如图4.2。这些地区的温度较低,利于降低数据中心的电力消耗,采用清洁能源;二是借助于低廉电价,在整体运行费用上占到了总费用的半数以上,而低价电力使得运行费用降低,对成本敏感客户有吸引力。此外,这些区域也拥有较高的顾客基数和较大的发展空间,这种类型可称为成本导向型。
　　
　　第三类区域市场需求大大低于第一类和第二类区域,无运营成本优势,所以保持该区域的供需平衡即可。
　　
　　在对北上广深等需求导向型数据中心的投资不变的前提下,适当把资金投入到武汉、哈尔滨、成都等成本导向型数据中心。针对数据中心的布局规划根据各个地区客户群特点以及地域特色,结合人才优势,进行合理规划,发挥规模效应,主要提出以下意见:
　　
　　(1)需求导向型数据中心一般位于产业集群和人口稠密的地区,如互联网产业,信息服务业,金融业,在客户准入、土地资源及能源消耗等方面都要经过严格的筛选和管控。需求导向型数据中心应构建符合客户需求的大规模精品数据中心,其服务水准及建造标准应达到五星的水准。
　　
　　(2)成本导向型数据中心一般选址于电力、土地、人工等费用较便宜地区,要全面把握顾客的成本敏感性,再逐渐将该业务从时效性较差地区迁移至其它地区。
　　
　　(3)发挥区域政策引导作用,探索需求导向型城市的辐射促进作用,在条件具备时,将现有中小客户和高耗能客户向周围迁移,以达到城域网和省网间的电能和网流均衡。
　　
　　五、数据中心基础设施的选配设计
　　
　　5.1数据中心的拟建
　　
　　以成本导向型数据中心为例,选择在呼和浩特市拟建数据中心,该地气温低,利于减少数据中心电力消耗,电力成本、土地成本和人力成本低廉,适合建设成本导向型数据中心。
　　
　　这里以呼和浩特为例,根据区域政策和成本优化筛选出适合选址区域。考虑到几个区域位于同一地区,在电价、水价、人均工资上基本无差异,根据土地价格,再结合《呼和浩特市促进大数据发展应用若干政策》,因此从成本优化和区域政策方面首选新城区,如图5.1所示的呼和浩特市城区工业用地级别与基准地价图和表5.1所示的呼和浩特规划影响因素综合计算表。
　　
　　该地区气候条件适宜,暂未发现灾害隐患,网络处于核心节点,电力供应可满足需求且具有可扩展性。交通便利,土地价格属于呼和浩特市较低水平。在利用本区的产业政策和人才优势的情况下,能为本区客户提供优质服务,也能辐射周边地区。
　　
　　综上,结合多种影响因素,选择呼和浩特新城区作为成本导向型数据中心适合建造的地区。
　　
　　5.2数据中心基础设施的配套设计
　　
　　5.2.1IT设备的选取
　　
　　因为IT设备在24h×365天不间断地运行过程中,会产生很大的热量,为确保设备工作安全可靠,必须为IT设备提供正常工作的温度、湿度、洁净度等环境。因此每个IT设备的厂家对设备运行环境的温度、湿度、洁净度都有严格要求,部分计算厂家、机构对环境的要求如表5.2所示,部分交换机厂家对环境的要求如表5.3。
　　

       
　　5.2.2供配电系统
　　
　　1）数据中心业务对供配电系统的总体要求是连续、稳定、平衡、分类。
　　
　　(1)连续
　　
　　连续是指电网不间断供电。在数据中心的供配电系统中,合适的UPS型号与组网方式可以保证数据中心不会因毫秒级至分钟的市电异常而中断,对于大时间范围(如小时级、天级)的市电异常,还必须备用市电系统或柴油发电机组进行保护。
　　
　　(2)稳定
　　
　　所谓稳定就是要保证系统的电压在一定的频率范围内保持稳定性,并且很少出现波形畸变。
　　
　　表5.4中,各项稳态指标的提出意味着数据中心机房必须配置UPS,因为市电电网无法长时间处于指标内,只有UPS的输出才会稳定。
　　
　　(3)平衡
　　
　　平衡主要是指三相电源平衡,即相角平衡、电压平衡和电流平衡。三相负荷均衡分布,以保证供电设备(如UPS)和负载的安全。
　　
　　(4)分类
　　
　　分类是按照重要性对IT设备及外围辅助设备分开处理供配电。分类的核心在于每个负载的可靠性要求之间的差异。不同可靠性要求的负荷配置不同的配电系统，可以在确保安全的同时节约成本。
　　
　　2）UPS设备选型的计算
　　
　　(1)负载功率因数计算
　　
　　PF=P÷S(5.1)
　　
　　式中PF:功率因数;P:给定非线性负载两端的有功功率,单位为kW;S:负载视在功率,单位为kVA
　　
　　(2)额定有功功率计算
　　
　　P=S×cosφ(5.2)
　　
　　式中P是UPS额定有功功率;S是UPS的视在功率;cosφ:UPS的额定功率因数,对线性负载来说,一般cosφ=0.9
　　
　　(3)额定视在功率的计算
　　
　　三相系统:S=×UI(5.3)
　　
　　单相系统:S=VI(5.4)
　　
　　式中S是额定视在功率;U是线电压;I是线电流V:
　　
　　相线到中线的相电压。
　　
　　(4)总容量计算
　　
　　E=UPS实际容量÷功率因数(5.5)
　　
　　E≥1.3×UPS实际容量(5.6)
　　
　　(5)蓄电池容量计算
　　
　　C=UPS容量×功率因数×后备时间÷启动电压(5.7)
　　
　　(6)蓄电池相关参数计算
　　
　　UPS所需的直流功率计算
　　
　　Pdc=(UPS容量×功率因数)÷逆变器效率(5.8)
　　
　　UPS每组蓄电池的串联只数计算
　　
　　N=UPS终止电压÷电池终止电压(5.9)
　　
　　UPS蓄电池组数计算
　　
　　G=Pdc÷(单体放电功率×单体只数)(5.10)
　　
　　式中Pdc是UPS所需的直流功率,单位为kW或W;N是UPS每只蓄电池的串联只数,单位为cell;G是UPS的蓄电池组数,单位为组;C是UPS的蓄电池容量,单位为Ah
　　
　　(7)空开电流计算
　　
　　空气开关电流=线缆电流×(1.3～1.7)(5.11)
　　
　　考虑电机的启动电流的时间不是很长,一般在选择导线时只按1.3～1.7的系数考虑
　　
　　(8)UPS电流计算
　　
　　输入电流计算公式
　　
　　I1=PF÷ηβUX(5.12)
　　
　　输出电流计算公式
　　
　　I2=P÷UX(5.13)
　　
　　电池电流计算公式
　　
　　Id=PF÷KV(5.14)
　　
　　一般情况下,每平方毫米线缆电流为3～5A;I1是UPS额定输入电流,单位为A;I2是UPS输出额定电流,单位为A;Id:电池最大电流;P:UPS额定功率,单位为VA;F:负载功率因数,η:UPS整机效率,β是UPS输入功率因数;U是UPS输入额定电压,单位为V;X是三相或单相,三相时X表示3,单相时X表示1;K是逆变器效率;V是UPS电池关机点电压,每节取1。
　　
　　每个用电模组独立供电,设置独立的电力室;根据不同的用户需求,灵活使用UPS系统、铅酸电池和锂电池;采用336V直流供电系统为通信设备供电,提高供电系统可靠性。
　　
　　5.2.3柴油发电机
　　
　　呼和浩特市介于平原与高原之间地区,属于高平原地貌。在高平原地区空气略微稀薄,冬季严寒缺氧,对于柴油发电机的选择就变的更为认真细致了。考虑高平原地区的气压偏低,空气略微稀薄,柴油发电机含氧量份量减少,操作温度低,柴油发电机因进供气量不足而点燃较差,使柴油发电机不能造成原要求的校准功率。即使柴油发电机基本上结构一致,但多种类型柴油发电机校准功率,排气量、发电量转速比不一样,因此在高平原地区工作中的工作能力是不一样的。
　　
　　柴油发电机在高平原地区应用时每上升1000m,功率非增压机减少约6%～10%,增压机约为2%,～5%,因此在高平原地区长期应用应根据本地的海拔,适当减少提供的油量。充分考虑在高平原地区标准下起火延迟的趋向,为了更好地提开柴油发电机的运作合理性,通常推荐非增加压力柴油发动机,提供的油尽可能提早。
　　
　　伴随着海拔的上升,操作温度亦比平原区地区的要低,通常每上升1,000m,操作温度约要减少6℃上下,因此,柴油发动机的开启特性要比平原区地区差。在运用时,应采用与超低温运行相对应的辅助启动对策。
　　
　　充分考虑海拔的上升,水的沸点减少,此外空气冷却的风速和空气冷却密度减小品质高或低,以及每kW在单位时间内制热量的提升,因此制冷系统的导热标准要比平原区差标准高或低。通常在高海拔地区不适合采用开启式制冷循环系统,可采用充压的闭式制冷系统,以提升高平原地区应用时冷冻液的熔点。
　　
　　柴油发电机组设备选型的计算
　　
　　(1)功率匹配
　　
　　柴油机功率≥发电机功率/发电机效率/连轴器效率(5.15)
　　
　　(2)机组的额定功率与功率修正
　　
　　PH=η1η2(K1K2Pe-Np)(5.16)
　　
　　式中PH是同步交流发电机输出的额定功率;Pe是柴油机的额定输出功率;K1是柴油机的功率修正系数;K2是环境条件修正系数;η1是连轴器的效率;η2是同步交流发电机的效率;Np是柴油机风扇及其他辅助件消耗的机械功率;
　　
　　(3)机组的散热功率计算
　　
　　Q=K1P(5.17)
　　
　　式中Q:散热量;K1:散热率;P:功率。
　　
　　(4)进排风口面积计算(风速为V=4.5m/s,最大不超过8m/s)
　　
　　S=Q/T/v(5.18)
　　
　　式中S是排风面积;T是温升(水内循环机组为40℃,风冷机组为70℃);进风面积=1.2排风面积;进风面积或者是水箱面积的1.2倍;
　　
　　5.2.4机房温度控制
　　
　　机房采用水冷离心机组、冷却塔、列间空调、热管、冷门系统,呼和浩特年平均气温在8.6℃,寒冷季节还可充分利用自然冷源。
　　
　　为达到减少数据机房的能耗的目的,应尽可能增加自然冷却时间,使自然冷源得到最大程度利用。现有的机房冷源系统形式包括以下几种类型:新风直接制冷,水冷冷水系统+精密空调和风冷冷水系统+精密空调,间接蒸发制冷+新风直接制冷和直接蒸发制冷+新风直接制冷。引入室外新风可能会引入对机房环境有害的颗粒物和有害气体;若未采用蒸发冷却系统,仅引入室外空气的自然冷却时间极短。由于干冷器系统的复杂性和高昂的投资成本,风冷式冷水系统存在自然冷却时间短的问题;水冷冷水系统中冷却塔的冬季结冰问题严重。为最大限度利用自然冷源,目前在呼和浩特建立数据中心多采用水冷系统。冷却塔在冬季的结冰问题以及水冷系统的传热性能提升,是其所面临的核心挑战。
　　
　　由于呼和浩特冬季温度低于0℃,而数据中心需要全年制冷,喷淋塔需要全年处于工作状态,这导致了结冰现象。冷却塔的散热会受到结冰的影响,导致承重结构和填料等部件损坏,影响使用寿命。现有的冷却塔防冻措施各有其优缺点:
　　
　　(1)用干冷器或者闭式冷却塔等其他设备代替冷却塔。但就干冷器而言,由湿球温度决定的自由冷却时间比干球温度长,换热面积大投资高,系统切换烦琐,无法应对昼夜温差;闭式冷却塔的性能比常规冷却塔低,且冬季运行管理不善仍可能会引起结冰,冬季干式冷却器的问题也存在于闭式冷却塔中。
　　
　　(2)为冷却塔添加额外热源,如电伴热带、防冻化冰管及进风口处增设热水水帘,然而电加热系统能耗高、安全性低,无法根治防冻。
　　
　　(3)对冷却塔进行结构调整,增设挡风板或改变布水方式。
　　
　　(4)调整冷却塔运行方式，例如风机周期性倒转。
　　
　　呼和浩特地区气候干燥。对于干燥地区采用间接蒸发冷却塔是一种有效的方法,可从根本上解决数据机房防冻问题,它可以采用更低温的自然冷源来延长自然冷却时间,将出水温度降到比湿球温度更低的水平,节约能源。对于全年制冷,夏季室外温湿度高,为使冷源出水温度维持稳定,可将间接蒸发冷却塔与水冷电制冷机组成一个新系统;该系统应用于国内气候干燥地区的数据机房,能够充分利用其优越性。通过末端优化,可以提高系统所需冷冻水的供应温度,从而延长自然冷却时间,显着提高冷源系统能效。目前对机房的要求是,冷通道或机柜进风区域温度在18℃～27℃,因此二次水供回水温度最高可以达到21℃～27℃,为实现更大程度的节约创造了条件。
　　
　　5.2.5综合布线系统
　　
　　在规划布线方案时,用户需要与IT部门进行交流并加以引导,以制定出更综合的方案。区别于一般建筑布线,数据中心布线系统将各种重要且相对固定的中心网络设备联系在一起。在制订布线方案前,首先必须要了解用户设备状况,比如核心交换机、汇聚交换机等的型号及端口数量、KVM所需的端口数等。对小型机和存储设备需要了解设备的型号与配备网卡端口的数量、是否为铜缆端口或光纤端口等有关信息。此外,数据中心布线设计时应考虑到设备与设备之问交叉互联的备份情况,同时还要考虑用户对于数据中心可靠性的要求。并且按照标准制定出客户对数据中心的可靠性等级,再通过以上的数据进行综合分析计算出各通道之间布线所需铜缆与光缆的芯数要求。根据标准要求,所有设备的布线最终汇集到主配线区(MDA)进行交叉跳接管理。对于服务器上连的网络通过水平配线区(HDA)再连接到主配线区(MDA),IAN与SAN两个区域设置各自主配线(MDA)。
　　
　　优秀的布线规划与设计应该建立在对用户需要的详细准确的了解的基础上。在与用户进行沟通时,需要知道下列具体信息:机房等级、布线等级、安全要求、网络分类、计算机机房设置情况、建筑布线系统情识、计算机网络系统情况。
　　
　　六、总结
　　
　　6.1总结
　　
　　6.1.1水价、人均工资、软件信息服务业的公司数目、行业从业人数和数据中心数目正相关。其他特征变量(温度、湿度、空气洁净度、地震强度、地质灾害数量、无线电干扰场强、电价、电力自给率、土地价格、建造成本、高速公里占总公里数比率、金融企业数量、用户使用固定网络的数量、是否有产业优惠政策和优质高校的数量)对数据中心数量影响不显著。
　　
　　6.1.2数据中心规划有两种类型:需求导向型与成本导向型,前者侧重于在经济发展水平较高、人口密度高、数据流量大、产业数字化转型需求旺盛的省(区、市)进行投资布局,后者侧重于气候条件合适、能源丰富、电价及土地价格较低区域建设数据中心。
　　
　　6.2展望
　　
　　6.2.1边缘计算数据中心的适用性:当前新技术趋势是(超)大型数据中心和边缘计算。边缘计算就是在网络的边缘处理数据,这样可以降低请求响应时间,提高电池寿命,降低网络带宽,同时保证数据的安全性和隐私。目前尚不确定数据中心规划因素对边缘数据中心是否适用,但设计路线和模型构建思想对边缘计算数据中心的规划设计具有一定参考价值。
　　
　　6.2.2数据场景的多样性：根据不同的应用特点，为用户定制数据中心，并在合理区域内规划和设计。例如,脱机数据分析以及对网络时延要求较低的业务，将其引导到成本领先潜力开发型地区，实现资源最大化。对于对费用敏感程度不高，更注重应用程序的运行速度和用户体验的用户，建议将其配置在离应用程序客户比较近的地方，适合以需求导向型数据中心。考虑到客户业务分类的隐私性，未研究该项指标。若将其添加到后续研究当中，可探讨不同业务类型数据中心规划，分析了规划因素与权重比例之间的相同之处与不同之处。
　　
　　6.2.3对研究区进行细化:从城市规划角度出发,将温度、湿度、空气洁净度、人均工资等指标作为研究区指标,研究区以行政区划统计表的地级行政区为基础划分,针对一线城市密集的数据中心分布,能否分解为市辖区,以符合各区的发展目标,发挥产业优势,与适度领先机柜数量要求相匹配,并实施精细化管理。
　　
　　作者简介
　　
　　程翔飞:北京丰泰祥科技有限公司总经理,全国电源新能源智库专家,中国电源工业协会专家委员会委员,全国信息化工程师,机房规划设计-电源系统工程师,北京电源行业协会第四届常务理事,从事数据中心建设供配电系统、制冷系统设计及施工近二十年,对数据中心基础建设有着丰富的经验。
　　
　　(连载完)
　　
　　编辑：Harris