新基建：數據中心規劃與設計

鐘景華，中國電子工程設計院副總工程師，世源科技工程有限公司電氣總工程師，研究員級高級工程師，享受國務院政府特殊津貼專家。
主持和參加了200餘項電子工業、數據中心等工程設計和研究項目，主編《電子信息系統機房設計規範》、《數據中心設計規範》，對數據中心的可靠性、節能、安全等方面起到關鍵指導作用。

目錄

第1章 數據中心概述 1
1.1 數據中心的起源與定義 2
1.1.1 電報與電話的發明 2
1.1.2 計算機的發明 3
1.1.3 互聯網的發明 4
1.1.4 數據中心的興起 5
1.2 數據中心的功能演進 7
1.3 數據中心建設基本內容 9
1.4 數據中心建設原則與目標 11
1.5 數據中心的基本現狀 14
1.5.1 困局之一：信息爆炸 15
1.5.2 困局之二：綠色與節能 16
1.5.3 困局之三：業務挑戰 18
1.6 數據中心的發展趨勢及其關注要點 18
1.7 本書重點研究內容 19

第2章 綠色數據中心的評價指標 20
2.1 數據中心能耗結構 20
2.2 電能利用效率（PUE） 21
2.3 水利用效率（WUE） 25
2.4 碳利用效率（CUE） 27

第3章 數據中心的網絡及物理模型 30
3.1 網絡的融合及其網絡模型 30
3.2 數據中心的物理模型 32

第4章 數據中心的可靠性/可用性模型 36
4.1 可靠性研究的發展 36
4.2 可靠性參數 37
4.3 可靠性與可用性分析 39
4.3.1 可靠性的特性 39
4.3.2 可靠性和可用性的分析方法 40
4.4 可用性參數計算 43
4.4.1 平均無故障時間計算 43
4.4.2 平均維修時間和修復率的計算 43
4.4.3 可用性與故障率和修復率的關係 44
4.5 系統可靠性模型 44
4.5.1 可靠性基本模型 44
4.5.2 串聯繫統的可靠性模型 44
4.5.3 並聯繫統的可靠性模型 45
4.5.4 混合系統的可靠性模型 46
4.6 數據中心可靠性/可用性模型 46
4.6.1 國家標準《數據中心設計規範》對可靠性/可用性的要求 47
4.6.2 美國數據中心標準TIA 942對可靠性/可用性的要求 49
4.6.3 ANSI/BICSI 002—2014對可靠性/可用性的要求 52
4.6.4 數據中心基礎設施可靠性模型 54

第5章 數據中心的能效模型 64
5.1 數據中心的能效定量評價指標 64
5.2 數據中心的能效模型及其研究 65
5.2.1 IT設備的能耗研究 65
5.2.2 供配電系統的能耗研究及其PUE計算 69
5.2.3 製冷系統的能耗研究及其PUE計算 72
5.2.4 數據中心PUE測試方法 76
5.3 數據中心能效模型的進一步研究 78

第6章 數據中心的經濟模型 80
6.1 經濟模型的基本概念 80
6.2 數據中心的成本與收益項目 80
6.2.1 數據中心的成本項目 80
6.2.2 數據中心的收益項目 81
6.3 數據中心的經濟評估方法 82
6.3.1 數據中心總擁有成本法 82
6.3.2 數據中心投資回報法 83

第7章 數據中心基礎設施規劃 88
7.1 新一代數據中心容量規劃制約模型 89
7.1.1 IT規劃 89
7.1.2 供電 90
7.1.3 製冷 91
7.1.4 空間制約 93
7.2 新一代數據中心需求成長模型 93
7.3 新一代數據中心容量規劃關鍵支點 95
7.3.1 可用性支點 95
7.3.2 成本支點 96
7.3.3 綠色節能支點 97
7.3.4 功率密度支點 98
7.4 數據中心容量規劃的實施細則 98

第8章 數據中心的技術要求 100
8.1 數據中心技術標準概述 100
8.2 數據中心等級劃分 102
8.3 數據中心機房位置及設備佈置 105
8.4 數據中心環境參量要求 107
8.5 數據中心建築與結構 112
8.6 數據中心空氣調節 116
8.7 數據中心電氣技術 117
8.8 數據中心電磁屏蔽 118
8.9 數據中心機房佈線 118
8.10 數據中心機房監控與安全防範 119
8.11 數據中心機房給水排水 119
8.12 數據中心機房消防 120

第9章 數據中心選址指南 121
9.1 數據中心選址基本要求 121
9.2 數據中心選址標準 121
9.3 數據中心選址的關聯因素 128
9.4 數據中心選址的新思考 129

第10章 數據中心裝飾裝修 132
10.1 設計依據 132
10.2 裝飾裝修的主要功能 132
10.3 裝飾裝修的主要內容及選材 136
10.4 工藝要求 142

第11章 數據中心供配電系統 146
11.1 數據中心供配電系統概述 146
11.1.1 內容約定 146
11.1.2 設計標準 151
11.1.3 數據中心對供配電系統的要求 151
11.1.4 數據中心供配電系統的發展歷程 156
11.2 數據中心IT設備及其電源系統 161
11.2.1 服務器的分類 162
11.2.2 服務器電源系統標準 165
11.2.3 服務器電源對於數據中心供配電系統設計的基礎意義 167
11.3 數據中心高壓變配電系統 172
11.3.1 設計標準 172
11.3.2 電壓選擇 173
11.3.3 高壓系統中性點運行方式 175
11.3.4 高壓變配電系統主接線 178
11.3.5 高壓變配電系統配電網接線 183
11.3.6 高壓配電一次接線典型方案 185
11.3.7 不同規模數據中心的高壓變配電系統構成 187
11.4 數據中心柴油發電機組系統 188
11.4.1 設計標準 189
11.4.2 柴油發電機組的原理、組成及分類 192
11.4.3 數據中心柴油發電機組容量選擇 195
11.4.4 柴油發電機組與其負載匹配 198
11.5 數據中心ATSE系統 204
11.5.1 設計標準 204
11.5.2 ATSE產品的定義及構成 205
11.5.3 ATSE的分類 206
11.5.4 ATSE的切換 208
11.5.5 ATSE應用中產生的問題 210
11.5.6 數據中心ATSE常見的組網形式 214
11.6 數據中心輸入低壓配電系統 216
11.6.1 設計標準 216
11.6.2 低壓電器設備概述 217
11.6.3 低壓熔斷器 217
11.6.4 低壓隔離電器 220
11.6.5 低壓斷路器 221
11.6.6 低壓配電方式 229
11.6.7 低壓配電櫃 230
11.7 數據中心UPS系統的分類﹑原理及供電方案 235
11.7.1 設計標準 235
11.7.2 UPS的分類及定義 236
11.7.3 3種類型UPS的原理及特點 238
11.7.4 數據中心常用大容量UPS的內部拓撲 242
11.7.5 數據中心UPS的供電方案 246
11.8 數據中心UPS的關鍵技術﹑關注熱點及發展趨勢 250
11.8.1 數據中心大容量UPS的關鍵技術 250
11.8.2 數據中心UPS的關注熱點 253
11.8.3 數據中心UPS的發展趨勢 265
11.9 數據中心UPS電池系統 270
11.9.1 設計標準 270
11.9.2 數據中心UPS電池系統基礎知識 270
11.9.3 數據中心UPS電池技術特性 274
11.9.4 數據中心UPS電池系統配置計算 279
11.10 數據中心UPS輸出配電系統和機架配電系統 280
11.10.1 設計標準 280
11.10.2 UPS輸出配電系統 281
11.10.3 機架配電系統 285
11.11 數據中心高壓直流系統 289
11.11.1 設計標準 289
11.11.2 數據中心的高壓直流之路 290
11.11.3 高壓直流技術優勢 293
11.11.4 高壓直流系統特點 297
11.11.5 高壓直流電壓選擇標準 299
11.11.6 高壓直流系統組成 301
11.11.7 高壓直流系統設備配置 302
11.12 數據中心電力電纜選擇與設計 305
11.12.1 設計標準 305
11.12.2 數據中心防火電纜綜述 305
11.12.3 數據中心防火電纜選擇與計算 311

第12章 數據中心機房防雷和接地系統設計 316
12.1 數據中心機房防雷和接地系統的關係及系統設計依據、設計原則 316
12.2 雷電對電子設備的損害途徑及防護措施 318
12.3 數據機房防雷在建築物防雷中的分類等級 319
12.4 數據機房防雷的具體措施 319
12.4.1 機房位置的設置 320
12.4.2 建築物的防雷 320
12.4.3 SPD的選用 321
12.5 數據中心共用接地與單獨接地 322
12.6 數據中心UPS輸出端重複接地的探討 327
12.7 如何降低數據中心機房IT設備的零地電壓 333

第13章 數據中心的製冷 336
13.1 數據中心製冷的原因 336
13.1.1 數據中心IT設備的發展 336
13.1.2 數據中心IT設備對環境的要求 337
13.1.3 數據中心不良環境對IT設備的危害 338
13.2 數據中心製冷系統基礎知識 343
13.2.1 製冷技術發展歷史及應用 343
13.2.2 基本名詞術語 344
13.2.3 熱力學基本定律及其製冷技術的應用 349
13.2.4 製冷原理 353
13.2.5 製冷劑、載冷劑和潤滑油 359
13.2.6 數據中心製冷系統常用壓縮機簡介 365
13.2.7 冷凝器 372
13.2.8 蒸發器 380
13.2.9 節流機構 386
13.2.10 輔助設備 392
13.3 空調的分類 398
13.4 數據中心製冷空調的選擇 402
13.4.1 數據中心機房的負荷特點 402
13.4.2 數據中心機房的環境要求 403
13.4.3 數據中心機房的環境參數對空調的要求 406
13.4.4 數據中心機房必須採用專用的機房空調 407
13.5 數據中心製冷系統負荷計算 411
13.5.1 數據中心冷負荷類型 411
13.5.2 數據中心冷負荷工程計算方法 412
13.6 數據中心製冷系統常用方案 413
13.6.1 風冷型機房空調系統 414
13.6.2 冷凍水型機房空調系統 415
13.6.3 水冷型機房空調系統 417
13.6.4 乙二醇冷卻型機房空調系統 418
13.6.5 雙冷源型機房空調系統 419
13.6.6 熱管式機房空調系統 420
13.7 數據中心空調風系統設計 422
13.7.1 送風方式 423
13.7.2 數據中心氣流組織 426
13.7.3 數據中心設備佈置 434
13.7.4 數據中心空調風系統設計核算 439
13.8 數據中心空調水系統設計 439
13.8.1 數據中心空調水系統的分類與選擇 440
13.8.2 數據中心空調水系統的承壓設計 445
13.8.3 數據中心空調水系統的設計與計算 447
13.9 數據中心高熱密度製冷系統簡介 454
13.9.1 高熱密度區域解決方式 455
13.9.2 局部熱點解決方式 456
13.9.3 高熱密度封閉機櫃 457
13.9.4 其他高熱密度製冷方式 458
13.10 數據中心自然冷卻系統設計 459
13.10.1 自然冷卻的概念和分類 461
13.10.2 風側自然冷卻 462
13.10.3 水側自然冷卻 465
13.11 數據中心製冷系統設計實例分析 469
13.11.1 中小型數據中心空調系統設計實例 469
13.11.2 大型數據中心空調系統設計實例 470
13.11.3 高熱密度數據中心空調系統設計實例 471
13.11.4 數據中心自然冷卻系統設計實例 473

第14章 數據中心綜合佈線系統的建設 479
14.1 綜合佈線系統概述 479
14.1.1 綜合佈線系統的定義 479
14.1.2 綜合佈線系統的特點 480
14.1.3 綜合佈線系統建設的常用標準 481
14.1.4 綜合佈線系統的構成 481
14.2 綜合佈線系統的通用設計 485
14.2.1 研究建築物的功能 486
14.2.2 確定綜合佈線系統的類型 486
14.2.3 確定綜合佈線系統的等級 486
14.2.4 工作區子系統的設計 486
14.2.5 配線子系統的設計 487
14.2.6 幹線子系統的設計 492
14.2.7 設備間的設計 493
14.2.8 管理子系統的設計 493
14.2.9 建築群子系統的設計 494
14.3 數據中心綜合佈線系統概述 494
14.3.1 數據中心佈線系統的組成、等級及分類 494
14.3.2 數據中心綜合佈線系統的空間構成 496
14.3.3 數據中心綜合佈線系統的支持空間構成 498
14.4 數據中心綜合佈線系統的拓撲結構與規劃 499
14.4.1 數據中心綜合佈線系統的拓撲結構 500
14.4.2 數據中心綜合佈線系統的規劃 504
14.5 數據中心綜合佈線系統的產品選擇 507
14.5.1 數據中心綜合佈線系統各設備的具體作用 507
14.5.2 數據中心綜合佈線系統各設備的選擇 509
14.6 數據中心綜合佈線系統的發展趨勢 511

第15章 數據中心消防系統的建設 515
15.1 數據中心消防系統的設計理念 515
15.2 數據中心消防系統 519
15.2.1 消火栓系統 519
15.2.2 水噴淋系統 519
15.2.3 細水霧系統 520
15.2.4 氣體滅火系統 521
15.2.5 滅火器 522
15.3 數據中心火災自動報警系統 523
15.4 數據中心煙氣控制 523

第16章 數據中心的監控與管理 525
16.1 數據中心監控與管理系統概述 525
16.1.1 數據中心的監控與管理系統的功能 525
16.1.2 數據中心監控與管理系統的構成 526
16.2 數據中心的IT資源的監控與管理 527
16.2.1 數據中心的計算/網絡資源的管理 527
16.2.2 KVM管理系統 529
16.2.3 最優IT運維模式與數據中心管理 532
16.3 數據中心基礎設施的監控與管理 534
16.3.1 數據中心機房動力環境監控系統 535
16.3.2 數據中心的綜合安保系統 545
16.3.3 數據中心監控中心系統 554

第17章 數據中心的評估 569
17.1 數據中心評估模型與標準 569
17.2 採用模型方法對數據中心評估實例 569
17.2.1 採用物理模型對數據中心評估 570
17.2.2 採用能效模型對數據中心評估 570
17.2.3 採用經濟模型對數據中心評估 581
17.3 採用標準/規範方法對數據中心評估實例 585