2.5 机房工程设计

网络组建的基础工作除了结构化布线工程外，还包括中心机房（网络中心、数据中心等）工程。机房工程涉及机房布线、机房供电、机房制冷、动力环境监测及机房接地保护等。

2.5.1 机房布线设计

在综合布线系统中，网络中心机房布线是整个工程的主要组成部分。网络中心机房布线安装质量的好坏，直接影响网络系统的安全、可靠运行。

1.布线方式

机房的布线系统直接影响到机房的功能，一般布线系统要求布线距离尽量短，布线整齐，排列有序，具体的方式有“田”字形和“井”字形两种。其中，“田”字形较适用于环形机房布局，“井”字形较适用于纵横式机房布局。按位置可分为地板布线和桥架布线，这两种布线方式各有其特点。

（1）地板布线。这是一种较常见的布线方式，它充分利用了防静电地板下的空间，但要注意地板下漏水、鼠害和散热，还应保证在每个机柜下方开凿相应的穿线孔（包括地板和线槽）。地板下敷设的强电线槽、弱电线槽分离，采用金属材质。

（2）桥架布线。该布线方式特别适合于经常需要布线的机房，目前较流行。此方式中桥架分为电源布线桥架（金属材质）、通信布线桥架。在每个机柜上方开凿相应的穿线孔（包括线槽），当然也要注意天花板漏水、鼠害和散热。

（3）混合布线。该布线方式特别适合于经常需要通信布线的机房，目前非常流行。此方式利用地板下的空间实施电源布线，采用桥架进行通信布线。该方式既使强电与弱电隔离，又降低了成本。在每个机柜上方、下方开凿相应的穿线孔。地板下的强电线槽最好采用金属材质，也要注意地板和天花板漏水、鼠害和散热。

2.布线内容

布线内容包括电源布线、弱电布线和接地布线。其中电源布线和弱电布线均放在金属布线槽内，具体的金属布线槽尺寸可根据线缆量的多少确定，并考虑一定的发展余地（一般为100 mm×50 mm或50 mm×50 mm）。电源线槽和弱电线槽之间的距离应保持至少5 cm，相互之间不能穿越，以防止电磁干扰。

（1）电源布线。在新机房装修进行电源布线时，应根据整个机房的布局和UPS的容量来安排。在规划中的每个机柜和设备附近，安排相应的电源插座。插座的容量应根据接入设备的功率来确定，并留有一定的冗余，一般为10 A或15 A。电源的线径应根据电源插座的容量确定，并留有一定的余量。

（2）弱电布线。弱电布线中主要包括超5类、6类网络和电话线等，这些线缆通过桥架布线，要在每个机柜、设备后面都有相应的线缆，考虑方便管理，各种线缆要设置标签，并分门别类地用尼龙编织带捆扎好。

（3）接地布线。网络机房内部摆放了服务器、核心交换机、防火墙及网络管理设备，这些设备对接地有着严格的要求。接地是消除公共阻抗，防止电容耦合干扰，保护设备和人员的安全，保证计算机系统稳定可靠运行的重要措施。在机房地板下应布置信号接地用的铜排，以供机房内设备接地需要，铜排再以专线方式连接机房的弱电信号接地系统。

2.5.2 机房供电设计

网络（数据）中心有各种服务器系统，意外掉电或电压波动会导致服务器系统发生故障。例如，系统配置文件损坏、数据库记录丢失、操作系统无法启动、硬盘故障等问题。好的解决办法是设置性能优良的大功率不间断电源（UPS，Uninterruptible Power System），保护服务器系统。

1.UPS结构与分类

目前，UPS通常分为工频机结构UPS和高频机结构UPS两种。工频机结构UPS和高频机结构UPS是按其设计电路工作频率来区分的。工频机结构UPS是以传统的模拟电路原理设计，由晶闸管整流器（SCR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）逆变器、旁路和工频升压隔离变压器组成。因其整流器和变压器工作频率均为工频50 Hz，顾名思义名为工频UPS。

高频机结构UPS通常由IGBT高频整流器、电池变换器、逆变器和旁路组成。IGBT可以通过加在门极的驱动来控制其开通与关断，IGBT整流器开关频率通常在几千赫兹到几十千赫兹，甚至高达上百千赫兹，远远高于工频机，因此称为高频UPS。

隔离变压器是工频机与高频机在组成上的主要区别。目前，数据中心供电系统除了注重可靠性、可用性以外，节能减排（降低电能消耗与降低二氧化碳排放）也是数据中心设备面临的重大问题。为IT设备提供不间断电源的供电系统，其自身供电效率的高低也部分决定了数据中心能耗的高低。

从性能和节能方面来讲，传统的UPS系统中由于采用工频逆变器，逆变效率不高，并配有工频变压器，体积庞大笨重、能耗高、成本高，已逐渐不适应节能减排的需求。这种采用全IGBT高频机结构的UPS历经10多年的发展，具有模块化结构、尺寸小、重量轻、易扩容、运行效率高、噪声低、性价比高等特点，技术和产品趋于成熟。随着半导体技术的日益发展，高频UPS在技术和市场方面的优势将会越来越明显。

2.UPS的工作原理

UPS是一种含有储能装置、以逆变器为主要组成部分的恒压、恒频的电源设备。它主要的功能就是，当市电输入正常时，会将电流稳压后供应给负载使用；当市电中断时，会及时向用电设备提供电能，使设备仍能持续工作一段时间，以便处理好未完成的工作。

从技术的角度上来讲，UPS可以分为三类：后备式（又称离线式）、在线式和在线互动式。一般说来，在不同的市电环境下，UPS分别有两种工作状态：当市电供电正常时，由市电通过UPS给负载供电，此时UPS主要负责对市电进行滤波、稳压和稳频调整，以便向负载提供更为稳定的电流，同时通过充电器把电能转变为化学能储存在电池中。当市电供应意外中断时，UPS会在瞬时切换到电池供电模式，这时它通过逆变器把化学能转变为交流电提供给负载，从而保证对负载提供不间断的电力供应。除此之外，UPS还有一种旁路工作状态，就是在刚开机或机器发生故障时，可以把输入电流经高频滤波后直接输出，以保证能为负载提供正常供电。

3.配置UPS注意问题

电源保护可分为三个等级。第一级是稳压器，可滤去有害的过高电压波动和放电火花。但如果产生断电情况，稳压器就不能保护系统了。第二级的保护是SPS（后备式电源），当它发觉电源发生问题时，将切换为使用电池来供电。它可对临时停电和故障停电提供保护。第三级的保护是UPS（在线式电源），UPS提供稳压、过流、在线式电源保护。配置UPS电源时，要注意以下几点。

（1）选择UPS。依据机房所需功率确定UPS选型（节能选用高频机）。列出所有需要保护的用电设备，别忘了显示器、终端、外挂硬盘。对于整体设备的功率则以其额定数为基准。把所有设备的功率值汇总，将汇总值加上20%～30%的扩充容量，以备系统升级时用。

将各个负载的额定容量累加求出总容量，对瞬间激活耗电量大的负载，如激光打印机，需另以瞬间激活时的耗电量计算，避免所有设备同时激活造成超载情形。一旦市电中断则UPS也无法持续供电。负载总耗电量不得大于UPS输出端功率，否则就是超载。

通常计算机负载在开机时会产生超出平常多倍的大冲击电流，超过了UPS的峰值功率因数提供的能量。因此，选择UPS容量时需要考虑负载波动及冲击余量，适当增大UPS容量，以抵御负载的波动。

（2）选择电池。电池供电时间主要受负载大小、电池容量、环境温度、电池放电截止电压等因素影响。根据延时能力，确定所需电池的容量大小，用安时（Ah值）来表示，以给定电流安培数时放电的时间（小时）数来计算。蓄电池数量=（UPS电源功率×延时时间）/（电池直流电压×电池安时数）。需要注意的是，UPS系统的电池是按组配置的，每组电池数量可依据主机技术参数和电池技术参数确定。

例如，某企业网络中心服务器、核心交换机、防火墙等设备用电总功率≤4.78 kW，应选用6 kV·A的高频UPS主机（如山特C6KS主机，20节电池特规版电压240 V·DC）。如果长延时时间要求8小时，则应配置两组12 V-100 Ah的电池（如松下12 V/100AI）。每组电池20块串联相接，总电压为12 V×20 = 240 V·DC。两组电池与山特C6KS主机并联连接。

4.UPS正确安装与启停

安装UPS时，应严格遵守厂家产品说明书中的有关规定，保证UPS所接市电的火线、零线顺序符合要求。如果将火线与零线的顺序接反，那么在从市电状态向逆变状态转换时极易造成UPS的损坏。不要频繁地关闭和开启UPS电源。一般要在关闭UPS电源2 min后才能再次开启，否则，UPS电源可能处于“启动失败”的状态，即UPS电源处于既无市电输出、又无逆变器输出的状态。

5.蓄电池的使用与维护

毫不夸张地说，蓄电池就像是UPS的供血系统，一定要学会正确地使用与维护。蓄电池应当正立安装放置，不要倾斜，电池组中每个电池间的端子连接要牢固。电池安装后，一定要进行一次较长时间的初充电，初充电的电流大小应符合说明书中的要求。

在使用中要注意，不要让电池过度放电或发生短路。过度放电不仅容易使蓄电池的端电压低于蓄电池所允许的放电电压，而且会造成电池内部正负极板的弯曲，极板上的活性物质也容易脱落，所造成的后果是蓄电池可供使用的容量下降，甚至会损坏电池。

UPS应尽可能安装在清洁、阴凉、通风和干燥的地方，尽量避免受到阳光、加热器等辐射热源的影响。UPS不要长期闲置不用，也不要使蓄电池长期处于浮充状态而不放电。不然有可能会造成蓄电池因超过其存储寿命，而引起内阻增大或永久性损坏。对于长期闲置不用的UPS电源，应每隔一个月为电池充电一次，时间保持在10～20 h之间。如果市电供电一直正常，不妨每隔一个月人为停电一次，让UPS电源在逆变状态下工作5～10 min，以便保持蓄电池的良好充放电特性。此外，蓄电池都有自放电的特性，因此需定期进行充放电维护。

6.电源避雷

考虑到电源负荷电流容量较大，为了安全起见及使用和维护方便，数据通信电源系统的多级防雷，原则上均选用串联型电源避雷器。在安装电源避雷器时，要求避雷器的接地端与接地网之间的连接距离尽可能越近越好。如果避雷器接地线拉得过长，将导致避雷器上的限制电压（被保护线与地之间的残压）过高，可能使避雷器难以起到应有的保护作用。

因此，避雷器的正确安装以及接地系统的良好与否，将直接关系到避雷器防雷的效果和质量。避雷器安装的基本要求：电源避雷器的连接引线，必须有足够粗，并尽可能短；引线应采用截面积不小于25 mm2的多股铜导线；如果引线长度超过1 m时，应加大引线的截面积；引线应紧凑并排或绑扎布放；电源避雷器的接地线应为截面积不小于15～25 mm2的多股铜导线，并尽可能就近可靠入地。

2.5.3 机房制冷设计

所有电子设备都会产生热量。为了避免设备温度升高至无法接受的程度，必须将这些热量扩散掉。网络机房内的大多数电子设备是通过空气冷却的。为了确定制冷系统的容量，必须了解封闭空间内设备的发热量，以及其他常见热源所产生的热量。

1.机房热源计算

一个系统的总发热量等于它所有组件的发热量之和。整个系统包括IT设备及其他（如UPS、配电系统、空调装置、照明设施和人员等）。可以根据简单的测算标准，确定各项的发热量。UPS和配电系统的发热量由两部分组成。一部分是UPS自身损耗电能产生的热量，另一部分是与负载功率成正比的电能消耗产生的热量。照明设施和人员所产生的热量也可以使用标准值进行估算。通常，可采用简单规则进行估算，如表2.21所示。这样所得的结果与精细分析的结果相差不大。这种快速估算法可以使不具备任何专业知识或未经过专业培训的人员胜任这一工作。

例如：某企业网络中心服务器、核心交换机、防火墙等设备用电输入总功率≤4.2 kW，UPS选用山特C6KS主机；长延时间8 h，配置松下12 V/100AI电池40块；机房面积60 m2，机房工作人员5人；按照表2.2分项计算，各项发热量合计为6.35 kW。

上述分析并没有考虑周围环境中的热源，如透过窗口照射进来的阳光和从墙外传导进来的热量。许多小型网络机房没有暴露在室外的墙或窗户，这时不考虑上述热源的假设是正确的。但是，对于墙或屋顶暴露在室外的大型网络而言，额外的热量会进入网络（数据中心）机房，空调系统产生的冷气必须将这些热量抵消，使机房温度维持在IT设备正常运行的环境温度下（如25℃）。

2.空调设备选型

一般来说，1PH家用空调的制冷量大致为2000 kcal，换算成国际单位应乘以1.162，即1 PH的制冷量为2000 kcal×1.162 = 2.324 kW。这里的W表示制冷量。一般情况下，2.2～2.6 kW称为1 PH，3.2～3.6 kW称为1.5 PH，4.5～5.1 kW称为2 PH。

一台5PH空调的制冷量为2000×5×1.162 = 11.620 kW。家用空调在应用时，60%多的功率是在制冷，剩下30%多的功率是在除湿。5 PH空调的制冷功率约为6.97 kW，大于机房IT设备发热之和6.35 kW。所以，上述例子的网络机房需要5 PH家用空调一台。

如果考虑节能，可选用精密空调。爱默生DataMate3000 DME05M型精密空调。制冷量为5.95 kW（24℃，50%RH）。DataMate3000采用高效的制冷系统设计，节能运行，比普通舒适性（家用）空调节省20%～30%的能耗。具有恒温恒湿功能，大风量小焓差设计，满足专业机房需要。

3.机房散热设计

为了提高制冷系统的效率，机房内IT设备（服务器、存储系统、路由器、交换机、防火墙等）的机柜摆放，常采用“面对面、背靠背”方式，如图2.6所示。改变以往机柜面朝同一方向摆放的做法，也就是在机房内形成热风区和冷风区。使得热、冷空气能够正常流通，不形成混流。热、冷空气混杂是机房中常见的情况，空调提供的冷气还没有进入IT设备机柜就已经变热了。

对本节的例子，服务器、存储系统安装在2个标准服务器机柜内，核心交换机、路由器、防火墙、光通信设施等安装在2个标准交换机机柜内。考虑到IT设备扩展，4个机柜可安装成一排，预留4个机柜位置。留有足够的冷风区通道和热风区通道，5匹空调冷风出口正对机柜正面。

如果网络（数据中心）机房位于有空调设备的封闭空间内，则其他热源造成的影响可忽略不计。如果网络（数据中心）机房有较大面积的墙或屋顶暴露在室外，则需要估算出最大热量负荷，然后将该值统计到前一部分中确定的整个系统的发热量中。

2.5.4 绿色节能机房

机房绿色节能，是指在额定的用电功率下，使用技术手段，尽可能降低电能消耗及减少二氧化碳排放。评价网络（数据中心）机房能源效率的指标为：电源使用效率（PUE，Power Usage Effectiveness）。PUE =（机房总设备能耗）/（IT设备能耗）≤1.5～2.0。PUE的值越低，说明机房能源效率越高。上述案例（耗电约6.35 kW）采用DME07M型精密空调，夏季机房温度控制在24℃以下，PUE值约为1.93。

PUE模型列出了机房能量消耗的三大部分，即IT设备能量消耗，供电系统能量损耗，制冷系统能量消耗。降低IT设备的能量消耗，可使用低功耗的处理器及服务器虚拟化方案，整个系统的耗电量可以降低20%～30%。整体功耗的降低还可以带来以下两方面的好处。

（1）系统整体功耗的降低同时伴随着整体发热量的降低（减少了二氧化碳排放）。因此，在选购机房专用精密空调时，可以选择更低的制冷量参数，以降低采购成本；同时精密空调日常运行时消耗的电能也会降低。

（2）UPS选型可选择转换功率较高，并与IT设备负载适配的UPS高频机。可以降低采购成本，也降低UPS系统的发热量和耗电量，更加节能环保。

绿色节能机房最主要的特征就是低功耗、低噪声，降低二氧化碳排放。采用低功耗处理器及服务器虚拟化方案，可以更好地控制整个系统的总体拥有成本（TOC），并且降低后期运营的耗电量。与此同时，由于服务器散热风扇转数的降低和精密空调制冷量、风量的降低，可以大大降低机房的噪声，为机房和机房周围工作人员提供更加舒适的工作环境。

2.5.5 机房接地保护

机房布线电缆和相关连接硬件接地是提高网站系统可靠性、抑制噪声、保障安全的重要技术措施。因此，设计人员、施工人员在进行机房布线设计施工前，都必须对所有设备，特别是电气系统设备的接地要求进行认真研究，弄清接地要求及各类地线之间的关系。如果接地系统处理不当，将会影响网络设备的稳定性，引起故障，甚至会烧毁网络设备，危害操作人员生命安全。机房和设备接地，按不同作用分为直流工作接地、交流工作接地、安全保护接地、防雷保护接地、防静电接地及屏蔽接地等。

交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷接地4种接地之间的距离应大于25 m，尤其要使防雷装置与其他接地体之间保持足够的安全距离。接地系统是以接地电流易于流动为目标，同时也可以降低电位变化引起的干扰，故接地电阻越小越好。一般，交流工作接地、安全保护接地和防雷接地的电阻值≤4 Ω，直流工作接地的电阻值≤1 Ω。接地导线截面积可参考表2.22确定。

根据国家规范的要求，在建筑楼入口区、高层建筑的楼层设备间、配线间都应设置接地装置。网络布线引入电缆的屏蔽层必须连接到建筑楼入口区的接地装置上，干线电缆的屏蔽层应采用大于4 mm2的多股铜线，连接到设备间或配线间的接地装置上，而且干线电缆的屏蔽层必须保持连续。设备间、配线间的接地应采用多股铜线与接地母线进行焊接，然后再引至接地装置。非屏蔽电缆应敷设于金属管或金属线槽内，金属槽管应连接可靠，保持电气连通，并引至接地干线上。同时，服务器、交换机、配线架等设备接地应采用并联方式与接地装置相连，不能串联连接。同类型接地连接点要连成一体，通过引下线与接地体可靠连接。

接地体是指埋在土壤中起散流作用的导体，接地体应采用直径大于50 mm的镀锌钢管，壁厚大于3.5 mm，或镀锌角钢不小于50×50×5（mm）；或镀锌扁钢不小于40×4（mm）。应将多根接地体连接成地网，地网的布置应优先采用环型地网，引下线（机房引出的地线）应连接在环型地网的四周，这样有利于雷电流的散流和内部电位的均衡。

垂直接地体一般长为1.5～2.5 m，埋深1 m，地极间隔5 m。水平接地体应埋深1 m，其向建筑物外引出的长度一般不大于50 m。框架结构的建筑应采用建筑物基础钢筋做防雷接地体，但接地电阻要小于4 Ω。

总之，机房接地保护对网站系统的安全、可靠运行起着重要作用。只有精心设计，精心施工，才能使电气保护系统满足规范要求和设备要求，保证机房系统正常工作。