机房供电与制冷规划

确保机房不会成为业务连续性的短板：供电制冷能力与 IT 负载匹配、有冗余、能测算、可优化。本技能给出从可用性等级、供电设计、制冷匹配到 PUE 测算、故障续航推演的完整可执行链路。

一、核心原理

数据中心的能源链路是：市电 → 中压/低压配电 → UPS → PDU → 机柜 IT 设备，同时制冷系统消耗掉另一大块电。PUE 是衡量「每 1W 的 IT 用电，要额外花多少 W 在制冷、配电、照明上」的核心指标。

flowchart LR
    G[市电<br/>双路进线] -->|中压/低压| P[配电柜]
    P --> U[UPS 不间断电源]
    P --> C[制冷系统<br/>冷水机组/空调]
    U --> D[PDU 列头柜/机架PDU]
    D --> IT[IT 负载<br/>服务器/存储/网络]
    C -->|冷通道送风| IT
    IT -->|热通道回风| C
    G2[备用发电机] -->|市电中断切换| P

• PUE = 总设施能耗 ÷ IT 设备能耗。理想 PUE 趋近 1.0，优秀机房 1.1~1.2，老机房常 >1.6。
• 功率密度（kW/柜） 决定制冷方式：<5kW/柜风冷即可；5~15kW/柜需行级空调/冷通道封闭；>20kW/柜需液冷或背板空调。
• 冗余等级（Tier / 2N / N+1） 决定供电与制冷路径是否可在线维护、是否可容忍单点故障。

二、参考架构（N+1 供配电 + 冷热通道）

flowchart TB
    subgraph 供配电
      M1[市电 A] --> UPS1[UPS A]
      M2[市电 B] --> UPS2[UPS B]
      GEN[柴油发电机] --> ATS[自动切换开关]
      ATS --> UPS1
      UPS1 --> PDU[列头柜 PDU]
      UPS2 --> PDU
      PDU --> R[机柜 xN<br/>双路 PDU]
    end
    subgraph 制冷
      CH[冷水机组 N+1] --> AHU[空调末端]
      AHU -->|冷通道| R
      R -->|热通道| AHU
    end

配套 ASCII 布局图（冷热通道封闭，用于方案文档）：

     冷通道(封闭)      热通道(敞开)      冷通道(封闭)
  ┌─────────────┐    ┌─────────────┐    ┌─────────────┐
  │  冷风 ↓ 冷风 ↓ │    │  ↑ 热风上升  │    │  冷风 ↓ 冷风 ↓ │
  └─────────────┘    └─────────────┘    └─────────────┘
  [柜A1]  [柜A2]   |  [柜A3]  [柜A4]  |  [柜A5]  [柜A6]
  前对前(face)      |  背对背(back)    |  前对前(face)
                    |                  |
  机柜前门朝冷通道送风，后门朝热通道排风，冷热不混合

三、关键参数决策表

3.1 冗余等级（Tier 与 2N/N+1）

3.2 功率密度与制冷方式匹配（真实数值）

3.3 PUE 分级与优化

3.4 关键设备效率（真实数值）

> 具体数值需按实际设备与机房测量。务必用 scripts/pue_power_calculator.py 按 IT 负载、UPS 效率、制冷 COP 测算 PUE 与制冷预算。

四、分步 SOP

1. 确定可用性等级：按业务重要性定 Tier III（N+1）还是 Tier IV（2N）。
2. 测算 IT 负载：统计机柜数量 × 单柜功率密度，得出总 IT 负载（kW）。
3. UPS 容量测算：UPS 容量 ≥ IT 负载 ÷ 功率因数，按冗余等级加 N+1 或 2N 并留 20% 余量，明确后备时间。
4. 配电设计：双路市电 + 自动切换（ATS）+ 柴油发电机，PDU 双路到柜。
5. 制冷匹配：按功率密度选制冷方式，设计冷热通道隔离/封闭。
6. PUE 测算与优化：跑脚本测算 PUE，给出优化措施（提高回风温度、封闭冷通道、ECO 模式）。
7. 故障续航推演：市电中断、空调故障、UPS 故障场景下续航时间与影响面。

五、真实配置示例

5.1 UPS 容量测算（真实数值计算示例）

# IT 负载：100 台机柜 × 8kW = 800kW
# 功率因数 0.9，需 UPS 容量 = 800 / 0.9 ≈ 889 kVA
# 冗余 N+1：选 3+1 台 400kVA 模块化 UPS（总 1600kVA，运行 1200kVA）
# 后备时间：按电池组 15 分钟配置（柴油发电机启动时间约 1~2 分钟）

5.2 列头柜 PDU 配电（双路，概念）

# 每个机柜双路供电：A 路来自 UPS1，B 路来自 UPS2
# 列头柜 PDU 输出：3 相 32A × N 路，每路带载 ≤ 80%
# 示例：单柜 8kW，双路各带 4kW，单路 230V 单相约 17.4A（留余量选 32A）

5.3 机房监控/动环（概念阈值）

# 冷通道温度告警阈值
# 高温告警：>27°C 预警，>32°C 严重
# 湿度告警：<20% 或 >80%
# 配电告警：任一回路负载率 >80%

> 完整可填空配电预算模板见 assets/power-budget-template.txt，参数与公式详解见 references/power-cooling-parameters.md。

六、验证方法与达标阈值

# 估算 PUE 与制冷预算
python pue_power_calculator.py --it-kw 800 --ups-eff 0.95 --cop 3.0
# 反向：给定目标 PUE 算允许的制冷/配电损耗
python pue_power_calculator.py --it-kw 800 --target-pue 1.25 --json

七、常见故障排查表

> 更多案例见 references/power-cooling-troubleshooting.md。

八、输出规范

交付时应产出：供电系统方案与冗余等级、UPS/PDU 容量测算表、制冷方案与冷热通道设计、PUE 测算表与优化措施、故障场景续航推演、合规实施说明。

九、边界与风险

• 涉电涉火设计必须符合当地规范（如 GB 50174、IEC），并由有资质机构实施，本技能只做规划测算，不替代专业设计院。
• 不夸大 Tier 等级能力，按实际配置如实说明（N+1 不等于 2N）。
• 制冷改造需评估对在运业务的影响与变更窗口，避免停机。
• PUE 为估算量级，最终以现场电表实测为准。

配套资源

• 参数手册：references/power-cooling-parameters.md
• 设备配置对照：references/power-cooling-configs.md
• 故障案例库：references/power-cooling-troubleshooting.md
• 数据基线：assets/power-cooling-baseline.csv
• 配电预算模板：assets/power-budget-template.txt
• 脚本：scripts/pue_power_calculator.py（PUE 与功耗计算器）
• 配套检查清单：《机房供电制冷规划清单》