预制模块化数据中心投资成本和运营成本分析

1.什么是预制模块化数据中心？

借助标准化、预组装和集成式数据中心模块——数据中心业内称之为集装箱式或模块化数据中心，数据中心设计师实现了从定制化“工程项目”思维模式到标准化“现场集成”思维模式的转变。预制模块化数据中心部署速度更快且可预测性更高，其部署成本与传统现场施工的数据中心相差无几。本文将全面比较两种方案，从投资成本和运营成本这两个因素来分析考虑预制化模块和传统数据中心物理基础设施设备的差异。

数据中心各利益相关方经常面临一些挑战包括如何管理不断增长的需求，以及所需扩展的数据中心容量。通常需要做出决策，确定是要投资新的设施，还是扩建或改造现有设施。这通常需要复杂的财务和技术分析，以确定适合自身业务的最佳方案。如今数据中心的建造有了更具成本优势，也更易于部署的替代解决方案，这种方案是预制化数据中心IT、供电和制冷基础设施模块。

预制模块化数据中心是一种预先设计、组装和集成，且事先测试过的数据中心物理基础设施系统（包括机柜、冷水机组、泵、制冷单元、UPS、PDU、开关柜、变压器等），它们作为标准化“即插即用式”模块被运至数据中心现场。这与传统做法截然不同：以往数据中心的物理基础设施都拥有独一无二的一次性工程设计，其所有组装、安装和集成都在施工现场完成。预制模块化方案带来诸多优点，包括提高成本和效率的可预测性、节省时间、节约空间、简化规划、提高可靠性、改善灵活性以及增强供应商责任感。

预制模块化数据中心可采用传统ISO标准的运输集装箱形式，抑或是专门建造的具有外围结构的空间。模块也可在滑动底座上建造。鉴于其外观特征方面千差万别，本系列文章统一使用“预制模块”这一术语（而非“集装箱”）来描述预制化解决方案。

相比传统方式部署同一基础设施时，预制模块可加快部署速度40%，且投资成本大致相同。有成本分析表明，虽然预制化系统的材料成本相对昂贵，但是安装和空间方面的节省足以抵消这一额外支出，使得总成本大体相当。既然成本大体相当，并无成本优势可言，那么为何要选择预制化解决方案，而不是传统的方案？本系列文章为数据中心专业人员确定预制化数据中心模块所需的相关信息。

2.投资成本考虑因素

在本节中，我们就预制化模块和传统数据中心物理基础设施设备之间的成本差异展开定性讨论。

硬件/软件成本

将预制化解决方案与传统的实体数据中心进行比较，我们发现二者所采用的物理基础设施硬件（机架、PDU、电缆桥架、开关柜、UPS、配电柜、热交换器、风冷冷水机、泵、过滤器、照明、安保和消防设施）基本是一样的。一般而言，无论这些基础设施组件安装在何处，成本是相同的。模块化的基础设施，是很难再像传统数据中心那样将其中的成本进行细分。由于需购置额外材料（比如集装箱外壳）以及将硬件、软件和控制装置预组装/集成到一起会产生其他成本，预制化模块的初始系统成本相对而言会更高。

设计成本

预制化模块首先由研发部门设计，经客户验证测试，最后投入量产。一旦投入量产，设计在工厂内完成，并最终运送给最终用户。而在传统方式下，设计阶段有多方参与。电气承包商、机械承包商、设计师、最终用户、设施部门、IT部门和公司高管需要频繁开会，深入讨论。各方对设计要点反复推敲，权力制约和人际关系在其中扮演重要角色，决策往往需要层层批复。

“设计”成本包括两方面的成本：设备选型和布局以及场地规划和施工。采用预制化模块，设备选型和布局在工厂就已经完成（计入系统成本），场地规划和施工的工作量也有所减少，因为场地布置和规划大为简化，只涉及五个专业的人员参与，即：结构设计师、土建设计师、电气设计师、机械设计师和建筑师。采用传统数据中心建设方式时，场地规划设计和施工可能占到项目总成本的5%。

安装成本

“安装”成本包括在现场进行的组装、集成和试运行所涉及的所有工作。具体而言，包括：系统项目管理–由于项目的复杂性降低，且由单一供应商提供全部物理基础设施，预制化设施的项目监督成本显著减少。

场地准备和现场项目管理–这项支出包括为管道和电线管槽挖掘地沟、场地平整和浇筑混凝土垫块，以及其他一般性现场支出。不论采用哪种方式，这类支出都不可避免，因此成本也趋于一致。

现场安装–典型基础设施硬件安装包括设备拆包、盘点、整理和组装相关费用，以及与设备互联和系统开机启动相关的支出。对于预制化模块而言，大量此类工作都已无必要（仅需将模块放置在水泥地板上，然后把模块接入现有的楼宇开关柜，为设备制冷安装水管，然后启动系统）。

此外，还可以节省运输成本。相比于运送传统的现场组装系统的单个零件和设备，预组装模块的运送成本大幅降低。而且，这种整件运输的方式简单易行，运输途中发生的损坏也显著减少，而损坏通常会导致额外支出，或者引起不必要的延误。

管理/控制系统的安装和调试–在传统数据中心内，管理软件和控制系统的安装和编程是一项重大支出，其中包括将管理系统仪表盘/界面集成到供电和制冷基础设施中所需的成本开支，以及调试控制系统使其达到预期性能（如设定制冷系统，以优化节能模式的工作时段和能耗）所需的花费。但鉴于系统控制的复杂性，对于大多数定制数据中心而言，这方面的成本控制目标总是遥不可及。而对于预制化设施来说，这部分支出已经包含在工厂成本中，软件和控制系统的编程和优化在工厂内已经过标准化设置，几乎不需要任何现场作业，同时还提升了数据中心的工作性能。

调试–调试包含对数据中心设计/建造过程的所有文档记录和验证工作。不同数据中心其试运行的具体步骤也各不相同，但是通常都包含诸如工厂目测、质量保证与质量控制、启动、功能测试以及系统集成测试。对于预制化设施来讲，工厂目测和质量保证这两个步骤通常在工厂进行，从而节约了现场时间和费用。

空间成本–预制化模块另一个主要成本优势体现在，安放物理基础设施的现场施工作业大幅降低，甚至减少为零。这类施工不但代价不菲（每平方米1,076-1,614美元，或每平方英尺100-150美元），而且还会破坏正常设施运行（见图1和图2）。

图 1 数据中心传统扩建方法

图 2 在传统架构的数据中心内安装高架地板

对于预制化模块方案，建设性的工程量破坏性小且简单，无需建造实体或外围结构，也不需要重新翻修内部空间，因此现场安装量大幅下降。图3中，吊车正在将预制化模块吊装到现场的水泥垫块上。吊装完成后，供电线路将接入主开关柜、制冷设施模块和IT机房，同时冷冻水管将接入IT机房内的空调设备。

如果数据中心选用供电和制冷模块，那么传统方式中诸多的前期设计和施工管理职责将从数据中心业主/最终用户转移到解决方案供应商，如图4所示（注：如果采用传统方式，很可能是由一家设计建造公司来执行所有这些工作）。制造商将负责设计数据中心供电和制冷模块，并为不同客户认可和签发这些模块。数据中心供电和制冷物理基础设施成为生产供应链上的一个环节，而不再是现场定制施工的一部分，这对安装成本有着重要影响。

图3 在传统方式下，数据中心业主需负责规划和制定解决方案或将其外包

在传统方式中，业主/最终用户要么负责开发方案、装配组件、向各种供应商采购设备，要么雇佣和管理承包商来完成这些工作。与之形成对比的是，由于预制化模块已在工厂内预先建造，业主/最终用户无需处理这些耗时费力的工作（比如，不需跟踪设备组件，只需管理少量的送货进度，只需与极少的施工承包商接洽）。

3.运营成本考虑因素

以上着重于分析投资成本。实际上，当比较预制化模块与传统供电和制冷方式时，运营成本也需考虑分析。

维护成本

成本节省的机会在于预制化模块维护成本的降低。虽然模块化需在更为紧凑的空间里实施维护工作，但是用户可以签订“一站式”模块服务合同来实现成本节约。无需与多个供应商签署不同合同条款，只需签署一份合同就可以获得一个或两个完整的“大型”预制化模块维护服务。

在这种情况下，一家承包商将全面负责预制化模块的正常运行。这种方法简单易行，因为一旦发生意外事故，数据中心业主无需花费时间去追溯应该是哪家供应商对此事负责任。在传统数据中心中，许多零件和部件（水管、电气装置、供电系统、制冷系统和机架）通常由不同供应商提供维护支持，相互推诿责任的情况时有发生。

软件或管理方式升级也可以节省成本。由于不再需要为诸多的产品或设备专门编写代码，数据中心预制化模块可以为用户提供一整套标准化的固件升级。

能源成本

传统机电室的消耗的能源也比同等规模的供电和制冷预制化模块要多。这主要是因为预设计模块可以更好地集成供电和制冷系统的控制装置（当与制冷系统的控制装置协调运作时，这一优点尤为突出）。

下面以冷水机的控制为例。要确保冷水机组、冷却塔、水泵和阀门高效协同工作，要进行大量的编程工作，而加入节能模式更是让复杂性大大增加。事实上，正是因为其复杂性，很多时候在设计时会禁用节能冷却模式，直接导致额外的能耗增加。

冷水机组的制冷性能系数(COP)越高，系统总体性能越好。虽然组成冷水机组的单个部件可以达到公布的标准，但大多数冷水机组的整体COP却不尽如人意。需要集成不同组件的控制装置时，就会遭遇这一问题。定制化设计以及现场控制系统集成所带来的低效表现，往往意味着在节能冷却模式下运行的时间明显偏少，导致总体能耗偏高。

对于传统数据中心而言，由于控制系统的复杂性，PUE往往很难预测。但是，预制化数据中心的电能利用率（PUE）是可预测的，因为设备采用标准化元器件已预先测试，控制装置已提前完成协调方面的调试。让我们来看一个例子：一个位于美国密苏里州圣路易斯市内的1MW的传统数据中心，负载率在50%，平均功率密度为每机架6kW，配备高架地板、冷水机组、变频器(VFD)、水控装置以及节能冷却模式，其PUE一般为1.75。具有可比性的预制化数据中心经测试和分析，测得的PUE为1.4甚至更低。体现在电费上，预制化数据中心可节约20%的电费。

4.总结

预制化数据中心模块方案是传统数据中心设计和建造方式的一种替代选择。面临新的经济形势，企业已无力承受建造传统数据中心所需的前期高昂成本投入和可能发生的施工延期风险。得益于预设计型预制化模块的运用，规划周期的重点已从现场施工转变为对预生产、预测试的供电和制冷模块的现场集成。这种转变带来了诸多裨益，即：以总体相当的成本，加快部署速度，减少空间占用，提高预测性，增加灵活性。