隨著云計算,、大數(shù)據(jù)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)連接一切成為未來趨勢，數(shù)據(jù)中心作為信息傳遞的物理載體,，在各行各業(yè)發(fā)揮著越來越重要的核心作用,。數(shù)據(jù)中心布置著大量的服務(wù)器、交換機(jī)等IT設(shè)備,，為保障IT設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行,，需要一套環(huán)境控制系統(tǒng)，提供一個穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境,，以保證數(shù)據(jù)中心的溫度,、濕度,、潔凈度等保持在較小范圍內(nèi)波動。

　　1,、數(shù)據(jù)中心為什么需要制冷

數(shù)據(jù)中心大量使用服務(wù)器等IT設(shè)備,，其核心器件為半導(dǎo)體器件，發(fā)熱量很大,，以主要的計算芯片CPU為例,，其發(fā)展速度遵循著名的摩爾定律，即半導(dǎo)體芯片上的晶體管數(shù)(密度)大約每兩年就翻一番,。除CPU外，計算機(jī)的其他處理芯片,，如總線,、內(nèi)存、I/O等,，均是高發(fā)熱器件,。當(dāng)前，1U高(約44.4mm)的雙核服務(wù)器的發(fā)熱量可達(dá)1000W左右,，放滿刀片式服務(wù)器的機(jī)柜滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),，發(fā)熱量可達(dá)20KW以上。以服務(wù)器為例,，其功率密度在過去的10年中增長了10倍，這個數(shù)據(jù)基本意味著單位面積的發(fā)熱量也增加了10倍,。IT設(shè)備持續(xù)運(yùn)行發(fā)熱,，需要制冷設(shè)備保證環(huán)境的穩(wěn)定。隨著數(shù)據(jù)中心的發(fā)展及單位面積功率的提升,，數(shù)據(jù)中心制冷方式也不斷演進(jìn)與發(fā)展,。

　　2、環(huán)境對數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的影響

(1)溫度過高：有資料表明,，環(huán)境溫度每提高10℃,，元器件壽命降低約30%~50%,，對于某些電路來說,，可靠性幾乎完全取決于熱環(huán)境,。

(2)溫度過低：低溫同樣導(dǎo)致IT設(shè)備運(yùn)行,、絕緣材料,、電池等問題,。機(jī)房溫度過低,，部分IT設(shè)備將無法正常運(yùn)行,。

(3)濕度過高：數(shù)據(jù)中心濕度過高容易造成“導(dǎo)電小路”或者飛弧,，會嚴(yán)重降低電路可靠性,。

(4)濕度過低：在空氣環(huán)境濕度過低時，非常容易產(chǎn)生靜電,，IT類設(shè)備由眾多芯片,、元器件組成，這些元器件對靜電都很敏感,，根據(jù)Intel公司公布的資料顯示,，在引起計算機(jī)故障的諸多因素中，靜電放電是最大的隱患,，將近一半的計算機(jī)故障都是由靜電放電引起的,。靜電放電對計算機(jī)的破壞作用具有隱蔽性、潛在性,、隨機(jī)性,、復(fù)雜性等特點(diǎn),。

(5)灰塵潔凈度：除溫濕度外，數(shù)據(jù)中心小顆粒污染物具有腐蝕電路板,、降低絕緣性能,、影響散熱等危害，灰塵對IT類設(shè)備是更厲害的殺手,。

3,、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心制冷方式的選擇

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心采用房間級制冷，所謂房間級制冷，就是空調(diào)機(jī)組與整個機(jī)房相關(guān)聯(lián),，并行工作來處理機(jī)房的總體熱負(fù)荷,，通常見到的布置如下圖1及圖2所示：

圖1自然送風(fēng)方式

圖2地板下送風(fēng)方式

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房，設(shè)備量較少,，功率較低，布置較分散,，沒有做任何氣流組織管理和設(shè)計,，空調(diào)直接布置在機(jī)房內(nèi)部，通常機(jī)房氣流較為紊亂(如圖3),，容易存在局部熱點(diǎn)和局部冷點(diǎn),，但是鑒于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心功率密度較低，一般情況下,，通過增大空調(diào)的配置,，機(jī)房也能長期穩(wěn)定運(yùn)行,，但是造成了極大的能源浪費(fèi),。

圖3傳統(tǒng)機(jī)房氣流云圖

此階段,，通常數(shù)據(jù)中心送回風(fēng)方式為空調(diào)下部送風(fēng)及地板下送風(fēng)，上回風(fēng)的方式,。這種送回風(fēng)方式很多情況下無法充分利用空調(diào)的全部制冷容量,，當(dāng)空調(diào)機(jī)組送風(fēng)時，很大一部分冷空氣繞過IT負(fù)載,，直接返回空調(diào)時,，就會發(fā)生這一現(xiàn)象，同時自然送風(fēng)方式?jīng)]有做任何的氣流組織的規(guī)劃和設(shè)計,，冷熱氣流極易容易混合,，這些繞過空調(diào)的氣流和混合的氣流對負(fù)載的冷卻沒有幫助，實(shí)際上降低了總制冷容量,，導(dǎo)致空調(diào)利用率和制冷效率都比較低,。隨著數(shù)據(jù)中心功率密度的提升,，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心送回風(fēng)方式(如圖1)變得不能滿足發(fā)熱設(shè)備散熱需求,。

在傳統(tǒng)的“房間級”制冷方案中,，為減少冷熱混合及提高空調(diào)制冷利用率,，經(jīng)常用到的解決方案為在數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)鋪設(shè)靜電地板，靜電地板高度為20-100cm,，有些甚至高達(dá)2m,，將機(jī)房專用空調(diào)的冷風(fēng)送到靜電地板下方,，形成一個很大的靜壓箱體(如圖2),，靜壓箱可減少送風(fēng)系統(tǒng)動壓,、增加靜壓,、穩(wěn)定氣流,、減少氣流振動等,，再通過通風(fēng)地板(如圖4)將冷空氣送到服務(wù)器機(jī)架上,，回風(fēng)可通過機(jī)房內(nèi)地板上空間或?qū)Ｓ没仫L(fēng)道回風(fēng),。

圖4地板下送風(fēng)圖示

為了避免地板下送風(fēng)阻塞問題反生,，有兩個方法：一是保障合理的地板高度,，很多機(jī)房已經(jīng)將地板高度由原來的300mm調(diào)整到400mm乃至600-1000mm,，附之以合理的風(fēng)量,、風(fēng)壓配置,，以及合理的地板下走線方式,，可以保證良好的空調(diào)系統(tǒng)效率;二是采用地板下送風(fēng)與走線架上走線方式,。

這種氣流組織管理使送風(fēng)效果及機(jī)房整體建設(shè)相較于自然送風(fēng)模式有了進(jìn)一步改善和提高,。但是仍然會存在混風(fēng)問題,，也會限制單機(jī)柜的功率密度布置,。

　　4,、數(shù)據(jù)中心封閉冷通道制冷方式的選擇

隨著數(shù)據(jù)中心功率密度的增加,，房間級制冷采用冷(熱)通道氣流遏制對氣流組織進(jìn)行管理,，以防止冷氣流不經(jīng)過服務(wù)器而直接返回到空調(diào)等問題的發(fā)生。熱通道與冷通道都能減少數(shù)據(jù)中心的氣流混合,，但建議采用冷通道氣流遏制,，因?yàn)閷?shí)施起來比較簡便,。

冷通道封閉技術(shù)：冷通道封閉技術(shù)是在機(jī)柜間構(gòu)建專門限于機(jī)柜設(shè)備制冷用的通道，并將冷通道與機(jī)房環(huán)境熱氣完全隔離,，從而將冷空氣限制在機(jī)柜中,，避免了冷熱空氣混合、改善了冷空氣利用率,、提高了機(jī)房空調(diào)制冷效率和制冷效果,，從而實(shí)現(xiàn)PUE的降低和能源的節(jié)約。如下圖所示：

圖5封閉熱通道

圖6封閉冷通道

圖7封閉冷通道氣流云圖

封閉冷通道特點(diǎn)：

(1)封閉冷通道技術(shù)將冷空氣局限在機(jī)柜小環(huán)境中,，冷空氣必須通過機(jī)柜才能釋放到機(jī)房、實(shí)現(xiàn)空氣循環(huán),，有利于機(jī)柜中所有設(shè)備散熱,，可徹底解決機(jī)柜中局部過熱問題。

(2)封閉冷通道技術(shù)將冷熱氣體完全隔離,，提高了回風(fēng)溫度,，解決了機(jī)房環(huán)境溫度過低、機(jī)柜設(shè)備溫度過高等困境,，避免了空調(diào)無效工作,，提高了制冷效率和制冷效果。

(3)封閉冷通道技術(shù)可有效降低機(jī)房能源消耗率PUE數(shù)值,，提高數(shù)據(jù)中心效率,，可增加機(jī)柜設(shè)備存放密度，提高數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備功率密度。

圖8易事特封閉冷通道解決方案

圖9河源電子政務(wù)冷通道數(shù)據(jù)中心(易事特冷通道解決方案)

　　5,、數(shù)據(jù)中心行間制冷方式的選擇

行級制冷：采用行級制冷配置時,，空調(diào)機(jī)組與機(jī)柜行相關(guān)聯(lián)，在設(shè)計上,，它們被認(rèn)為是專用于某機(jī)柜行,。

與傳統(tǒng)無氣流遏制房間級制冷相比，其氣流路徑較短,，且專用度更加明確,。此外，氣流的可預(yù)測性較高,，能夠充分利用空調(diào)的全部額定制冷容量,，并可以實(shí)現(xiàn)更高功率密度。

圖10行間級制冷氣流云圖

行級制冷特點(diǎn)：

(1)行級制冷對靜電地板無要求,，甚至不需要靜電地板,。

(2)空調(diào)接近熱源，送風(fēng)路徑最短,，冷風(fēng)壓最大,，冷風(fēng)利用率及制冷效率最高。

(3)支持高密度制冷,，單機(jī)架可布置服務(wù)器功率數(shù)最高,。

在云計算和大數(shù)據(jù)應(yīng)用促進(jìn)下，數(shù)據(jù)中心建設(shè)迎來了一個新的建設(shè)高潮,，建造功率密度更大,，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心部署緩慢，密度低,，擴(kuò)展很難,，且牽一發(fā)而動全身。到后期,，隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展、應(yīng)用的增加,，使得數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)需要更多的管理軟件,，系統(tǒng)也愈發(fā)冗余，配電,、制冷都已經(jīng)不能滿足需求,，這時不得不對整體系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計，進(jìn)行擴(kuò)展,。

這種情況下,，運(yùn)用行級制冷的數(shù)據(jù)中心整體解決方案(微模塊)應(yīng)運(yùn)而生，即把整個數(shù)據(jù)中心分為若干個獨(dú)立區(qū)域,，每個區(qū)域的規(guī)模,、功率負(fù)載、配置等均按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計,。真正意義的微模塊數(shù)據(jù)中心，制冷,、供電及管理系統(tǒng)都應(yīng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域化,、微模塊，互不*,，可以獨(dú)立運(yùn)行,，無共享部分。

圖11易事特微模塊數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施解決方案

圖12廣州百度數(shù)據(jù)中心(易事特微模塊解決方案)

　　6,、結(jié)論

在以往的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中,，多采取“房間級”制冷系統(tǒng),，屬于集中制冷模式，將空調(diào)房間考慮成一個均勻空間,，按現(xiàn)場最大需求量來考慮,，但是這種模式忽視了空間各部分的需要，缺少考慮制冷效率,、制冷成本的意識。隨著數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)量的增加,，發(fā)熱功率直線上升,，需要更大的制冷量及制冷效率才能滿足需求，這個時候各個數(shù)據(jù)中心廠家推出氣流遏制等解決方案,。

目前,，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及高密度大型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)需求，人們逐漸認(rèn)識到集中制冷的弊端和按需制冷的必要性,，按需制冷就是按機(jī)房內(nèi)各部分熱源的即時需要,，將冷媒送到最貼近熱源的地方，這個階段典型的制冷解決方案就是行級制冷,、水冷空調(diào)及冷凍水空調(diào)的應(yīng)用,，其最大的特點(diǎn)是制冷方式的定量化和精準(zhǔn)化，從“房間級”制冷轉(zhuǎn)變?yōu)椤靶屑墶敝评?，隨著數(shù)據(jù)中心的大發(fā)展，最后到“機(jī)柜級”以及“芯片級”制冷,。

編輯：Harris

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