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、交換機等IT設(shè)備，為保障IT設(shè)備的穩(wěn)定運行，需要一套環(huán)境控制系統(tǒng)，提供一個穩(wěn)定的運行環(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。當前，1U高(約44.4mm)的雙核服務(wù)器的發(fā)熱量可達1000W左右，放滿刀片式服務(wù)器的機柜滿負荷運轉(zhuǎn)，發(fā)熱量可達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)備運行、絕緣材料、電池等問題。機房溫度過低，部分IT設(shè)備將無法正常運行。

(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，將近一半的計算機故障都是由靜電放電引起的。靜電放電對計算機的破壞作用具有隱蔽性、潛在性、隨機性、復(fù)雜性等特點。

(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)機組與整個機房相關(guān)聯(lián)，并行工作來處理機房的總體熱負荷，通常見到的布置如下圖1及圖2所示：

圖1自然送風方式

圖2地板下送風方式

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心機房，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)直接布置在機房內(nèi)部，通常機房氣流較為紊亂(如圖3)，容易存在局部熱點和局部冷點，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，機房也能長期穩(wěn)定運行，但是造成了極大的能源浪費。

圖3傳統(tǒng)機房氣流云圖

此階段，通常數(shù)據(jù)中心送回風方式為空調(diào)下部送風及地板下送風，上回風的方式。這種送回風方式很多情況下無法充分利用空調(diào)的全部制冷容量，當空調(diào)機組送風時，很大一部分冷空氣繞過IT負載，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載的冷卻沒有幫助，實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2m，將機房專用空調(diào)的冷風送到靜電地板下方，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，再通過通風地板(如圖4)將冷空氣送到服務(wù)器機架上，回風可通過機房內(nèi)地板上空間或?qū)Ｓ没仫L道回風。

圖4地板下送風圖示

為了避免地板下送風阻塞問題反生，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，附之以合理的風量、風壓配置，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與走線架上走線方式。

這種氣流組織管理使送風效果及機房整體建設(shè)相較于自然送風模式有了進一步改善和提高。但是仍然會存在混風問題，也會限制單機柜的功率密度布置。

　　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，因為實施起來比較簡便。

冷通道封閉技術(shù)：冷通道封閉技術(shù)是在機柜間構(gòu)建專門限于機柜設(shè)備制冷用的通道，并將冷通道與機房環(huán)境熱氣完全隔離，從而將冷空氣限制在機柜中，避免了冷熱空氣混合、改善了冷空氣利用率、提高了機房空調(diào)制冷效率和制冷效果，從而實現(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：

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

(2)封閉冷通道技術(shù)將冷熱氣體完全隔離，提高了回風溫度，解決了機房環(huán)境溫度過低、機柜設(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)可有效降低機房能源消耗率PUE數(shù)值，提高數(shù)據(jù)中心效率，可增加機柜設(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)機組與機柜行相關(guān)聯(lián)，在設(shè)計上，它們被認為是專用于某機柜行。

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：

(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，送風路徑最短，冷風壓最大，冷風利用率及制冷效率最高。

(3)支持高密度制冷，單機架可布置服務(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)進行重新設(shè)計，進行擴展。

這種情況下，運用行級制冷的數(shù)據(jù)中心整體解決方案(微模塊)應(yīng)運而生，即把整個數(shù)據(jù)中心分為若干個獨立區(qū)域，每個區(qū)域的規(guī)模、功率負載、配置等均按照統(tǒng)一標準進行設(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)實現(xiàn)區(qū)域化、微模塊，互不*，可以獨立運行，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，其最大的特點是制冷方式的定量化和精準化，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“機柜級”以及“芯片級”制冷。

編輯：Harris

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