数据中心机房冷热通道

数据中心机房冷热通道
论如何选择布置隔离冷通道还是热通道
随着IT设备越来越趋向于大密度集中管理时代，数据中心所面临的散热问题也就越来越严重，TIA942标准的出现，为这一问题提供有效的规避指导依据。

本期冷通道连载系列正是为解决这些问题，而进行了原理、实施、特点等方面的阐述，希望对涉及到该行业的设计人员、实施人员、IT管理人员、信息主管等有一定的帮助作用。

一、论如何规划好数据中心气流组织
1、概述
数据中心机房在使用过程中，受各种因素制约限制，造成机房气流组织不合理、不通畅，由于IT设备是靠机房空调送入的低温风与其散热充分交换，带走热量，降低机架内温度，气流组织起到热交换媒介纽带作用，当热交换的纽带不顺畅、不合理时，现状只能是机房空调设备容量配置远远大于实际需求量，以满足机房需要。

造成空调设备投资增大、运行费用增高，机房PUE值增大。

因此如何规划好数据中心机房气流组织，有着非常重要的意义，它是对机房内现有的不合理的气流组织，进行归纳分类、根据不同类型，进行合理改造。

将冷热空气有效的隔离，让冷空气顺利的送入通信设备内部，进行热交换，将交换产生的热空气送回至空调机组，避免不必要的冷热交换，提高空调系统效率。

减少机房运行费用。

2、数据中心机房中的几种气流组织形式
我们根据多年的规划气流组织经验，将数据中心气流组织分为以下四种形式即：机房气流组织形式、静压仓气流组织形式、机架气流组织形式、IT设备气流组织形式。

下面分别介绍这几种气流组织形式：
1) 机房气流组织形式
在机房的气流组织中精密空调的送风方式起着决定性的作用。

精密空调的送、回风方式不同，其整个机房的气流组织形式是截然不同的。

下面是这两种送风方式的气流组织示意图:上送风下回风时；下送风上回风时，均采用艾默生PEX系列机组即可满足需要。

同时，机房内部机柜的摆放形式不同，其气流组织也是不同的，如下图所示：
2) 静压仓气流组织形式
数据中心的静压仓是为了保证有足够的送风压力而设计出的一个压力容器，它是精密空调送出的冷风所经过的第一道气流路径，它的压力以及精密空调的送风速度都是不可忽略的。

对于下送风，地板下为静压箱，所需要的是静压，只有保持静压箱中有足够的静压且静压的分布趋于相对均匀，才能保证每个机架的气流量。

下图是它的气流组织示意图：
静压仓气流组织图
3) 机架气流组织形式模拟软件示意：
机架是数据中心为IT设备提供可靠的物理运行微环境场所，机架气流组织形式显得非常关键，它是精密空调送出的冷风给IT设备所经历的最后一道气流路径，其气流组织示意图如下：
4) IT设备气流组织形式
设备内的气流组织虽然不是数据中心设计人员所考虑的问题，本应交给设备制造商解决。

但我们应关心设备是否是前进风、后排风，还有排风位置是在服务器的左侧还是右侧，因为设备排风的方向对气流组织的影响还是很大的。

IT设备气流组织示意图
3、合理规划数据中心气流组织
合理规划数据中心气流组织最终目的是为了给IT设备快速散热，提高空调资源利用率，减少不必要的冷源浪费，提高数据中心PUE值。

那么我们应该如何来正确、合理的规划数据中心气流组织呢?前面我们已经对数据中心的四大气流组织形式阐述过，现在姑且把这四大气流组织形式看作是气流流经的四个不同的地方，那么任何一个地方出现问题，都会直接或者间接的影响到IT设备快速散热问题。

也就是说我们需要逐一分析这四大气流组织形式中可能存在的问题，相当于就找到了解决的办法。

1) 合理规划IT设备气流组织
合理规划IT设备的气流组织最重要的就是要了解我们所使用IT设备，了解它的用电功率及损耗、发热功率、风扇的进出风及温差情况，单台设备所需要的风量计算等等。

有了这些数据，我们就可以为下面的机架、机房的总体功率及发热量，从而计算出整个数据中心所需要的热量，并以此数据来选择精密空调的容量。

一般一个1U的刀片服务器所需的电功率约为300W~500W,由于服务器中的元器件损耗很小(约为2%左右)所以基本上都以发热的形式散发，在刀片服务器上服务器厂商都自带风扇冷却,进出温差一般设计为11℃.
根据公式：1KW发热功率在进出温差11 ℃所需风量为270M3/H则10KW发热功率在进出温差11 ℃时所需风量为2700M3/H
2) 合理规划机房气流组织
与机房气流组织形式有关的主要是以下几个方面的问题：精密空调送风方式的选择、机架的摆放方式以及走线的方式。

Ø 数据中心精密空调应采用架空地板下送风、上回风方式。

Ø 精密空调的制冷量应该根据IT设备的总制冷量来进行计算。

Ø IT设备应采用上走线、网格桥架的方式，改善空调回风效果。

Ø 离精密空调最近一侧的机架边缘与其的距离不能低于1200mm,否则第一台机架冷区域会出现回风的现象。

Ø 计算机设备及机架采用“冷热通道”的布置方式。

将机柜采用“背靠背、面对面”摆放，这样在两排机柜的正面面对通道中间布置冷风出口，形成一个冷空气区“冷通道”，冷空气流经设备后形成的热空气，排放到两排机柜背面中的"热通道"中，热空气回到空调系统，使整个机房气流、能量流流动通畅，提高了机房精密空调的利用率，进一步提高制冷效果。

TIA942《数据申心通信基础架构标准》中要求机房内计算机设备及机架采用“冷热通道”的安装方式，可以分出两种来，一种是隔离冷通道的气流组织，另一种是隔离热通道的气流组织形式如下图所示：
隔离冷通道气流组织图
隔离热通道气流组织图
3) 合理规划静压仓气流组织
在规划静压仓的气流组织时，我们需要重点针对静压仓内的气压、气流速度等如下：
Ø 确保架空地板下的送风断面风速控制在1.5～2.5米/秒。

活动地板净高度不宜小于400mm。

Ø 架空地板内不应布放通信线缆，空调管道和线缆不应阻挡空调送风。

4) 合理规划机架气流组织
机架气流组织的规划是大家最容易忽略，但它又是最为关键的环节。

说白了就是前面所有的都是一流的，而恰恰在这一点上我们却做的不尽人意。

(在此我们只说结论，暂不做分析，后续章节会有相关的详细分析及描述)
Ø 为防止气流乱窜，必须保证机架的进风与出风口是隔离的，也就是说在IT设备没有到位的情况下，我们应该用挡风板将没有用到的位置封闭起来。

Ø 同理，机架的19英寸外的两侧位置也必须要密封起来。

所有的线缆不再使用传统的方式，走在机架的前部两侧，而是通过理线器从机架的后端进线。

Ø 为防止静压仓冷所流窜到机架后部(也就是热区域)，不要采用下走线的方式，或者在后部开孔。

Ø 为保证送风风量，在机架的顶部尽量不去布置IT设备。

Ø 为保证回风风速，尽量不要将走线塞满后部空间。

论隔离冷(热)通道的两个基本原理
大家都知道，隔离冷(热)通道是来源于TIA942《数据申心通信基础架构标准》中要求机房内计算机设备及机架采用“冷热通道”的安装方式，其核心指导思想就是我们在上节所阐述的“合理规划数据中心气流组织”，那么在现实的设计与实施过程中，遇到了问题怎么办?要以什么为基准来进行分析与处理呢?这也就是我下面要跟大家分享的两个基本原理。

1、容器原理
a)名称定义
把数据中心中的静电地板以下的部分静压仓定义为容器体积(M);
把经过气流组织规划后的冷通道区域定义为容器体积(M1);
把精密空调送出的冷风量定义为(Q);
把单台机架所需的冷风量定义为(Q1);
把静电地板下静压仓的送风速度定义为(S);
b)原理阐述
当在机房中布置了冷(热)通道后，单台机架所需的冷风量(Q1)是不变的，由于精密空调送出的冷风经过了M、M1不同的两个静压仓，这时我们假设容器M及其送风速度S为恒定不变，那么容器M1的压力Pa1是否足够就取决于容器M1的大小了，也就是Pa1是与M1的大小成反比的;而当我们假设精密空调的送风量Q为恒定不变，那么容器M1如果增加，就会得不到足够的压力，也就不能快速给机架散热。

c)结论得出
通过以上的问题分析，我们不难看出冷通道容器体积M1如果增加，那么机架就不能得到足够的冷风风量Q1，也就可以这么说，在机柜高度相同的情况下，1200mm宽的冷通道要比1800mm宽的冷通道所得到的效果要好。

说到这里了，似乎有人会问，那为什么我们的静压仓的高度会越来越高呢?其实静电地板的净空高度增加，是为了减小送风的压力对IT设备所产生的影响，因为压力越大，其送风速度也就快了很多，它们经过IT设备后，只是简单把把热量带走，而并没有对IT设备进行足够的冷却，还是没有达到满意的效果。

2、混合原理
a)名称定义
把经过气流组织规划后的冷通道区域的冷气定义为(C1);
把经过气流组织规划后的热通道区域的热气定义为(H1);
把由于地板下开孔后流窜到热通道区域的冷气定义为(C2)
把由于未在机架前面安装挡风板从冷通道流窜到热区域的冷气定义为(C3)
把由于未在机架前面安装挡风板从热通道流窜到冷区域的热气定义为(H3)
b)原理阐述
我们大家都知道一个原理，就是在热水中加入冷水或者在冷水中加入热水，其水温都会变化成其二者的综合温度。

那么针对数据中心气流变化也是一样的道理，当C1与H1与混合后，其CH1的温度值就小于C1，为保证设备得到同样的冷量，那制冷量在原来已经送出的基础上还需要增加，这势必要增加空调的压缩机功耗。

同理当C2流窜到H2，C3流窜到H3，H3流窜到C3后都会出现这种情况。

c)结论得出
合理的组织规划，主要是为了让冷、热空气气流回归到属于自己的区域，防止冷热空气混合后，机房整体温度上升，同时为了降低数据中心的温度，而需要增加空调的制冷功耗。

同时也为后面的“论规划冷通道应该注意些什么问题”提供了很好的理论依据。

一、论如何选择布置隔离冷通道还是热通道
关于冷热通道系统业界谈论最多的当属：“是布置隔离冷通道，还是布置隔离热通道?”。

那么实际案例当中，我们应该如何来正确的选择呢?现在我们姑且不讨论怎样来做出选择，首先我们来看看这两种方案分别有什么不同。

1、选择冷(热)通道的前提条件
并不是所有的数据中心机房都适合布置隔离冷通道与热通道，主要还是看其数据中心的发热量是否大，如果发热量不是很大(一般是以单机架发热量不超过4KVA为基准)，那这个时候是即可以选择冷通道，又可以选择热通道布置方案。

其它情况笔者认为还是选择布置隔离冷通道为最佳。

为什么这么说呢?
1)选择布置隔离热通道后，我们把机房中除机架外当成是一个密闭的容器(M1)，单台机架的发热量(Q1)是不变的，那么要散去这些热量，是不是精密空调送出的冷气风量要更加多呢?也就是说当发热量恒定时，容器的大小与送风量是成反比的。

从这一点来说，布置隔离热通道会增加空调的功耗。

2)选择布置隔离冷通道后，我们也把冷通道区域当成是一个密闭的容器(M2)，单台机架的发热量(Q2)是不变的，那么要散去这些热量，是不是精密空调送出的冷气风量要比布置隔离热通道小些呢?因为M2
2、布置隔离冷(热)通道后机房的环境
布置隔离热通道后，机房剩余空间即处于一个冷空气区域，经常出入机房的人会感觉到机房很冷，但设备却不一定得到足够压力的冷气。

布置隔离冷通道后，机房剩余空间即处于一个热空气区域，经常出入机房的人可能会感觉到有些温度适应，但设备却得到了足够压力的冷气。

3、布置隔离冷(热)通道先决条件
1)布置隔离热通道的先决条件是：除了要求精密空调为下送风、上回风的条件外，还特别要求数据中心机房必须具备良好的回风、新风系统。

所以从这一点来说针对改造机房是不适合布置隔离热通道的。

因为老的机房不一定具备良好的回风系统。

2)布置隔离冷通道的先决条件是：要求精密空调为下送风、上回风的系统，同时为保证送风量，静电地板的净空间至少为450mm。

4、布置隔离冷(热)通道的施工难易程度
从布置隔离冷(热)通道的先决条件来看，布置隔离热通道的施工难度明显比布置隔离冷通道要大很多。

1)它所涉及到的回风管道安装与布置，是需要布置天花(而目前大多数大型数据中心是不需要布置天花的)。

2)布置回风管道需要增加隔热材料及排风设备，这样才能有效的将热气排出。

3)接下来的工作就是封闭热通道或者冷通道，它们两者的材料及工作量差不多。

5、布置隔离冷(热)通道的后期维护
1)布置隔离热通道后，热气有可能不是很快排出，所以需要增加排气风扇，这也给后期维护带来了很多的麻烦，风机是一直都在运行，不可能不会出现故障，那就需要更换排风风机，工作量也会增加
2)布置隔离冷通道后，其后期基本上没有维护的成本，就算是需要对机房内的照明更换，其也可以很方便的将冷通道顶棚移开。

6、布置隔离冷(热)通道后的节能数据
在允许布置隔离热通道的情况下，其布置隔离冷(热)通道后的节能效率数据是相差还是有的，其冷通道约可以节能30%，而热通道由于需要加装回风风机，所以其节能效率明显要低于30%，有的地方可能还达不到10%。

从下图中可以看到，在每台(列)机柜后顶部都有可能需要安装一台回风风机。

7、布置隔离冷(热)通道与消防联动
消防一直是数据中心最为关注的、不可缺少、却又很少用到的预防综合性安全系统。

在这里我们不是要谈消防怎样，而是要说当单个机房遇到火灾后会是怎么样的情形?因为所有的IT设备电源、机柜电源都是布置在机架的后部，即使IT设备的电路板会有一部分在前端，当设备发生着火时，也是从机架的后部开始着火，本着遇到火灾先灭火的原则，应该在热空气区域安装有主要消防喷头，也可以在冷空气区域安装辅助喷头。

由此，不然看出如下结论：布置隔离冷通道与消防联动似乎关系不是很大，而如果要布置隔离热通道，那就与联防联动有莫大的关系。

也就是说，我们在布置冷通道的时候为了能与消防进行联动，而采用磁力锁封闭顶板的做法是不妥的。

这样不仅对消防起不到什么关键性的作用，而且还增加了能量的损耗。

当然具体的我们还会在下一期的文章中进行详细的阐述。

二、论规划冷通道应该注意些什么问题
前面的三个章节分别讲述了有关冷通道的相关问题，那么从这一章节开始，我们来讲讲一些实际项目中会面临到的一些问题。

也可以说，我们在设计及布置隔离冷通道时应该考虑、注意的一些细节性问题。

下面我会分别从方案的两种不同角度来阐述这些我们需要注意的问题。

Ø 未布置冷/热通道之前
传统机房冷气得不到有效控制，冷气乱窜，所以有了机柜机房如冬，机柜如夏的感觉。

传统机房散热示意图
Ø 布置冷热通道之后，未隔离冷通道之前
当数据中心按照气流组织的方式进行机柜摆放时，其冷通道与热通道的气流就会有互相流窜的可能性发生，而影响空调机组的制冷效率，更为严重的热空气流窜到机柜的正面与冷空气混合后再给IT设备制冷，这样一来，本应该是冷空气制冷，现在却变成了冷热混合空气给IT设备制冷，明显满足不了当今高负荷下的制冷要求。

左边是出现这种情况的气流组织图：
Ø 隔离冷通道之后
冷通道机柜将输送到机柜内部的冷气以最节约有效的方式全部输送给散热设备，机柜内的热量延指定方向输送出机柜。

设备间空隙使用封板盖住，不会引起热气回流。

Ø 隔离冷通道之后，未安装机柜盲板
当机柜的正面没有在未安装服务器的U立柱上安装满足的盲板或者前面与后面有相通的孔位，其机柜前面从地板下送上来的冷风就有会从缝隙中或者未安装盲板处流向热通道，与热空气发生混合，增加空气制冷负担，降低冷气利用率。

以下两副图说明了有或者没有安
装盲板的气流组织情况。

Ø 隔离冷通道之后，又采用下走线的方式
数据中心采用地板下送风，机柜下的高架地板开有出线孔时，由于地板出线孔的不密封将导致大量的冷风泄漏。

在地板下静压为0.075吋水柱压力的情况下(约20Pa) ，一个240 x 170mm开孔漏风量410 CFM, 或2.56kW的制冷能力。

而一个25%开孔率的地板出风口，在20Pa的静压下，最大送风量约500CFM或3.125KW制冷能力。

假设每只机柜前面有一块地板送风口，每只机柜下有一只240 x 170mm出线孔，这样空调的送风有45%的冷风漏到了机房，只有55%的冷风送到了机柜的前面，而送到机柜前面的冷风也没有完全进入服务器机柜，有一部分冷风又直接被空调机组吸回，这样实际进入到机柜的有效冷风就小
于50%，空调有送风利用率很低，而造成数据中心效率低。

除了以上所讲述的冷热气流乱窜的问题，还有以下的这些注意事情需要业内人士多留意，以免冷通道是做的隔离，但是实际上效果却不怎么显著。

Ø 静电地板的净空高度应该根据数据中心内部的IT设备密集的大小来定义，一般按照450mm以上布置最为妥当;
Ø 静电地板下的送风速度应该保证在1.5m/S～2.5m/S之间(这个用风速测试仪可以测试的出来);
Ø 静电地板下面不能有走线线槽，即使有少数几根线缆需要走，也要处理好走线孔;
Ø 机架必须按照“背靠背，面对面”的摆放方式，并且采用上走线的网格桥架便于散热及气流组织;
Ø 隔离冷通道后，IT设备的布局应该是按照发热量的大小从下往上进行布置，因为机柜下端得到的风量比上端更加高些，这样更加有利于合理利用冷气资源。

降低空调利用率，节能减耗。

Ø 机架的摆放位置距离精密空调的距离至少为1800mm,主要是为了减少列头机架的
空气倒吸入到静压仓中。

Ø 为加快机架内冷热气体快速进入与流出，可以考虑增加机柜门的开孔尺寸，但机柜尾部的线不能增加到机柜门的开孔区域，特别是不能阻挡住IT设备的出风口，这点非常关键。

关于冷热通道系统业界谈论最多的当属：“是布置隔离冷通道，还是布置隔离热通道？”。

那么实际案例当中，我们应该如何来正确的选择呢？现在我们姑且不讨论怎样来做出选择，首先我们来看看这两种方案分别有什么不同。

1、选择冷（热）通道的前提条件
并不是所有的数据中心机房都适合布置隔离冷通道与热通道，主要还是看其数据中心的发热量是否大，如果发热量不是很大（一般是以单机架发热量不超过4KVA为基准），那这个时候是即可以选择冷通道，又可以选择热通道布置方案。

其它情况笔者认为还是选择布置隔离冷通道为最佳。

为什么这么说呢？
1）选择布置隔离热通道后，我们把机房中除机架外当成是一个密闭的容器（M1），单台机架的发热量（Q1）是不变的，那么要散去这些热量，是不是精密空调送出的冷气风量要更加多呢？也就是说当发热量恒定时，容器的大小与送风量是成反比的。

从这一点来说，布置隔离热通道会增加空调的功耗。

2）选择布置隔离冷通道后，我们也把冷通道区域当成是一个密闭的容器（M2），单台机架的发热量（Q2）是不变的，那么要散去这些热量，是不是精密空调送出的冷气风量要比布置隔离热通道小些呢？因为M2
2、布置隔离冷（热）通道后机房的环境
布置隔离热通道后，机房剩余空间即处于一个冷空气区域，经常出入机房的人会感觉到机房很冷，但设备却不一定得到足够压力的冷气。

布置隔离冷通道后，机房剩余空间即处于一个热空气区域，经常出入机房的人可能会感觉到有些温度适应，但设备却得到了足够压力的冷气。

3、布置隔离冷（热）通道先决条件
1）布置隔离热通道的先决条件是：除了要求精密空调为下送风、上回风的条件外，还特别要求数据中心机房必须具备良好的回风、新风系统。

所以从这一点来说针对改造机房是不适合布置隔离热通道的。

因为老的机房不一定具备良好的回风系统。

2）布置隔离冷通道的先决条件是：要求精密空调为下送风、上回风的系统，同时为保证送风量，静电地板的净空间至少为450mm。

4、布置隔离冷（热）通道的施工难易程度
从布置隔离冷（热）通道的先决条件来看，布置隔离热通道的施工难度明显比布置隔离冷通道要大很多。

1）它所涉及到的回风管道安装与布置，是需要布置天花（而目前大多数大型数据中心是不需要布置天花的）。

2）布置回风管道需要增加隔热材料及排风设备，这样才能有效的将热气排出。

3）接下来的工作就是封闭热通道或者冷通道，它们两者的材料及工作量差不多。

5、布置隔离冷（热）通道的后期维护
1）布置隔离热通道后，热气有可能不是很快排出，所以需要增加排气风扇，这也给后期维护带来了很多的麻烦，风机是一直都在运行，不可能不会出现故障，那就需要更换排风风机，工作量也会增加
2）布置隔离冷通道后，其后期基本上没有维护的成本，就算是需要对机房内的照明更换，其也可以很方便的将冷通道顶棚移开。

6、布置隔离冷（热）通道后的节能数据
在允许布置隔离热通道的情况下，其布置隔离冷（热）通道后的节能效率数据是相差还是有的，其冷通道约可以节能30%，而热通道由于需要加装回风风机，所以其节能效率明显要低于30%，有的地方可能还达不到10%。

从下图中可以看到，在每台（列）机柜后顶部都有可能需要安装一台回风风机。

7、布置隔离冷（热）通道与消防联动
消防一直是数据中心最为关注的、不可缺少、却又很少用到的预防综合性安全系统。

在这里我们不是要谈消防怎样，而是要说当单个机房遇到火灾后会是怎么样的情形？因为所有的IT设备电源、机柜电源都是布置在机架的后部，即使IT设备的电路板会有一部分在前端，当设备发生着火时，也是从机架的后部开始着火，本着遇到火灾先灭火的原则，应该在热空气区域安装有主要消防喷头，也可以在冷空气区域安装辅助喷头。

由此，不然看出如下结论：布置隔离冷通道与消防联动似乎关系不是很大，而如果要布置隔离热通道，那就与联防联动有莫大的关系。

也就是说，我们在布置冷通道的时候为了能与消防进行联动，而采用磁力锁封闭顶板的做法是不妥的。

这样不仅对消防起不到什么关键性的作用，而且还增加了能量的损耗。