数据中心房间制冷方式白皮书

简介

2房间级、行级和机柜级制冷2三种制冷方式的比较6结论11资源

12

点击内容即可跳转至具体章节

目录

数据中心房间级、行级和机柜级

制冷方式的选择

数据中心IT 负载所消耗的电能几乎都会变成废热，必须将这些废热排出去以防止数据中心温度过热。实际上，所有IT 设备都是风冷型设备，也就是说，每台IT 设备都会吸入周围环境的冷空气，再排出热空气。由于一个数据中心可能包括数千IT 设备，因此数据中心内会有数千条热气流排风路径，它们共同构成了数据中心的总废热，这些废热必须排出去。空调系统对数据中心的作用就是高效收集这些复杂的废热气流，并将它们排到室外去。

过去，数据中心制冷一直采用周边制冷装置，在高架地板下方分配冷气流，不采取任何形式的气流遏制。这称为“精确送风、自然回风”的气流分配方法，具体请参见第55号白皮书《用于IT 环境的各种气流分配方案》。此种方法是并行运行一个或多个空调系统，将冷空气送入数据中心，并吸回机房环境中较热的空气。这种方式的基本原理是，空调不仅提供原始制冷容量，而且还作为一个大型的混合器，不断搅动混合机房中的空气，使之达到一致的平均温度，以防止热点的出现。这种方法只有在混合空气所需功耗仅占数据中心总功耗很小一部分时才有效。模拟结果和经验表明，仅当数据中心平均功率密度为每机柜1~2kW 左右，即323~753 W/m²（30~70 W/ft²）时，该系统才能发挥应有的效果。虽然可采取各种措施来提高此传统制冷方法的功率密度，但在实际实施时仍有限制。如需了解更多有关使用传统制冷的限制的信息，请参见第46号白皮书《超高密度机柜和刀片服务器散热策略》。随着现代IT 设备的功率密度将峰值功率密度提升至每机柜20kW 甚至更高，模拟结果和经验都指出，基于混合空气的传统制冷（无气流遏制）不再能起到有效的作用。

为解决这一问题，在设计数据中心时会采用侧重房间级、行级和机柜级制冷的设计方式。在这些方式中，空调系统将分别与房间、机柜行或单个机柜集成，以减少空气混合。这样可以提高可预测性、密度和效率，同时还带来很多其它优势。在本白皮书中，介绍并比较了各种制冷方式。我们可以看出，这三种制冷方式都有相应的应用，总体而言，趋势是，较小数据中心和高密度区域将采用行级制冷，而较大型数据中心则会更多地采用带气流遏制的房间级制冷。

每个数据中心的空调系统都有两个重要功能：提供总制冷容量，以及将向IT 负载分配冷气流。对于房间级、行级和机柜级制冷来说，第一个功能，即提供总制冷容量的功能都是相同的，以千瓦为单位的空调系统的总制冷容量，必须超出IT 设备的总功率负载（千瓦）。无论制冷系统采用房间级、行级还是机柜级设计，提供该功能的各种技术都是相同的。这些制冷方法的主要差别在于，它们如何执行第二项关键功能，即将冷空气分配给负载。与将电流限制在线缆中并作为设计的一部分的清晰可见的配电不同，气流只是大体受限于机房设计，实际气流在实施过程中并不可见，而且不同部署地点之间会有很大差异。气流控制是不同制冷系统设计方式的主要目标。图1以总平面图形式展示了三种基本制冷方式配置。图中，黑色方框表示按行排列的机柜，蓝色箭头表示机房空气处理（CRAH ）机组与IT 机柜中负载间的逻辑关联。CRAH 机组的实际物理布局可能会有所不同。采用房间级制冷时，CRAH 机组与机房相关联；采用行级制冷时，CRAH 机组与机柜行或机柜组相关联；而采用机柜级制冷时，CRAH 机组则与各机柜相关联。

简介

房间级、行级和机柜级制冷

图1

此平面图显示了房间级、行级和机柜级制冷的基本概念。蓝色箭头表示主要制冷送风路径与机房的关系。

用于IT 环境的各种气流分配方案

资源链接

第55号白皮书

超高密度机柜和刀片服务器散热策略

资源链接

第46号白皮书

下面将概要介绍每种制冷方法的基本工作原理：

房间级制冷

采用房间级制冷时，CRAH 机组与机房相关联，并行工作来处理机房的总体热负荷。房间级制冷系统可能由一个或多个空调组成，提供完全不受风管、风门、出风口等遏制的冷空气，或者送风和/或回风可能受到高架地板或吊顶回风通道的部分遏制。如需了解更多信息，请参见第55号白皮书，《用于IT 环境各种气流分配方案》。

在设计中，对气流的关注常常有很大的不同。对于较小的机房，机柜有时随意摆放，对于气流没有特别的规划、遏制。而对于较大的复杂的数据中心，可能使用高架地板，送风到经过精心规划的热通道/冷通道，来起到引导气流并使其与机柜相适应的目的。

房间级制冷受机房本身独有约束的影响很大，这其中包括室内净高、房间形状、地板上下的障碍物、机柜布局、CRAH 位置、IT 负载功率分配等。当送风和回风路径无气流遏制时，会导致性能比较难以预测，也不具备均一性，当功率密度增加时更是如此。因此，在传统设计中，可能需要利用计算机流体动力学（CFD ）的复杂计算机仿真技术，来帮助了解特定数据中心的设计性能。此外，IT 设备的移动、添加和变更等操作也可能会使性能模式失效，需要进一步分析和/或测试。特别需要注意的是，保证CRAH 冗余会变成一项非常复杂的分析，很难验证。图2提供了一个传统房间级制冷分配示例。

无气流遏制房间级制冷的另一个明显缺点是，很多情况下无法充分利用CRAH 的全部制冷容量。当CRAH 机组送风时，很大一部分冷空气绕过IT 负载，直接返CRAH 时，就会发生这一现象。这些绕过CRAH 的气流对负载的冷却没有帮助，实际上降低了总制冷容量。其结果是，尽管能够达到要求的额定制冷容量，但IT 设备的制冷要求可能会超出CRAH 的制冷容量。此问题在第49号白皮书《数据中心或网络机房内降低冷却性能的可避免错误》中进行了更为详尽的探讨。 对于200 kW 以上的新建数据中心来说，房间级制冷应采用热通道气流遏制，以防止上述问题的发生。无论有无高架地板，该方法都有效，制冷装置可位于数据中心内部，也可位于室外。对于采用房间级高架地板制冷的已有数据中心来说，建议采用冷通道气流遏制，因为它通常实施起来比较简便。热通道气流遏制与冷通道气流遏制都能减少数据中心的气流混合。每种解决方案都有自己独特的优势，在第135号白皮书《热通道与冷通道气流遏制对数据中心的影响》中进行了更为详细的介绍。图3提供了两个下一代房间级制冷示例。

行级制冷

采用行级制冷配置时，CRAH 机组与机柜行相关联，在设计上，它们被认为是专用于某机柜行。CRAH 机组可能位于IT 机柜之间，也可吊顶安装。与传统无气流遏制房间级制冷相比，其气流路径较短，且专用度更加明确。此外，气流的可预测性较高，能够充分利用CRAH 的全部额定制冷容量，并可以实现更高功率密度。

除制冷性能之外，行级制冷还有很多优点。更短的气流路径，减少了所需CRAH 风机功率，从而提高了效率。这个优点非常重要，因为对于许多负载较小的数据中心来说，仅CRAH 风机功率损耗就会超过IT 负载总功耗。

用于IT 环境各种气流分配方案

资源链接

第55号白皮书

热通道与冷通道气流遏制对数据中心的影响

资源链接

第135号白皮书

图2

传统无气流遏制房间级制冷示例

图3

下一代气流遏制房间级制冷示例

数据中心或网络机房内降低冷却性能的可避免错误

资源链接

第49号白皮书

室外制 冷装置