第四章：數據中心制冷的設計介紹

4.1制冷量單位回顧

所有熱/冷相關問題都堅持一個測量單位：

Watt/sqmtr 瓦特/平方米

RLU （Rack Location Unit）- 每機架瓦特

空氣冷卻能力：

制冷量（Q）= 0.5764 * Δ?? * ??????

CFM = 1.75 * Q（瓦特）/ Δ??

4.2制冷規劃的目標

制冷規劃的目標要滿足以下幾個方面的要求：

4.3制冷設計規劃

整體熱負荷 – Watts：確定關鍵負荷，始于識別主要部署的設備。設備熱負荷可以通過確定每件設備的額定功率來獲得。出于預算目的，可以將UPS功率容量以kW為單位并增加10~20％。通常，冷卻系統設計早于占用空間的設備部署計劃。在這種情況下，設計師的經驗至關重要。了解各種應用和設備部署的典型負載配置文件。以及對未來增長因素的考慮，可能更容易定義特定區域在預期標準下的熱負載。

整體熱負荷 – CMF：除了冷卻能力的kW額定值之外，我們還需要評估基于CFM / CHM的空氣流量位移能力。作為一項快速規則，我們可以使用平均每千瓦160 CFM的假設，假設計算機房中的大多數設備是傳統設備，其delta-T約為10-15攝氏度（取值為11攝氏度）。冷卻能力kW基于顯熱負荷能力。

RLU功率密度：一個明確的趨勢是RLU功率密度每年都在增加。典型的服務器部署，每RLU為3000-5000瓦；1U服務器部署，每RLU可達 5000-8000瓦；刀片服務器部署每個RLU甚至超過30000瓦；90％的服務器環境的機架密度在3000到6000瓦之間。

CMF和RLU：有效的冷卻是通過給負載提供溫度適當和體積足夠的空氣來實現的。美國采暖，制冷和空調工程師協會（ASHRAE）標準是將20°C至24°C的溫度范圍內的空氣輸送到IT設備入口。

關于風量CMF，制冷負荷每1 kW需要160立方英尺/分鐘（CFM）。5,000瓦的1U服務器機柜需要800 CFM。

計算機流體動力學（CFD）建模：可以對地板下空氣區域以及地板上方區域執行CFD建模。

許多軟件還允許將地板下的和頂部的氣流障礙物映射到模型里，更準確地代表環境。氣流建模為工程師提供了參考，在最短的時間內提供多種設計選擇。因而，最終設計不是基于試驗性的考慮，而是通過專業的設計過程，得到幾個選項并選擇最佳解決方案。這可以節省資金和運行成本，節省糾正設計錯誤的時間，和調試的時間。

確定房間配電策略：制定房間配電策略的兩個主要決策是配電單元（PDU）的放置位置，以及是否在頭頂或地板下運行電源線。

確定機柜配電策略：理想情況下，分支電源來自不同的PDU，UPS，發電機/ ATS，變電站，以及真正的2N（系統+系統）或2（N + 1）冗余。

配電對冷卻的影響：選擇如何管理RLU中的電源線首先要確定安裝電源板的位置。如果它們垂直安裝，則應安裝在后部和側面。如果使用水平電源板，根據設備布局，它們可以安裝在任何方便的機架U位置。

確定數據電纜的部署策略：數據線分布對冷卻的影響：電纜管理策略的有效性對冷卻性能有直接的影響。服務器打包得越密集，那電纜越多。關鍵是利用具有充足電纜管理空間的RLU，以避免阻塞空氣流動。雖然服務器電纜管理臂非常實用，不應使用那些嚴重阻礙空氣流動的電纜管理臂。

確定冷卻區策略

有效的計算機房冷卻就是除去熱量和增加冷量 – 排除熱空氣，增加冷空氣。三種設備冷卻方法及其典型的冷卻能力：

• 室內冷卻：上流式CRAC空調，作為冷空氣輸送源，與排熱源相反，向室內輸送冷空氣以使其與負載產生的熱量混合。
• 行冷卻：是一種受歡迎的由活動地板，熱通道/冷通道組成的冷卻配置。冷空氣通過冷通道中的多孔地板傳送。熱通道在熱通道中積聚，并使用天花板高度作為返回CRAC單元的通道。
• 機柜冷卻：空調在獨立的RLU中交付。這類似于帶有服務器的冰箱。對機柜冷卻的告誡是它需要連接到遠程散熱源，如冷凍水。
• 高密度冷卻：當今數據中心的一個共同主題是不斷增加負載密度。冷卻密度大于 4 kW / RLU，但小于8 kW / RLU可以通過行內部署空調的解決方案實現。
• 確定冷卻策略：制冷系統有多種選擇。

很多時候，使用什么類型的空調的選擇取決于現有的設施服務。如果一個計算機房位于高層建筑里，由冷凝器水回路提供服務，那么顯而易見的選擇是水冷系統。

確定冗余策略：在選擇合適的冷卻解決方案時，考慮冗余因素非常重要。冗余意味著提供額外的容量，使得如果系統的一部分發生故障，則剩余的工作組件可以提供設計要求的容量。為所有空調子系統提供冗余，包括CRAC單元，排熱設備，管道，泵等。

精密空調：精密空調是通常用在計算機房，非精密或舒適的冷空調通常用于住宅和商業辦公室建筑。有較高的顯熱比（SHR）。計算機房等級（精密）空調設備和舒適的冷空調設備都能消除顯熱和潛熱，它們的比率被稱為顯熱比。精密空調可以提供高達95％的顯熱制冷，舒適的冷空調可以提供低至30％的顯熱散熱。

冷空氣的輸送：高架地板的高度直接影響CRAC單元的冷卻性能。CFD分析表明，60cm是大多數高架地板冷卻應用的理想高度。如果活動地板太低，則空氣移動太快，靠近CRAC的機架CMF不足。

吊頂的高度也直接影響CRAC設備的冷卻性能。如果天花板太低，則熱量無法及時回到CRAC設備，以便被排到室外。根據經驗，吊頂高度一般30cm到60cm。

4.4冷卻性能監控

環境監測系統必須能夠監控每個房間，行和機柜冷卻區。即使針對特定負載曲線建立了有效的冷卻性能，它也將快速變化。為站點的所有環境參數編譯趨勢數據非常重要，這樣可以快速執行移動，添加和更改。

獨立的基于IP的GUI監控系統：

• 監控冷水機組和其它室外設備
• 監控CRAC/CRAH和熱交換設備
• 監控每個冷卻區的實際設備入口溫度。

設定特定條件，產生告警。

4.5制冷量單位回顧

本章介紹了數據中心制冷規劃所需要考慮的事項，每一項都可以用表格表現出來，這里只講了概念。

 

第五章：數據中心制冷的安裝部署

在第四章我們了解了制冷的設計規劃，在這一章我們再詳細了解一下制冷系統的選擇。

5.1制冷系統選擇

從項目規范到日常運營，冷卻系統的效率將影響項目的各個方面。為了使系統所有者獲得最佳價值，應仔細分析散熱方法，以確定冷卻系統的使用壽命。

水冷方法具有更高的性能和更低的運營成本，提供最佳的長期投資。采用水冷散熱方法的系統比其空氣冷卻方式節能約35％。具有水冷散熱系統可提供最佳性能，最小占地面積，最大容量和最理想的操作考慮因素。

具有流體散熱功能的系統介于空氣和水冷方法之間。雖然沒有像水冷技術那樣節省相同的能源成本，但它們確實提供了比空氣冷卻技術更好的投資，特別是在水的可用性有限或干球和濕球之間存在較大差距的地方。因而，基于流體的冷卻系統是對空氣冷卻方法的技術改進，包括效率，噪音，總體擁有成本以及用最少的水操作的能力。

當絕對沒有水時，使用風冷散熱的傳統系統將滿足設計規范; 但是，這些系統需要最大的空間，最大的運營預算，并在運行期間保持最高水平的聲音。

隨著時間的推移，冷卻方法的節能將非常重要。對于冷卻系統而言，這意味著總體擁有成本將更加依賴于其效率。安裝成本，即使對于最初更昂貴的系統，也會被水冷技術等高效方法迅速抵消，從長遠來看可以節省資金。

除了直接的能源成本，冷卻系統的選擇還會受到許多地方和國家實體的影響，這些實體越來越關注節能和環境責任。

5.2制冷設備占地面積

高密度數據中心需要冷卻裝置能夠以盡可能小的占地面積提供最高的冷卻能力。主要制造商提供的占地面積最小的高功率CRAC可提供約90 kW的凈顯熱制冷量，但需要3×1米（深度x寬度）的占地面積。

然而在實踐中，由于CRAC氣流拋擲距離的實際限制，一個CRAC將難以有效地將空氣均勻地輸送到所有90個機柜; 在大多數情況下，距離CRAC最遠的機柜可能會比靠近CRAC的機柜收到的冷空氣少 – 假設高架地板高度滿足實際要求和對地板下影響氣流的障礙物最少。

5.3空調安裝考慮

服務走廊：有的機房部署服務走廊，把制冷設施和IT機柜隔離，用于減少機房出入。

當在服務走廊打開門時，CRAC會從辦公區吸入空氣，這意味著灰塵顆粒和其他污染物會進入空調，不同的溫度和濕度也會導致入口波動。由于空調需要補償這些不規則性，這可能導致功耗增加。應對空調器的頂部進行管道處理，以避免額外空氣進入。

漏水檢測：當空調器出現泄漏或結露時，為了避免或減少水流入計算機房區域的風險，在空調或帶有排水點的滴水盤周圍安裝斜坡。當使用滴水盤時，需要確保斜坡直立不會太高，因為這可能會產生冷空氣湍流。

空調與消防控制面板/ EPO相連：有些國家規定，需要將空調器連接到消防控制面板，以便在發生火災時便于自動關閉空調。

 

空調安裝考慮：

• 使用落地支架/框架/底座。由于空調機組的重量，建議在使用高架地板基礎設施時使用空調地板框架，這將允許無振動傳導到機柜。
• 確保采取防振措施。在高架地板和空調之間填充橡膠減少震動傳導。
• 盡可能使用服務走廊。理想情況下將空調放置在服務走廊中，以便在計算機房內提供額外的安全和降噪。
• 保持制冷劑/水管道盡可能短地離開計算機房。對于DX類型的冷卻基礎設施，確保不超過允許的最大管道運行距離。盡可能不要超過距離限制，如果超過，可增大管道直徑來補償流速損失。管道的上升和下降彎曲會降低制冷容量。
• 使用適當的過濾網。

空調開通運行：數據中心建成后，需要測試和調試空調基礎設施。進行熱注入測試以確保冷卻系統按照設計工作，可以通過在機架內安裝加熱器風扇來完成。可安裝在機架上的加熱器風扇優于獨立加熱器單元，因為獨立單元通常不能很好地代表實際的熱負荷分布。

確保正確配置所有冷卻裝置，需要配置冷卻單元，使得所有溫度和濕度設定點相等。包括設定點的閾值。需要確保空調中的傳感器得到校準，因為濕度傳感器設置往往會隨時間漂移。

風量處于指定水平，在空調能夠調節空氣流量的地方，需要確保空氣壓力處于平衡狀態。

各種供應商都提供控制單元，將所有冷卻裝置連接到中央監控單元，確保單元同步。

5.4加濕策略

滲透，冷凝和通風會導致IT環境濕度的變化。加濕器添加水蒸氣和除濕器去除水蒸氣。它們共同維持IT環境的濕度。

5.5本章小結

本章介紹了大中小數據中心的制冷系統的選擇，以及安裝部署上的注意事項，后面還討論了濕度管理問題。

本文首先介紹了數據中心制冷的基礎知識，然后介紹了制冷系統，以及和機房密切相關的制冷知識，然后是制冷的設計規劃以及安裝部署，所有想學習數據中心制冷的運維人員或者相關人員，基本上花費兩個小時就可以了解所有相關知識，這是這一篇文章的目的所在。