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机房关键设备的空调结构选择方案

发布时间:2019-06-10 09:14:41

随着计算设备密度的增加,数据中心和网络机房的冷却问题已经凸显出来,成为一个严峻的挑战。一些服务器合并计划,以及服务器和存储系统物理体积上的缩小,已经导致功率密度和热量密度大大提高。尽管在数据中心中,每个机柜通常的能耗保持在1kW的量级上,但设备经过配置后,每个机柜的能耗可能会超过15kW。这超出了一般数据中心的冷却能力,因为按照设计,它们只能可靠地冷却每个机柜2-3kW的能耗。此外,在数据中心中引入度机柜可能会导致机房内出现热点区域,制冷系统可能无法应对这种情况,因为传统的冷却设计假定:在数据中心中,冷却模式是相对均匀分布的。

机房关键设备的空调结构选择方案

网络机房或数据中心的制冷系统由计算机房空气调节(CRAC)装置和相关的空气分配系统组成。在规模较大的数据中心中,也可以用计算机房空气处理(CRAH)装置来取代CRAC。所有的制冷系统都使用某种类型的CRAC或CRAH装置,或二者并用,它们在性能上各有不同,但作用都是带走机房中的热量。然而,影响制冷系统性能的最根本因素在于空气分配系统。正是由于空气制冷系统的配置不同,从而决定了不同数据中心将采用不同类型的制冷系统。这正是本章将要讨论的中心话题。

制冷系统的九种类型

所有制冷系统都由送风系统和回风系统组成。送风系统把冷气从CRAC装置分配到负载,而回风系统把负载排出的热气抽回CRAC装置。无论是送风系统还是回风系统,在CRAC装置与负载之间输送空气都有以下三种基本方式:

开启方式

局部管道方式

全管道方式

所谓开启方式,即CRAC和负载直接从房间吸入或排出大量空气,中间不用任何专门的管道来引导。所谓局部管道方式,即通过管道送风或回风,管道的通风孔位于靠近负载处。而在全管道方式中,空气直接通过管道进出负载。

以上三种方式,都可以用在送风路线和回风路线中。因此,共有9种组合,即9种空气分配系统类型。所有类型都已在不同场合中得到应用,有时还在同一数据中心混合使用不同类型。其中有些类型需要安装高架地板,而有些类型即可以使用硬地板,也可以使用高架地板。这9种类型的示意图见表1。

注1:术语管道指任何可用于送风或回风的强制通风装置。全管道回风系统中的管道把排出的热气从机柜尾部抽走。

注2:在本白皮书中,假设冷却每千瓦功耗需要160cfm(立方英尺/分钟)气流,该值是根据当今IT服务器的典型气流量估计出来的。

表1图释了送风方式和回风方式的各种组合。总体而言,位于该表左上角的冷却系统最为简单,成本最低;越往下往右,管道系统越来越复杂,冷却系统的成本和复杂性都在提高。

对于数据中心的冷却系统而言,其关键目标之一是把进出设备的空气分离,以防止设备过热。这种分离同时大大提高了冷却系统的效率和性能。当设备功率密度增加时,排出和吸入的空气量也相应增加,这时要阻止设备吸入自身或邻近设备排出的空气变得更加困难。因此,随着功率密度的增加,采用部分管道或全部采用管道将空气引入或引出设备就显得十分必要。

以下对这9种冷却系统进一步给出了概括性的陈述。全管道送风系统一般用于活动地板环境,在这种环境中,地板下面的障碍物会导致低静压问题,使冷气无法到达机柜前端,如图1B所示。全管道送风系统还应用于具有直接送风管道的专门设备,如大型计算机中。全管道回风系统主要与其他系统组合使用,并可用于混合密度环境。开启方式和局部管道方式的四种组合,占据了冷却系统的绝大部分。为进一步评估这些方法各自的优势和局限性,下文将按以下两大类进行论述:使用活动地板的环境和不使用活动地板的环境

硬地板环境中冷却系统的类型

虽然一般认为数据中心应使用活动地板,但任何规模的数据中心都可以且常常没有活动地板。绝大多数局域网机房和网络机房都没有采用活动地板。许多较新的大功率数据中心也未使用活动地板。在现代数据中心中,以前那些需要采用活动地板的理由已不复存在,而且使用活动地板还存在许多重大缺陷,诸如专业工程设计、成本、设计时间、净高度要求、抗震性、安全隐患、保密隐患、地板载荷、不便操作以及其他问题。这些问题在APC的19号白皮书重新考察活动地板对于数据中心的适用性中有更详细的讨论。出于这些原因,造的数据中心常常使用硬地板,对于小型数据中心和网络机房则一直如此。表2列出了硬地板环境中的9种冷却系统。

在硬地板环境中,安装局部管道送风系统需要借助架空管道和通风装置,如表2第2行所示。局部管道送风系统和局部管道回风系统的组合貌似很复杂,但实际上这是商业建筑最常用的冷却方式,在商业建筑里,安装在屋顶的送风栅格和回风栅格散布于冷却空间中。

为硬地板环境选择合适的制冷系统类型

要判断各种制冷类型适用于哪种具体环境,首先应了解这些系统。虽然应对具体问题进行具体分析,不过仍可就每种类型何时适用给出一般性的指导原则。对于规模较大或功率密度需求较高的系统,其制冷系统的设计一般较为复杂,常常需要使用管道。

以下是进行有效设计的一个重要原则:根据所需平均功率密度设计制冷系统,并使其冷却能力可适应度机柜所在的位置。虽然度机柜一般只占总负载的一小部分,但事先无法准确预测它们在数据中心的位置。在很多使用传统活动地板的数据中心中,由于担心不能充分冷却潜在热点,而把制冷设备和空气分配系统设计得过大,这样不仅会导致资金和运行费用飙升,而且往往仍不能达到预期效果。如果使用管道输送空气或冷却冷气,则不仅能冷却高热密度区域,同时还可避免因制冷系统过大导致的额外成本。

表3说明了如何为硬地板环境选择合适的冷却系统。规模越大、密度越高,管道系统越复杂。有些度机架的功耗远远超出平均水平,每种冷却系统中都给出了相应的解决方法。

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