制冷架構(gòu)類型的優(yōu)化應(yīng)用和發(fā)展趨勢

郝一舟++張強(qiáng)

[摘 要] 數(shù)據(jù)中心的制冷和節(jié)能一直以來都是數(shù)據(jù)中心建設(shè)的重點(diǎn)，選擇合適匹配的制冷架構(gòu)，不僅能更好的滿足數(shù)據(jù)中心的制冷需求，而且還能更節(jié)約更環(huán)保的降低整體數(shù)據(jù)中心的PUE值。本文通過對常見的幾種制冷架構(gòu)的參考和分析，把握趨勢和實(shí)際水平相結(jié)合，采用契合的制冷架構(gòu)，來提高能源的利用價值和效率，進(jìn)一步滿足各數(shù)據(jù)中心的實(shí)際應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞] 制冷；節(jié)能；PUE；數(shù)據(jù)中心

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2016. 21. 034

[中圖分類號] TP308 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2016）21- 0074- 02

1 常見數(shù)據(jù)中心制冷架構(gòu)

所有傳輸至數(shù)據(jù)中心內(nèi)的IT負(fù)載的電能最終都將轉(zhuǎn)化為熱能，必須被排出以避免過熱?？照{(diào)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心的作用就是高效率地收集這些復(fù)雜的熱氣流并將其所攜帶的熱量排出機(jī)房之外。對于數(shù)據(jù)中心的制冷方案和整體架構(gòu)的優(yōu)化方式，原則上有三種選擇，房間級制冷（room-oriented cooling）、行間級制冷（row-oriented cooling）、機(jī)柜級制冷（rack-oriented cooling）。

2 架構(gòu)與趨勢介紹

在房間級制冷架構(gòu)中，CRAC（Computer Room Air Conditioner，計算機(jī)機(jī)房空調(diào)）機(jī)組與機(jī)房相關(guān)聯(lián)，并行工作以應(yīng)對機(jī)房的總體熱負(fù)載。由于被局限到了房間級，其制冷架構(gòu)可能由一臺或多臺機(jī)房空調(diào)組成，機(jī)房空調(diào)提供是不局限于管道、風(fēng)門、通風(fēng)口等約束的冷空氣。

但房間級制冷架構(gòu)的設(shè)計受機(jī)房物理特性很大影響，包括天花板高度、機(jī)房形狀、地板上下的障礙物、機(jī)柜布局、機(jī)房空調(diào)的位置、IT負(fù)載功率密度分布等因素。其結(jié)果是可預(yù)測性較差，特別是在功率密度增大時更是如此。因此，可能需要利用CFD（Computational Fluid Dynamics，流體動力學(xué)計算模型）對設(shè)計安裝細(xì)節(jié)進(jìn)行計算。此外，諸如IT設(shè)備移動、增加及變更等也可能使性能模型失效，而需要進(jìn)一步的分析和測試。而房間制冷的冗余性也難以真正計算確認(rèn)。

在行級制冷架構(gòu)中，機(jī)房空調(diào)機(jī)組與機(jī)柜行相關(guān)聯(lián)，以針對特定機(jī)柜行為設(shè)計目的。機(jī)房空調(diào)機(jī)組可以安裝在IT機(jī)柜之間，可以架空安裝，也可以在地板下安裝。與房間級制冷架構(gòu)相比，其氣流通路較短，且更為明確。此外，氣流可預(yù)測性要好很多，機(jī)房空調(diào)的全部額定制冷量均可得到利用，并可以實(shí)現(xiàn)更高密度布局。

除制冷性能之外，行級制冷架構(gòu)還有許多其他優(yōu)點(diǎn)。氣流路徑縮短可降低空調(diào)風(fēng)機(jī)功率，提高效率。行級制冷設(shè)計可以根據(jù)目標(biāo)機(jī)柜行的實(shí)際需求確定制冷量和冗余度。例如，行級制冷架構(gòu)允許一行機(jī)柜高密度應(yīng)用，如安裝了刀片式服務(wù)器，而另一行機(jī)柜則應(yīng)安裝較低密度的IT設(shè)備。此外，對具體行可針對性地采用N+1 或2N式冗余設(shè)計。

在機(jī)柜級制冷中，機(jī)房空調(diào)與機(jī)柜相關(guān)聯(lián)，以冷卻特定機(jī)柜為設(shè)計目的?？照{(diào)機(jī)組直接安裝在IT機(jī)柜上或其內(nèi)部。與房間級或行級制冷架構(gòu)相比，機(jī)柜級制冷氣流路徑更短，且定義更為準(zhǔn)確，使得氣流完全不受任何設(shè)施變動或機(jī)房約束條件的影響。機(jī)房的全部額定制冷量均可得到利用，并可實(shí)現(xiàn)最高的負(fù)載密度。與高密度機(jī)柜的是虛擬化和云計算大數(shù)據(jù)發(fā)展的趨勢，而針對高密度機(jī)組的模塊化制冷也是契合強(qiáng)電模塊化配電的發(fā)展趨勢。而對高密度數(shù)據(jù)的能耗也是重要的考慮原因。

這種方式的主要缺點(diǎn)是相比其他方式需要大量空調(diào)設(shè)備及相關(guān)管路，特別是在較低負(fù)載密度的情況下更是如此。

3 各制冷架構(gòu)分析

機(jī)柜級制冷架構(gòu)的電力成本一貫較低，因?yàn)闄C(jī)房空調(diào)緊靠負(fù)載并匹配良好，并針對負(fù)載進(jìn)行選型配置。所以不必要的氣流能得以避免。

房間級制冷架構(gòu)的電力成本在低功率密度時很低，但隨著機(jī)柜平均功率密度超過3kW之后，將發(fā)生顯著的退化。這實(shí)際上是由于需要將更多空氣移動較長的距離，而且機(jī)房空調(diào)需要消耗更多電力方可攪拌或混合機(jī)房內(nèi)的空氣以避免熱點(diǎn)出現(xiàn)。

行級制冷架構(gòu)的相關(guān)電力成本在低密度下表現(xiàn)較差，但在較高密度下會有顯著的改善。隨著負(fù)載密度的增大，行級制冷的設(shè)計則具有最高的效率和最低的電力成本。這是因?yàn)榭照{(diào)機(jī)組緊靠熱源與負(fù)載匹配良好，空調(diào)可用制冷量在高密度下得以保持，而且冗余設(shè)計使空調(diào)機(jī)組可以支持多個機(jī)柜。

主要參考文獻(xiàn)

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