環(huán)境系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心機房的應用優(yōu)化

梁偉 申志紅

[摘 要] 數(shù)據(jù)中心機房在信息化建設中作為各類系統(tǒng)業(yè)務、存儲網(wǎng)絡、服務應用的承載體，其作用和影響越來越重大。而數(shù)據(jù)中心機房作為高能耗的單位，其電力成本和各類維護成本隨信息化發(fā)展逐年遞增。科學地分析和優(yōu)化其中的重要系統(tǒng)，進一步降低投資、運維、管理成本，提升整體效率，對于目前和新一代的數(shù)據(jù)中心機房建設具有深遠的意義。

[關鍵詞] 環(huán)境設備；數(shù)據(jù)中心機房；優(yōu)化；架構

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 13. 066

[中圖分類號] TP39 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）13- 0145- 02

0 引 言

數(shù)據(jù)中心機房作為企業(yè)的信息中心樞紐，是企業(yè)的業(yè)務系統(tǒng)與數(shù)據(jù)資源進行集中、集成、共享、分析的場地、工具、流程等的有機組合。從基礎設施層面看，數(shù)據(jù)中心機房包括服務器、存儲、網(wǎng)絡和整體IT運行維護服務，其中服務器、存儲、網(wǎng)絡設備等是數(shù)據(jù)中心機房的關鍵設備。

關鍵設備運行所需要的環(huán)境因素，如供配電系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、機柜系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等是數(shù)據(jù)中心機房的關鍵物理基礎設施，而其中以制冷系統(tǒng)為主的環(huán)境系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心機房更是提供了穩(wěn)定有效的環(huán)境保障。

1 環(huán)境設備冷氣流組織系統(tǒng)的優(yōu)化研究

數(shù)據(jù)中心機房中各應用系統(tǒng)、服務器存儲、網(wǎng)絡設備等都是高精密的電子設備，對機房環(huán)境有嚴格的要求，其中最重要的是機房內溫度、濕度和潔凈度三個指標。一般都具有以下一些特點，因而對環(huán)境冷氣流有相應的要求：

（1）嚴格的溫、濕度范圍要求。

（2）裝機容量大，散熱量大且熱量集中，約占機房總的發(fā)熱量的95%。

（3）長時間地持續(xù)工作，不允許停機。

（4）產(chǎn)生大量的熱負荷，需制冷工作。

（5）建筑空間均為密閉，室內空氣和噪聲與外界有所隔離。

（6）嚴格的空氣潔凈度要求。

（7）要求機房內必須保持溫度和濕度的均勻，并不得有溫、濕度控制的盲區(qū)。

精密空調的冷氣流組織對于整體數(shù)據(jù)中心機房的環(huán)境因素有著直接的影響，而各系統(tǒng)及設備的散熱量又與機房設備中的運行狀態(tài)息息相關。如何制定可靠、安全、優(yōu)化程度較高的精密空調制冷方案，使制冷效率能達到最佳，成為數(shù)據(jù)中心機房冷氣流優(yōu)化的突出內容。

1.1 工作原理

精密空調的原理是靠消耗一定的高位能（電能、機械能），通過逆卡諾循環(huán)，進行冷、熱交換，把機房內IT設備產(chǎn)生的熱量通過空調冷凝器轉移到外部環(huán)境中去。

精密空調多數(shù)采用獨立的單（或雙）制冷系統(tǒng) 、加熱系統(tǒng)、加濕系統(tǒng) 、空氣過濾系統(tǒng)及高效率的除濕系統(tǒng)和電加熱補償系統(tǒng)，通過微處理器，根據(jù)各傳感器反饋回來的數(shù)據(jù)能夠精確地控制機房內的溫度和濕度。首先通過壓縮機吸入低壓低溫的制冷氣體，經(jīng)過壓縮，形成高壓制冷氣體，流經(jīng)冷凝器強制散熱，轉化為高壓制冷液體，流經(jīng)干燥過濾器，電磁閥，通過電子膨脹閥的適當泄壓，制冷液體氣化吸熱，變?yōu)榈蛪旱蜏刂评錃怏w，形成低溫環(huán)境，通過軸流風扇與空氣或者冷凍水進行熱量交換，形成冷流。低壓低溫制冷氣體再次被吸入壓縮機，形成制冷循環(huán)。 1.2 氣流循環(huán)及冷熱通道技術的優(yōu)化應用

氣流組織就是將空調送出的冷風通過預定的風道、風口，按預定的風量與風速送往需要制冷的地點，再把設備產(chǎn)生的熱空氣回收到空調制冷的過程。

通常機房制冷的氣流組織形式有混合制冷方式、垂直送風制冷方式和水平送風制冷方式三種。而由于數(shù)據(jù)中心機房內，各類IT設備密集度較高，散熱需求量較大，因此一般采用垂直送風制冷方式，即下送風上回風方式，形成冷熱循環(huán)系統(tǒng)，這種循環(huán)技術的優(yōu)化應用，可以更高效地提升機房環(huán)境的制冷效率。

而采用“冷熱通道”的設備布置方式，將機柜“背靠背、面對面”擺放，在兩排機柜的正面通道中間布置冷風出口，形成一個冷空氣區(qū)——“冷通道”，冷空氣流經(jīng)設備后形成的熱空氣，排放到兩排機柜背面的“熱通道”中，通過熱通道上方回到空調系統(tǒng)，使整個機房氣流、能量流動通暢，提高了精密空調的利用率，進一步提高了制冷效果。

1.3 制冷架構類型的優(yōu)化應用

對于數(shù)據(jù)中心機房的制冷方案和整體架構的優(yōu)化方式，原則上有三種選擇：房間級制冷（room-oriented cooling）、行級制冷（row-oriented cooling）、機柜級制冷（rack-oriented cooling）。

而基于熱氣流的排出方式，制定各類型的制冷架構，并對制冷架構進行合理應用，成為優(yōu)化架構的重點。

1.3.1 房間級制冷架構

在房間級制冷架構中，機房空調機組與機房相關聯(lián)，并行工作以應對機房的總體熱負載。房間級制冷架構可能由一臺或多臺機房空調組成，機房空調提供完全不受管道、風門、通風口等約束的冷空氣，而供風或回風可能受到高架機房地板或頂部壓力使得回風系統(tǒng)的部分受約束。

房間級制冷架構的特點是不需要設置高架地板；機組和IT設備擺放隨意；氣流未進行規(guī)劃、遏制，回風氣流摻雜出風冷氣流，容易降低制冷效率，若房間面積較大，一般需設置冷熱通道遏制。

房間級制冷架構受機房物理特性的影響很大，包括天花板高度、機房形狀、地板上下的障礙物、機柜布局、機房空調的位置、IT負載功率密度分布等因素。其結果是可預測性較差，特別是在功率密度增大時更是如此。因此，確保機房空調的冗余性將變得非常復雜并難以驗證。

房間級制冷架構的另一個明顯缺點是，在大部分情況下機房空調的制冷量并未完全被利用。機房空調送出的冷空氣有相當一部分繞過IT負載直接返回機房空調，這部分短路循環(huán)的氣流并沒有對IT負載實施冷卻，實質上是降低了機房空調的總制冷量。

隨著數(shù)據(jù)中心機房進一步的發(fā)展和更新，一般不建議單純地采用房間級制冷架構來對整體的機房進行熱量的轉移和氣流的冷卻。

1.3.2 行級制冷架構

在行級制冷架構中，機房空調機組與機柜行相關聯(lián)，以針對特定機柜行為設計目的。機房空調機組可以安裝在IT機柜之間，可以架空安裝，也可以在地板下安裝。與房間級制冷架構相比，其氣流路徑較短，且更為明確。此外，氣流可預測性要好很多，機房空調的全部額定制冷量均可得到利用，并可以實現(xiàn)更高密度的布局。

除制冷性能之外，行級制冷架構還可以根據(jù)目標機柜行的實際需求確定制冷量和冗余度。例如，行級制冷架構允許一行機柜高密度應用，如安裝了刀片式服務器，而另一行機柜則應安裝較低密度的IT設備，如交換機。此外，對具體行可針對性地采用N+1或2N式冗余設計。

行級制冷架構也可以應用于無高架地板的環(huán)境，這樣可以提高地板的承載能力，降低安裝成本，不再需要入口坡道，并使得數(shù)據(jù)中心機房可以設在沒有足夠凈空來安裝高架地板的建筑物內，這一點對高密度數(shù)據(jù)中心機房尤為重要。

1.3.3 機柜級制冷架構

在機柜級制冷架構中，機房空調機組與機柜相關聯(lián)，以冷卻特定機柜為設計目的。機房空調機組直接安裝在機柜上或其內部。與房間級或行級制冷架構相比，機柜級制冷架構氣流路徑更短，使得氣流完全不受任何設施變動或機房約束條件的影響，可降低風機功耗，提高效率。機房的全部額定制冷量均可得到利用，并可實現(xiàn)最高的負載密度。

與行級制冷架構類似，除具有高密度能力之外，機柜級制冷架構也可以針對目標機柜的實際需求確定制冷量和冗余度。例如，對刀片式服務器和網(wǎng)絡交換機可采用不同的功率密度。此外，對具體機柜也可針對性地采用N+1冗余。相比之下，行級制冷架構只能在機柜行這一層級規(guī)定這些特性，而房間級制冷架構則僅允許在機房級別內指定這些特性。

1.3.4 各架構的節(jié)能應用對比

數(shù)據(jù)中心機房在制冷架構的需求上由于各種類型的原因如主機房區(qū)域面積，以及區(qū)域中機柜的功率密度的不同而對架構的需求都不盡相同，各種優(yōu)化架構的電氣效率也不盡相同。由于用電成本的不斷提高，設備增加帶來的功率增大，電力成本在總運行成本中占據(jù)了越來越大的比例。

機柜級制冷架構的電力成本一貫較低，因為機房空調緊靠負載并匹配良好，并針對負載進行選型配置，所以不必要的氣流能得以避免。

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

行級制冷架構的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。行級制冷架構在低密度下表現(xiàn)不佳的原因是需要將機房空調機組分配至每一行，即使在負載非常低時也是如此。但是，隨著負載密度的增大，行級制冷架構則具有最高的效率和最低的電力成本。這是因為機房空調機組緊靠熱源并與負載匹配良好，空調可用制冷量在高密度下得以保持，而且冗余設計使空調機組可以支持多個機柜。

2 結 語

立足數(shù)據(jù)中心機房中的環(huán)境設備冷氣流組織系統(tǒng)，深入分析了其中的基本原理和相關的架構。在保障數(shù)據(jù)中心機房安全可靠的前提下，以降低電力損耗和減少投入成本為目的，對系統(tǒng)進行分析優(yōu)化，提高了環(huán)境設備冷氣流組織系統(tǒng)的使用效率，保障了數(shù)據(jù)中心機房高效、節(jié)能、穩(wěn)定地運行。