環(huán)境系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心機(jī)房的具體運(yùn)用研究

王雷 梁泰崧 曾光 梅洋 鄧君

[摘? ? 要]數(shù)據(jù)中心機(jī)房是數(shù)據(jù)化時(shí)代最重要的基礎(chǔ)設(shè)備，文章深入了解環(huán)境系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心機(jī)房的應(yīng)用，希望通過(guò)本文的研究能夠更加全面地了解環(huán)境系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心機(jī)房中的具體應(yīng)用，也為后期更好地應(yīng)用環(huán)境系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)中心機(jī)房的運(yùn)行條件提供參考。

[關(guān)鍵詞]環(huán)境系統(tǒng);數(shù)據(jù)中心機(jī)房;大數(shù)據(jù)

[中圖分類號(hào)]TP308;TP277 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）12–00–03

[Abstract]The data center room is the most important basic equipment in the era of data. This paper deeply understands the application of environmental system in the data center room， hoping to more comprehensively understand the specific application of environmental system in the data center room through this research， and also provide reference for the later better application of environmental system to control the operating conditions of the data center room.

[Keywords]environment system; data center computer room; big data

數(shù)據(jù)中心機(jī)房在運(yùn)行過(guò)程中需要使用精密冷卻空調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制，主要是降低機(jī)房?jī)?nèi)部的溫度，負(fù)荷是中心機(jī)房?jī)?nèi)的各種計(jì)算機(jī)設(shè)備和電力設(shè)備的發(fā)熱量，其中最主要的是服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等主設(shè)備，這些設(shè)備在運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量是機(jī)房中總熱量的80%。而且隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的不斷發(fā)展，需要使用的服務(wù)器集成密度持續(xù)增高，服務(wù)器機(jī)柜設(shè)備逐漸演變?yōu)闄C(jī)房?jī)?nèi)的熱島區(qū)域。機(jī)房服務(wù)器類負(fù)荷的最高散熱量也不斷升高，每機(jī)柜已經(jīng)超過(guò)了20 kW，傳統(tǒng)模式下使用的地板下送風(fēng)的機(jī)房精密空調(diào)系統(tǒng)最高能夠?qū)崿F(xiàn)單位面積4 kW/m2的供冷量。要想滿足20 kW以上的冷量，需要進(jìn)一步增大配置的空調(diào)機(jī)組，傳統(tǒng)的精密空調(diào)模式無(wú)法滿足當(dāng)前的散熱需求。如果不能合理地控制數(shù)據(jù)中心機(jī)房的散熱情況，就會(huì)導(dǎo)致能耗直線上升，能耗成本甚至?xí)^(guò)數(shù)據(jù)中心機(jī)房建設(shè)成本。

1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房概述

所謂數(shù)據(jù)中心是指在一個(gè)物理空間對(duì)大量的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行集中性的處理存儲(chǔ)、傳輸交換以及管理，這一過(guò)程中需要利用各種類型的設(shè)備，比如計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)通信以及存儲(chǔ)設(shè)備等，這些設(shè)備的運(yùn)行又需要諸多系統(tǒng)的配合支持，其中最重要的就是供電系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和機(jī)柜系統(tǒng)，這些是數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的關(guān)鍵物理基礎(chǔ)設(shè)施，而數(shù)據(jù)中心機(jī)房就是容納這些設(shè)備的物理空間。目前數(shù)據(jù)中心機(jī)房根據(jù)其處理數(shù)據(jù)的類型和主要實(shí)現(xiàn)的功能不同，基本可以分為計(jì)算機(jī)機(jī)房、電信機(jī)房、控制機(jī)房、屏蔽機(jī)房等幾種不同的類型。

2 環(huán)境設(shè)備冷氣流組織系統(tǒng)的優(yōu)化

數(shù)據(jù)中心機(jī)房運(yùn)行過(guò)程中使用的應(yīng)用系統(tǒng)、服務(wù)器存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等電子設(shè)備的精密度較高，這些設(shè)備的運(yùn)行使用需要滿足嚴(yán)格的環(huán)境條件，尤其是數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)的濕度、溫度和潔凈度等，其中最關(guān)鍵的就是環(huán)境冷氣流的要求，首先要確保溫度、濕度變化保持在一定的范圍內(nèi)，同時(shí)要確保設(shè)備能夠長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作，不允許在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)停機(jī)狀況。其次在機(jī)房?jī)?nèi)需要使用多種大功率的電子設(shè)備，容量大，而且會(huì)產(chǎn)生大量的熱排放，需要滿足熱量集中排放的要求，大量的熱負(fù)荷需要可靠的制冷設(shè)備。另外數(shù)據(jù)中心機(jī)房一般采用密閉設(shè)計(jì)，需要將建筑空間內(nèi)部的空氣和噪聲與外界隔離開(kāi)，而且精密電子設(shè)備的運(yùn)行容易受到空氣中灰塵的影響，因此要滿足相應(yīng)的空氣潔凈度，因此要求數(shù)據(jù)機(jī)房使用的冷氣流系統(tǒng)能夠保持機(jī)房?jī)?nèi)部的溫度和濕度均勻，而且要實(shí)現(xiàn)對(duì)于所有區(qū)域的溫、濕度控制。精密空調(diào)的冷氣流組織會(huì)直接影響到整體數(shù)據(jù)中心機(jī)房的環(huán)境因素，同時(shí)在數(shù)據(jù)中心機(jī)房中使用的系統(tǒng)及設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，散熱量的情況也直接關(guān)系到機(jī)房設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。因此，根據(jù)數(shù)據(jù)機(jī)房的實(shí)際運(yùn)行情況設(shè)計(jì)制定專業(yè)的空調(diào)制冷方案，確保機(jī)房制冷的安全可靠、高效優(yōu)化是機(jī)房冷氣流組織優(yōu)化的關(guān)鍵，其中最重要的就是精密空調(diào)的使用。

2.1 工作原理

精密空調(diào)的基本工作原理與普通空調(diào)相似，將機(jī)房?jī)?nèi)產(chǎn)生的熱量移除到外部達(dá)到降溫的效果。相比于普通空調(diào)，精密空調(diào)更加專業(yè)和智能化，一般數(shù)據(jù)中心機(jī)房使用的精密空調(diào)普遍使用獨(dú)立設(shè)計(jì)，有制冷、加熱、加濕、空氣過(guò)濾、除濕和電加熱補(bǔ)償?shù)榷鄠€(gè)獨(dú)立系統(tǒng)組織，而且在使用過(guò)程中能夠利用微處理器閉環(huán)控制系統(tǒng)精確地控制機(jī)房?jī)?nèi)的溫度和濕度。

2.2 氣流循環(huán)及冷熱通道技術(shù)的優(yōu)化應(yīng)用

所謂氣流組織就是通過(guò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)合預(yù)定的風(fēng)道、風(fēng)口，將精密空調(diào)內(nèi)部送出的冷風(fēng)按預(yù)定的風(fēng)量、風(fēng)速送達(dá)到數(shù)據(jù)中心機(jī)房中需要制冷的地點(diǎn)，同時(shí)利用系統(tǒng)將設(shè)備產(chǎn)生的熱空氣回收到空調(diào)中，循環(huán)制冷的過(guò)程。數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)主要是密集度較高的各類IT設(shè)備，在運(yùn)行中需要滿足較大的散熱需求，因此在機(jī)房?jī)?nèi)采用即下送風(fēng)上回風(fēng)垂直送風(fēng)制冷方式最合適，能夠在機(jī)房?jī)?nèi)部形成冷熱循環(huán)，能夠以更高的效率實(shí)現(xiàn)機(jī)房制冷效果。

在設(shè)備布置上采用“冷熱通道”的設(shè)備布置方式，兩排機(jī)柜背對(duì)背擺放在一起，兩排為一組，間隔排開(kāi)，間隔位置為通道，在機(jī)柜面對(duì)面的通道中間布置冷風(fēng)出口，形成“冷通道”，冷流向下，并進(jìn)入通道兩側(cè)的機(jī)柜設(shè)備內(nèi)，完成制冷，流過(guò)設(shè)備后形成的熱空氣會(huì)排放到機(jī)柜背面的“熱通道”中，位于熱通道上方的空調(diào)系統(tǒng)會(huì)將熱空氣回收到空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)，整個(gè)機(jī)房?jī)?nèi)的氣流流動(dòng)通暢，精密空調(diào)的利用率和制冷效果都顯著提升。

2.3 制冷架構(gòu)類型的優(yōu)化應(yīng)用

目前針對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房制冷方案架構(gòu)的優(yōu)化主要有房間級(jí)制冷、行級(jí)制冷和機(jī)柜級(jí)制冷3種不同類型的選擇，制冷架構(gòu)的合理應(yīng)用要基于熱氣流的排出方式，這也是制冷優(yōu)化架構(gòu)的重點(diǎn)內(nèi)容。

2.3.1 房間級(jí)制冷架構(gòu)優(yōu)化應(yīng)用

針對(duì)于房間級(jí)制冷架構(gòu)，一般是采用機(jī)房空調(diào)機(jī)組與機(jī)房相關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)，共同應(yīng)對(duì)機(jī)房的總體熱負(fù)載。這種制冷架構(gòu)一般是由一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)房空調(diào)共同組成，提供的冷空氣在使用中完全不會(huì)受到管道、風(fēng)門(mén)、通風(fēng)口等設(shè)備結(jié)構(gòu)的約束影響，但是高架機(jī)房地板或頂部壓力可能會(huì)約束供風(fēng)或回風(fēng)系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)不需要設(shè)置高架地板，可以根據(jù)機(jī)房的實(shí)際情況隨意擺放機(jī)組和IT設(shè)備，由于使用過(guò)程中不對(duì)氣流進(jìn)行規(guī)劃遏制，冷氣流就會(huì)摻雜在回風(fēng)氣流中，影響到制冷效率，除非對(duì)于面積偏大的房間會(huì)設(shè)置冷熱通道遏制。另外機(jī)房物理特性會(huì)對(duì)這種結(jié)構(gòu)的制冷效果產(chǎn)生較大的影響，比如天花板高度、地板上下的障礙物、機(jī)房形狀、機(jī)柜布局以及IT負(fù)載功率密度分布等，在運(yùn)行使用中不能準(zhǔn)確有效地預(yù)測(cè)制冷的結(jié)果，很難有效確保機(jī)房空調(diào)的冗余性。此外，這種制冷架構(gòu)不能完全利用機(jī)房空調(diào)的制冷量。機(jī)房空調(diào)送出的冷空氣會(huì)有一部分直接返回機(jī)房空調(diào)，并不能發(fā)揮冷卻負(fù)載的作用，機(jī)房空調(diào)的總制冷量相當(dāng)于被降低浪費(fèi)。因此單純的房間級(jí)制冷架構(gòu)的使用逐漸減少。

2.3.2 行級(jí)制冷架構(gòu)

在行級(jí)制冷架構(gòu)中，將機(jī)房空調(diào)機(jī)組與機(jī)柜關(guān)聯(lián)在一起，一般會(huì)在IT機(jī)柜之間安裝機(jī)房空調(diào)機(jī)組，安裝方式又分為架空安裝和地板下安裝2種，這種架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)更短更明確的氣流路徑，而且能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)氣流，充分利用機(jī)房空調(diào)的全部額定制冷量，布局密度更高。此外，這種制冷架構(gòu)的制冷量和冗余度可以根據(jù)目標(biāo)機(jī)柜行的實(shí)際需求來(lái)精準(zhǔn)確定。行級(jí)制冷架構(gòu)可以根據(jù)機(jī)房的實(shí)際情況在無(wú)高架地板的環(huán)境中使用，地板的承載能力更高、安裝成本更低，如果建筑物內(nèi)沒(méi)有足夠的凈空來(lái)安裝高架地板也可以使用這種架構(gòu)。

2.3.3 機(jī)柜級(jí)制冷架構(gòu)

在機(jī)柜級(jí)制冷架構(gòu)中，機(jī)房空調(diào)機(jī)組與機(jī)柜相關(guān)聯(lián)，針對(duì)性的冷卻特定機(jī)柜。一般情況下會(huì)直接在機(jī)柜上方或內(nèi)部安裝機(jī)房空調(diào)機(jī)組，這種制冷架構(gòu)工作時(shí)的氣流路徑更短，設(shè)施變動(dòng)或機(jī)房不會(huì)對(duì)氣流的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生約束影響，風(fēng)機(jī)功耗也會(huì)更低。在使用中可以充分利用全部額定制冷量，負(fù)載密度也能最大程度的實(shí)現(xiàn)，而且也可以針對(duì)目標(biāo)機(jī)柜的實(shí)際需求確定制冷量和冗余度。

2.3.4 各架構(gòu)的節(jié)能應(yīng)用對(duì)比

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，受到主機(jī)房區(qū)域面積、功率密度、優(yōu)化架構(gòu)的電氣效率等方面的影響，數(shù)據(jù)中心機(jī)房對(duì)于制冷架構(gòu)的需求也不盡相同。在制冷架構(gòu)的設(shè)計(jì)中，主要考慮的內(nèi)容是電力成本，在總運(yùn)行成本中占據(jù)較大的比例。對(duì)比3種類型的架構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)柜級(jí)制冷架構(gòu)使用的機(jī)房空調(diào)與負(fù)載距離更近，而且匹配性良好，在設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)負(fù)載選型配置，減少不必要的氣流，所以電力成本也相對(duì)更低。而在低功率密度時(shí)房間級(jí)制冷架構(gòu)的電力成本較低，當(dāng)機(jī)柜平均功率密度超過(guò)3 kW之后，這種制冷架構(gòu)的電力成本會(huì)明顯升高。行級(jí)制冷架構(gòu)的電力成本在較高密度下的表現(xiàn)相對(duì)更高，在低密度下的表現(xiàn)相對(duì)不佳。

3 環(huán)境系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心機(jī)房的具體運(yùn)用

通過(guò)前文分析可知，環(huán)境系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心機(jī)房的溫度控制及節(jié)能中都有重要的作用，要想有效降低數(shù)據(jù)中心機(jī)房的能耗，控制機(jī)房的溫度，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的節(jié)能需要從能源轉(zhuǎn)換的角度來(lái)入手，改進(jìn)環(huán)境系統(tǒng)中冷卻和傳熱的合理化。

3.1 提高制冷能效比

目前在數(shù)據(jù)中心機(jī)房中普遍使用水冷式精密空調(diào)來(lái)降低機(jī)房散熱所消耗的電能，這種精密空調(diào)能效比一般能夠達(dá)到4以上，最大能達(dá)到6。在數(shù)據(jù)中心機(jī)房應(yīng)用這種水冷式機(jī)房精密空調(diào)需要均衡合理的布置機(jī)房的發(fā)熱量，由于機(jī)房?jī)?nèi)一般會(huì)在IT設(shè)備機(jī)柜區(qū)產(chǎn)生熱島，其他區(qū)域的溫度相對(duì)偏低，因此在使用中可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)房冷熱不均，以及個(gè)別的單機(jī)柜局部過(guò)熱的情況。解決這類問(wèn)題可以在IT設(shè)備芯片內(nèi)的散熱裝置中增加芯片冷卻分支制冷管道，這種方法會(huì)提高機(jī)房的建設(shè)門(mén)檻，而且要求機(jī)房建設(shè)者在建設(shè)之前充分了解服務(wù)器設(shè)備的結(jié)構(gòu)，對(duì)于比較復(fù)雜的設(shè)備需要產(chǎn)品供應(yīng)商提供支持，而且在設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程中也需要專業(yè)人員進(jìn)行維護(hù)。

3.2 利用環(huán)境自然新風(fēng)冷源

除了在設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行降溫意以外，還可以在數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)采用風(fēng)冷式精密空調(diào)+大型新風(fēng)機(jī)共同降溫的配置設(shè)計(jì)。將風(fēng)冷式精密空調(diào)與自然冷風(fēng)和水模方式相結(jié)合，能夠?qū)⒛苄П冗_(dá)到12。比較典型代表就是IBM在超級(jí)計(jì)算機(jī)中心的設(shè)計(jì)，在該計(jì)算機(jī)中心，利用40 ℃的溫水來(lái)冷卻IT設(shè)備，其散熱效率超過(guò)普通風(fēng)冷系統(tǒng)的4000倍，能耗相對(duì)更低。而且這種熱水還能供應(yīng)給計(jì)算機(jī)中心園區(qū)的其他場(chǎng)所。

3.3 液冷技術(shù)

液冷技術(shù)專業(yè)上稱作自然冷卻系統(tǒng)，一般可分冷板式和浸沒(méi)式2種。其中浸沒(méi)式是新研究的產(chǎn)物，仍然處于發(fā)展初期，冷板式技術(shù)成熟，而且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，國(guó)內(nèi)華為、神威藍(lán)光廠家也相繼發(fā)布液冷服務(wù)器系列產(chǎn)品，采用液冷服務(wù)器的大型數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算中心也不斷增加。液冷服務(wù)器在工作時(shí)，類似于冰箱，將機(jī)柜包裹在內(nèi)部，精密空調(diào)的作用相當(dāng)于“冷庫(kù)”，這種制冷模式能夠?qū)崿F(xiàn)更高的能源效率、更低的噪音，而且能夠自然冷卻，綠色環(huán)保。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文的分析可知，數(shù)據(jù)中心機(jī)房的設(shè)計(jì)會(huì)直接影響到數(shù)據(jù)處理，而環(huán)境系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，尤其是冷氣流組織系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是影響數(shù)據(jù)中心設(shè)備運(yùn)行效率的關(guān)鍵，未來(lái)隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，需要處理的數(shù)據(jù)信息越來(lái)越多，數(shù)據(jù)中心機(jī)房的作用也會(huì)更加重要，人們會(huì)更加重視數(shù)據(jù)中心機(jī)房的運(yùn)行，環(huán)境系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求也會(huì)更加嚴(yán)格，同時(shí)也會(huì)遇到更多更復(fù)雜的問(wèn)題，這就需要相關(guān)人員不斷加強(qiáng)對(duì)于數(shù)據(jù)中心機(jī)房環(huán)境系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)更加合理的方案，以更低的能耗實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能效果，同時(shí)更好地保障數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行。

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