第四章：數(shù)據(jù)中心制冷的設(shè)計介紹

4.1制冷量單位回顧

所有熱/冷相關(guān)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(guī)劃的目標

制冷規(guī)劃的目標要滿足以下幾個方面的要求：

4.3制冷設(shè)計規(guī)劃

整體熱負荷 – Watts：確定關(guān)鍵負荷，始于識別主要部署的設(shè)備。設(shè)備熱負荷可以通過確定每件設(shè)備的額定功率來獲得。出于預(yù)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(tǒng)設(shè)計早于占用空間的設(shè)備部署計劃。在這種情況下，設(shè)計師的經(jīng)驗至關(guān)重要。了解各種應(yīng)用和設(shè)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(qū)域在預(yù)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(guī)則，我們可以使用平均每千瓦160 CFM的假設(shè)，假設(shè)計算機房中的大多數(shù)設(shè)備是傳統(tǒng)設(shè)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(wù)器部署，每RLU為3000-5000瓦；1U服務(wù)器部署，每RLU可達 5000-8000瓦；刀片服務(wù)器部署每個RLU甚至超過30000瓦；90％的服務(wù)器環(huán)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(xiàn)的。美國采暖，制冷和空調(diào)工程師協(xié)會（ASHRAE）標準是將20°C至24°C的溫度范圍內(nèi)的空氣輸送到IT設(shè)備入口。

關(guān)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(wù)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(qū)域以及地板上方區(qū)域執(zhí)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(huán)境。氣流建模為工程師提供了參考，在最短的時間內(nèi)提供多種設(shè)計選擇。因而，最終設(shè)計不是基于試驗性的考慮，而是通過專業(yè)的設(shè)計過程，得到幾個選項并選擇最佳解決方案。這可以節(jié)省資金和運行成本，節(jié)省糾正設(shè)計錯誤的時間，和調(diào)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(fā)電機/ ATS，變電站，以及真正的2N（系統(tǒng)+系統(tǒng)）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(yīng)安裝在后部和側(cè)面。如果使用水平電源板，根據(jù)設(shè)備布局，它們可以安裝在任何方便的機架U位置。

確定數(shù)據(jù)電纜的部署策略：數(shù)據(jù)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(wù)器打包得越密集，那電纜越多。關(guān)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(wù)器電纜管理臂非常實用，不應(yīng)使用那些嚴重阻礙空氣流動的電纜管理臂。

確定冷卻區(qū)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(shè)備冷卻方法及其典型的冷卻能力：

• 室內(nèi)冷卻：上流式CRAC空調(diào)，作為冷空氣輸送源，與排熱源相反，向室內(nèi)輸送冷空氣以使其與負載產(chǎn)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(diào)在獨立的RLU中交付。這類似于帶有服務(wù)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(shù)據(jù)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(nèi)部署空調(diào)的解決方案實現(xiàn)。
• 確定冷卻策略：制冷系統(tǒng)有多種選擇。

很多時候，使用什么類型的空調(diào)的選擇取決于現(xiàn)有的設(shè)施服務(wù)。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(wù)，那么顯而易見的選擇是水冷系統(tǒng)。

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(tǒng)的一部分發(fā)生故障，則剩余的工作組件可以提供設(shè)計要求的容量。為所有空調(diào)子系統(tǒng)提供冗余，包括CRAC單元，排熱設(shè)備，管道，泵等。

精密空調(diào)：精密空調(diào)是通常用在計算機房，非精密或舒適的冷空調(diào)通常用于住宅和商業(yè)辦公室建筑。有較高的顯熱比（SHR）。計算機房等級（精密）空調(diào)設(shè)備和舒適的冷空調(diào)設(shè)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(diào)可以提供高達95％的顯熱制冷，舒適的冷空調(diào)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(shù)高架地板冷卻應(yīng)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?shù)母叨纫仓苯佑绊慍RAC設(shè)備的冷卻性能。如果天花板太低，則熱量無法及時回到CRAC設(shè)備，以便被排到室外。根據(jù)經(jīng)驗，吊頂高度一般30cm到60cm。

4.4冷卻性能監(jiān)控

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)必須能夠監(jiān)控每個房間，行和機柜冷卻區(qū)。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(huán)境參數(shù)編譯趨勢數(shù)據(jù)非常重要，這樣可以快速執(zhí)行移動，添加和更改。

獨立的基于IP的GUI監(jiān)控系統(tǒng)：

• 監(jiān)控冷水機組和其它室外設(shè)備
• 監(jiān)控CRAC/CRAH和熱交換設(shè)備
• 監(jiān)控每個冷卻區(qū)的實際設(shè)備入口溫度。

設(shè)定特定條件，產(chǎn)生告警。

4.5制冷量單位回顧

本章介紹了數(shù)據(jù)中心制冷規(guī)劃所需要考慮的事項，每一項都可以用表格表現(xiàn)出來，這里只講了概念。

 

第五章：數(shù)據(jù)中心制冷的安裝部署

在第四章我們了解了制冷的設(shè)計規(guī)劃，在這一章我們再詳細了解一下制冷系統(tǒng)的選擇。

5.1制冷系統(tǒng)選擇

從項目規(guī)范到日常運營，冷卻系統(tǒng)的效率將影響項目的各個方面。為了使系統(tǒng)所有者獲得最佳價值，應(yīng)仔細分析散熱方法，以確定冷卻系統(tǒng)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(tǒng)比其空氣冷卻方式節(jié)能約35％。具有水冷散熱系統(tǒng)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(tǒng)介于空氣和水冷方法之間。雖然沒有像水冷技術(shù)那樣節(jié)省相同的能源成本，但它們確實提供了比空氣冷卻技術(shù)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(tǒng)是對空氣冷卻方法的技術(shù)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(tǒng)系統(tǒng)將滿足設(shè)計規(guī)范; 但是，這些系統(tǒng)需要最大的空間，最大的運營預(yù)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(jié)能將非常重要。對于冷卻系統(tǒng)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(tǒng)，也會被水冷技術(shù)等高效方法迅速抵消，從長遠來看可以節(jié)省資金。

除了直接的能源成本，冷卻系統(tǒng)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(guān)注節(jié)能和環(huán)境責任。

5.2制冷設(shè)備占地面積

高密度數(shù)據(jù)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(shù)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(shè)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(diào)安裝考慮

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

當在服務(wù)走廊打開門時，CRAC會從辦公區(qū)吸入空氣，這意味著灰塵顆粒和其他污染物會進入空調(diào)，不同的溫度和濕度也會導致入口波動。由于空調(diào)需要補償這些不規(guī)則性，這可能導致功耗增加。應(yīng)對空調(diào)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(diào)器出現(xiàn)泄漏或結(jié)露時，為了避免或減少水流入計算機房區(qū)域的風險，在空調(diào)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(chǎn)生冷空氣湍流。

空調(diào)與消防控制面板/ EPO相連：有些國家規(guī)定，需要將空調(diào)器連接到消防控制面板，以便在發(fā)生火災(zāi)時便于自動關(guān)閉空調(diào)。

 

空調(diào)安裝考慮：

• 使用落地支架/框架/底座。由于空調(diào)機組的重量，建議在使用高架地板基礎(chǔ)設(shè)施時使用空調(diào)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(diào)之間填充橡膠減少震動傳導。
• 盡可能使用服務(wù)走廊。理想情況下將空調(diào)放置在服務(wù)走廊中，以便在計算機房內(nèi)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(chǔ)設(shè)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?shù)倪^濾網(wǎng)。

空調(diào)開通運行：數(shù)據(jù)中心建成后，需要測試和調(diào)試空調(diào)基礎(chǔ)設(shè)施。進行熱注入測試以確保冷卻系統(tǒng)按照設(shè)計工作，可以通過在機架內(nèi)安裝加熱器風扇來完成。可安裝在機架上的加熱器風扇優(yōu)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(shè)定點相等。包括設(shè)定點的閾值。需要確?？照{(diào)中的傳感器得到校準，因為濕度傳感器設(shè)置往往會隨時間漂移。

風量處于指定水平，在空調(diào)能夠調(diào)節(jié)空氣流量的地方，需要確?？諝鈮毫μ幱谄胶鉅顟B(tài)。

各種供應(yīng)商都提供控制單元，將所有冷卻裝置連接到中央監(jiān)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(huán)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(huán)境的濕度。

5.5本章小結(jié)

本章介紹了大中小數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)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(shù)據(jù)中心制冷的基礎(chǔ)知識，然后介紹了制冷系統(tǒng)，以及和機房密切相關(guān)的制冷知識，然后是制冷的設(shè)計規(guī)劃以及安裝部署，所有想學習數(shù)據(jù)中心制冷的運維人員或者相關(guān)人員，基本上花費兩個小時就可以了解所有相關(guān)知識，這是這一篇文章的目的所在。