制冷架構類型的優化應用和發展趨勢

[摘 要] 數據中心的制冷和節能一直以來都是數據中心建設的重點，選擇合適匹配的制冷架構，不僅能更好的滿足數據中心的制冷需求，而且還能更節約更環保的降低整體數據中心的PUE值。本文通過對常見的幾種制冷架構的參考和分析，把握趨勢和實際水平相結合，采用契合的制冷架構，來提高能源的利用價值和效率，進一步滿足各數據中心的實際應用。

[關鍵詞] 制冷；節能；PUE；數據中心

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

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

1 常見數據中心制冷架構

所有傳輸至數據中心內的IT負載的電能最終都將轉化為熱能，必須被排出以避免過熱。空調系統對數據中心的作用就是高效率地收集這些復雜的熱氣流并將其所攜帶的熱量排出機房之外。對于數據中心的制冷方案和整體架構的優化方式，原則上有三種選擇，房間級制冷（room-oriented cooling）、行間級制冷（row-oriented cooling）、機柜級制冷（rack-oriented cooling）。

2 架構與趨勢介紹

在房間級制冷架構中，CRAC（Computer Room Air Conditioner，計算機機房空調）機組與機房相關聯，并行工作以應對機房的總體熱負載。由于被局限到了房間級，其制冷架構可能由一臺或多臺機房空調組成，機房空調提供是不局限于管道、風門、通風口等約束的冷空氣。

但房間級制冷架構的設計受機房物理特性很大影響，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，可能需要利用CFD（Computational Fluid Dynamics，流體動力學計算模型）對設計安裝細節進行計算。此外，諸如IT設備移動、增加及變更等也可能使性能模型失效，而需要進一步的分析和測試。而房間制冷的冗余性也難以真正計算確認。

在行級制冷架構中，機房空調機組與機柜行相關聯，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，其氣流通路較短，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，并可以實現更高密度布局。

除制冷性能之外，行級制冷架構還有許多其他優點。氣流路徑縮短可降低空調風機功率，提高效率。行級制冷設計可以根據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。此外，對具體行可針對性地采用N+1 或2N式冗余設計。

在機柜級制冷中，機房空調與機柜相關聯，以冷卻特定機柜為設計目的。空調機組直接安裝在IT機柜上或其內部。與房間級或行級制冷架構相比，機柜級制冷氣流路徑更短，且定義更為準確，使得氣流完全不受任何設施變動或機房約束條件的影響。機房的全部額定制冷量均可得到利用，并可實現最高的負載密度。與高密度機柜的是虛擬化和云計算大數據發展的趨勢，而針對高密度機組的模塊化制冷也是契合強電模塊化配電的發展趨勢。而對高密度數據的能耗也是重要的考慮原因。

這種方式的主要缺點是相比其他方式需要大量空調設備及相關管路，特別是在較低負載密度的情況下更是如此。

3 各制冷架構分析

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。

行級制冷架構的相關電力成本在低密度下表現較差，但在較高密度下會有顯著的改善。隨著負載密度的增大，行級制冷的設計則具有最高的效率和最低的電力成本。這是因為空調機組緊靠熱源與負載匹配良好，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。

主要參考文獻

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[3]陳鋼.機房高熱密度機柜空調解決方案[J]. 華南金融電腦，2010（8）.