環境系統在數據中心機房的具體運用研究

王雷 梁泰崧 曾光 梅洋 鄧君

[摘? ? 要]數據中心機房是數據化時代最重要的基礎設備，文章深入了解環境系統在數據中心機房的應用，希望通過本文的研究能夠更加全面地了解環境系統在數據中心機房中的具體應用，也為后期更好地應用環境系統控制數據中心機房的運行條件提供參考。

[關鍵詞]環境系統;數據中心機房;大數據

[中圖分類號]TP308;TP277 [文獻標志碼]A [文章編號]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

數據中心機房在運行過程中需要使用精密冷卻空調來實現溫度控制，主要是降低機房內部的溫度，負荷是中心機房內的各種計算機設備和電力設備的發熱量，其中最主要的是服務器、存儲、網絡等主設備，這些設備在運行中產生的熱量是機房中總熱量的80%。而且隨著大數據時代的不斷發展，需要使用的服務器集成密度持續增高，服務器機柜設備逐漸演變為機房內的熱島區域。機房服務器類負荷的最高散熱量也不斷升高，每機柜已經超過了20 kW，傳統模式下使用的地板下送風的機房精密空調系統最高能夠實現單位面積4 kW/m2的供冷量。要想滿足20 kW以上的冷量，需要進一步增大配置的空調機組，傳統的精密空調模式無法滿足當前的散熱需求。如果不能合理地控制數據中心機房的散熱情況，就會導致能耗直線上升，能耗成本甚至會超過數據中心機房建設成本。

1 數據中心機房概述

所謂數據中心是指在一個物理空間對大量的數據信息進行集中性的處理存儲、傳輸交換以及管理，這一過程中需要利用各種類型的設備，比如計算機、服務器、網絡通信以及存儲設備等，這些設備的運行又需要諸多系統的配合支持，其中最重要的就是供電系統、消防系統、制冷系統、監控系統和機柜系統，這些是數據中心運行的關鍵物理基礎設施，而數據中心機房就是容納這些設備的物理空間。目前數據中心機房根據其處理數據的類型和主要實現的功能不同，基本可以分為計算機機房、電信機房、控制機房、屏蔽機房等幾種不同的類型。

2 環境設備冷氣流組織系統的優化

數據中心機房運行過程中使用的應用系統、服務器存儲、網絡設備等電子設備的精密度較高，這些設備的運行使用需要滿足嚴格的環境條件，尤其是數據中心機房內的濕度、溫度和潔凈度等，其中最關鍵的就是環境冷氣流的要求，首先要確保溫度、濕度變化保持在一定的范圍內，同時要確保設備能夠長時間持續工作，不允許在運行過程中出現停機狀況。其次在機房內需要使用多種大功率的電子設備，容量大，而且會產生大量的熱排放，需要滿足熱量集中排放的要求，大量的熱負荷需要可靠的制冷設備。另外數據中心機房一般采用密閉設計，需要將建筑空間內部的空氣和噪聲與外界隔離開，而且精密電子設備的運行容易受到空氣中灰塵的影響，因此要滿足相應的空氣潔凈度，因此要求數據機房使用的冷氣流系統能夠保持機房內部的溫度和濕度均勻，而且要實現對于所有區域的溫、濕度控制。精密空調的冷氣流組織會直接影響到整體數據中心機房的環境因素，同時在數據中心機房中使用的系統及設備會產生大量的熱量，散熱量的情況也直接關系到機房設備的運行狀態。因此，根據數據機房的實際運行情況設計制定專業的空調制冷方案，確保機房制冷的安全可靠、高效優化是機房冷氣流組織優化的關鍵，其中最重要的就是精密空調的使用。

2.1 工作原理

精密空調的基本工作原理與普通空調相似，將機房內產生的熱量移除到外部達到降溫的效果。相比于普通空調，精密空調更加專業和智能化，一般數據中心機房使用的精密空調普遍使用獨立設計，有制冷、加熱、加濕、空氣過濾、除濕和電加熱補償等多個獨立系統組織，而且在使用過程中能夠利用微處理器閉環控制系統精確地控制機房內的溫度和濕度。

2.2 氣流循環及冷熱通道技術的優化應用

所謂氣流組織就是通過系統的設計結合預定的風道、風口，將精密空調內部送出的冷風按預定的風量、風速送達到數據中心機房中需要制冷的地點，同時利用系統將設備產生的熱空氣回收到空調中，循環制冷的過程。數據中心機房內主要是密集度較高的各類IT設備，在運行中需要滿足較大的散熱需求，因此在機房內采用即下送風上回風垂直送風制冷方式最合適，能夠在機房內部形成冷熱循環，能夠以更高的效率實現機房制冷效果。

在設備布置上采用“冷熱通道”的設備布置方式，兩排機柜背對背擺放在一起，兩排為一組，間隔排開，間隔位置為通道，在機柜面對面的通道中間布置冷風出口，形成“冷通道”，冷流向下，并進入通道兩側的機柜設備內，完成制冷，流過設備后形成的熱空氣會排放到機柜背面的“熱通道”中，位于熱通道上方的空調系統會將熱空氣回收到空調系統內，整個機房內的氣流流動通暢，精密空調的利用率和制冷效果都顯著提升。

2.3 制冷架構類型的優化應用

目前針對數據中心機房制冷方案架構的優化主要有房間級制冷、行級制冷和機柜級制冷3種不同類型的選擇，制冷架構的合理應用要基于熱氣流的排出方式，這也是制冷優化架構的重點內容。

2.3.1 房間級制冷架構優化應用

針對于房間級制冷架構，一般是采用機房空調機組與機房相關聯的設計，共同應對機房的總體熱負載。這種制冷架構一般是由一臺或多臺機房空調共同組成，提供的冷空氣在使用中完全不會受到管道、風門、通風口等設備結構的約束影響，但是高架機房地板或頂部壓力可能會約束供風或回風系統。這種結構不需要設置高架地板，可以根據機房的實際情況隨意擺放機組和IT設備，由于使用過程中不對氣流進行規劃遏制，冷氣流就會摻雜在回風氣流中，影響到制冷效率，除非對于面積偏大的房間會設置冷熱通道遏制。另外機房物理特性會對這種結構的制冷效果產生較大的影響，比如天花板高度、地板上下的障礙物、機房形狀、機柜布局以及IT負載功率密度分布等，在運行使用中不能準確有效地預測制冷的結果，很難有效確保機房空調的冗余性。此外，這種制冷架構不能完全利用機房空調的制冷量。機房空調送出的冷空氣會有一部分直接返回機房空調，并不能發揮冷卻負載的作用，機房空調的總制冷量相當于被降低浪費。因此單純的房間級制冷架構的使用逐漸減少。

2.3.2 行級制冷架構

在行級制冷架構中，將機房空調機組與機柜關聯在一起，一般會在IT機柜之間安裝機房空調機組，安裝方式又分為架空安裝和地板下安裝2種，這種架構能夠實現更短更明確的氣流路徑，而且能夠比較準確地預測氣流，充分利用機房空調的全部額定制冷量，布局密度更高。此外，這種制冷架構的制冷量和冗余度可以根據目標機柜行的實際需求來精準確定。行級制冷架構可以根據機房的實際情況在無高架地板的環境中使用，地板的承載能力更高、安裝成本更低，如果建筑物內沒有足夠的凈空來安裝高架地板也可以使用這種架構。

2.3.3 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，針對性的冷卻特定機柜。一般情況下會直接在機柜上方或內部安裝機房空調機組，這種制冷架構工作時的氣流路徑更短，設施變動或機房不會對氣流的運動產生約束影響，風機功耗也會更低。在使用中可以充分利用全部額定制冷量，負載密度也能最大程度的實現，而且也可以針對目標機柜的實際需求確定制冷量和冗余度。

2.3.4 各架構的節能應用對比

在實際設計中，受到主機房區域面積、功率密度、優化架構的電氣效率等方面的影響，數據中心機房對于制冷架構的需求也不盡相同。在制冷架構的設計中，主要考慮的內容是電力成本，在總運行成本中占據較大的比例。對比3種類型的架構可以發現，機柜級制冷架構使用的機房空調與負載距離更近，而且匹配性良好，在設計時可以根據負載選型配置，減少不必要的氣流，所以電力成本也相對更低。而在低功率密度時房間級制冷架構的電力成本較低，當機柜平均功率密度超過3 kW之后，這種制冷架構的電力成本會明顯升高。行級制冷架構的電力成本在較高密度下的表現相對更高，在低密度下的表現相對不佳。

3 環境系統在數據中心機房的具體運用

通過前文分析可知，環境系統在數據中心機房的溫度控制及節能中都有重要的作用，要想有效降低數據中心機房的能耗，控制機房的溫度，進一步實現數據中心機房的節能需要從能源轉換的角度來入手，改進環境系統中冷卻和傳熱的合理化。

3.1 提高制冷能效比

目前在數據中心機房中普遍使用水冷式精密空調來降低機房散熱所消耗的電能，這種精密空調能效比一般能夠達到4以上，最大能達到6。在數據中心機房應用這種水冷式機房精密空調需要均衡合理的布置機房的發熱量，由于機房內一般會在IT設備機柜區產生熱島，其他區域的溫度相對偏低，因此在使用中可能會出現機房冷熱不均，以及個別的單機柜局部過熱的情況。解決這類問題可以在IT設備芯片內的散熱裝置中增加芯片冷卻分支制冷管道，這種方法會提高機房的建設門檻，而且要求機房建設者在建設之前充分了解服務器設備的結構，對于比較復雜的設備需要產品供應商提供支持，而且在設備的運行過程中也需要專業人員進行維護。

3.2 利用環境自然新風冷源

除了在設備內部進行降溫意以外，還可以在數據中心機房內采用風冷式精密空調+大型新風機共同降溫的配置設計。將風冷式精密空調與自然冷風和水模方式相結合，能夠將能效比達到12。比較典型代表就是IBM在超級計算機中心的設計，在該計算機中心，利用40 ℃的溫水來冷卻IT設備，其散熱效率超過普通風冷系統的4000倍，能耗相對更低。而且這種熱水還能供應給計算機中心園區的其他場所。

3.3 液冷技術

液冷技術專業上稱作自然冷卻系統，一般可分冷板式和浸沒式2種。其中浸沒式是新研究的產物，仍然處于發展初期，冷板式技術成熟，而且已經實現了產業化，國內華為、神威藍光廠家也相繼發布液冷服務器系列產品，采用液冷服務器的大型數據中心和超級計算中心也不斷增加。液冷服務器在工作時，類似于冰箱，將機柜包裹在內部，精密空調的作用相當于“冷庫”，這種制冷模式能夠實現更高的能源效率、更低的噪音，而且能夠自然冷卻，綠色環保。

4 結束語

通過本文的分析可知，數據中心機房的設計會直接影響到數據處理，而環境系統的設計，尤其是冷氣流組織系統的設計是影響數據中心設備運行效率的關鍵，未來隨著信息技術的不斷發展，需要處理的數據信息越來越多，數據中心機房的作用也會更加重要，人們會更加重視數據中心機房的運行，環境系統的設計要求也會更加嚴格，同時也會遇到更多更復雜的問題，這就需要相關人員不斷加強對于數據中心機房環境系統的研究，設計更加合理的方案，以更低的能耗實現更好的節能效果，同時更好地保障數據中心的運行。

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