數據中心輔助系統分析

黃 平

（山西信息規劃設計院有限公司，山西 太原 030012）

現階段，數據中心的建設成為新基建的重要組成部分，如何建設一個高效，節能、綠色、環保的數據中心是行業研究的關鍵課題，為使數據中心關鍵設備安全穩定運行，需要大量的基礎設施系統的建設。

1 數據中心的組成

數據中心的組成包括大型場地及安全可靠的機房基礎設施，安全高速的內外部網絡環境，完善的監控支持手段和維護隊伍，保證滿足相應標準的主機存放環境。

數據中心從整體上由5個部分組成，分別是機房基礎設施子系統、網絡子系統、資源子系統、業務子系統和管理子系統。其中，基礎設施子系統包括機房土建部分、供電系統、空調系統、布線、機柜等機房工藝等輔助系統，此部分是完成搭建數據中心基礎框架的過程。本論文從機房土建完成后的輔助系統，尤其是機房工藝建設方面分析機房基礎設施建設方式。

2 供電系統

數據中心供電部分由外市電、發電機系統、變配電系統及機房電源組成，國內對機房設備供電電源主流的技術分兩種，一種為采用UPS設備為設備提供交流供電，另一種為采用高壓直流設備為設備提供高壓直流供電。

供電系統的設備配置成為數據中心機房等級確定的關鍵因素。如：對應國標A/B/C等級相應的外市電、變配電、機房電源的配置從“2N、N+1、N”依次降低配置。發電機系統相應的從“N+X（X=1～N）、N+1、可不配”依次降低配置。在規劃數據中心時可根據用戶需求按照不同標準配置不同要求的供電設備。

3 制冷系統

數據中心空調制冷系統主流的有風冷冷風式、風冷冷水式，水冷冷水式，還有蒸發冷卻制冷等多種種類，分別對應著不同的應用場景和技術成熟階段，根據數據中心的建設規模，數據中心所處區域的用電用水條件和費用、自然氣候條件、空氣潔凈程度進行相應的取舍，從綜合投資運行效率、PUE值、耗水量、室外機、冷卻塔占地面積等方面選擇適合項目需求的空調制冷方式尤為重要。對應國標A/B/C空調系統在不同建設等級中的配置特點為：

A類標準空調設備按N+X（X=1～N）冗余配置，管網閥門系統為兩路由或者環網，蓄冷裝置不間斷電源供電。

B類標準空調設備按N+1冗余配置，管網閥門系統減少為一路。

C類標準空調設備按N配置。

4 數據中心的機房工藝

數據中心的機房工藝包括機房內的服務器機柜、密閉通道、走線架槽、孔洞、防靜電地板、布線等部分的部署。根據當前市場IDC機柜功率需求統計，數據中心機柜功率密度大致可分成以下三個級別：

⊙標準功率密度：單機柜3-4 kW。

⊙中功率密度：單機柜6 kW。

⊙高功率密度：單機柜8 kW以上。

具體建設項目中可根據客戶需求確定功率級別。

數據機房的空調系統送風方式分為房間級空調送風與機柜近端送風兩種方式，按機房空調送風方式及氣流組織方式不同數據機房有以下幾個主要的工藝布局方式：

（1）標準功率密度機房普遍適用房間級空調的送風方式，包括風帽上送風、風管送風、地板下送風等。最常用的是地板下送風方式。

（2）中功率密度機房普遍采用房間級空調+密閉冷/熱通道方式或微模塊方式為設備制冷。

（3）高功率密度場景可采用液冷、冷板制冷等方式制冷。

數據機房布局工藝對節能管理的影響也是尤為重要的，通過設置合理的機房機柜布局形式，優化機柜布置間距和空調位置，構建清晰的送風和回風路徑，確保氣流組織的順暢合理，減少空調系統送風阻力，避免熱氣流集聚，進而通過提升空調回風溫度，達到改善其制冷性能，節省空調系統能耗的目的。

通過設計合理的氣流隔離裝置，減少冷熱氣流混合，保證冷氣流的高效利用和合理分配，進而達到提升空調制冷利用效率，節省其能耗的目的。無論數據機房采用哪種送風方式及氣流組織方式，都應結合功率密度考慮并滿足數據中心建設的相關規范要求，以下詳細介紹了具體的機房制冷布局方式。

4.1 房間級空調送風方式分析

房間級空調送風方式應用較為廣泛的是地板下送風方式，因為風帽上送風方式制冷效率低，存在明顯的熱冷空氣相遇短路現象，比較適合于小型數據中心機房、熱密度較低場合。風管上送風的送風距離可以做得很長，但隨著服務器數量與密度的提高，存在制冷效率低、噪聲高、垂直空間占用大、影響美觀等問題。下面是房間級空調在數據機房的幾個應用場景分析。

房間級空調+機房下送風方式氣流組織如圖1所示：

圖1 下送風方式

如圖1所示，綠色箭頭為空調送風方向，紅色箭頭為機房熱風的回風方向，此方式機房機柜為下進風機柜，下進風機柜為半封閉式、下方底板上的可調送風擋板構建機柜前部密閉的“冷池”，通過合理控制擋板開合度，確保機柜內設備熱耗量與供給冷量的精確匹配，從而實現冷氣流的高效利用，機房鋪設防靜電地板并密封，地板下成為一個靜壓箱，空調吹出冷風通過地板下送至各機柜底板前部的可調送風口，冷風從機柜前部流向后部對設備進行制冷，最終將熱風從機柜后部的網眼門排出，形成一個完整的氣流循環，防止了氣流短路，是標準功率密度機房制冷效率較高，性價比較高，安裝簡單、安裝整潔、較為節能、美觀的一種實現方式。

需要提出的是，如果在施工過程中地板下方同時用于光電纜走線的話，容易出現地板下走線擁堵，送風不暢的問題，這樣會使得空調氣流受阻，耗能增加。同時地板下走線不利于維護，無法直觀判斷線纜故障和蟲咬、火災等故障，解決方式是光電纜走線采用走線架上走線方式，地板下僅用來送風，兼顧高效制冷和走線便于擴容維護的優點。

4.2 房間級空調+密閉冷通道布局方式

圖2 冷通道方式

數據機房的機柜部署方式宜采用“背靠背、面對面”方式擺放，這樣在兩排機柜的正面組成的通道中間形成一個冷空氣區——“冷通道”，采用鋁型材框+附膜鋼化玻璃的形式將冷通道密封起來，通過通風地板將冷空氣排放至封閉的冷通道中形成冷池，冷空氣通過機柜前門的通風門流過服務器等設備，對設備降溫后形成熱風，通過機柜后門（通風門）排放到機柜背面中的“熱通道”中，熱風上升通過回風口回到空調系統，使整個機房氣流組織通暢，提高了機房制冷效果。

通道為單元模塊式設計，相對的兩臺機柜占用1個單元，列頭與列尾間分別設置一對活動門遏制冷空氣流有效地進入設備。

封閉熱通道是封閉機柜背面熱通道，其他和冷通道同理，兩種封閉方案均是將冷熱通道進行隔離，使冷熱通道分開，隔絕了冷熱氣流混合，充分利用冷氣流，提高了冷氣流有效利用率，減少了壓縮機的工作時間，有利于節省制冷系統能耗。

4.3 微模塊布局方式

圖3 微模塊方式

微模塊布局方式其實就是機柜近距離送風（列間空調）+密閉冷/熱通道方式，此方式適合于中高功率密度場景，將空調（如圖3中AC）直接部署于機列內，實現近距離精確制冷，列間空調前部吹出的冷風送至面對面機柜間的密閉冷通道內形成冷池，通過機柜前門的網眼門冷空氣流經設備降溫后形成的熱空氣，排放到“熱通道”中，通過空調背部布置的回風口回到空調系統。此方式通過列間空調直接近距離排出冷氣實現精確制冷，可以充分利用冷源，提高制冷效率，防止出現局部熱點。這時機房的防靜電地板下僅用來走列間空調管道，和設備機柜同列敷設需注意空調的防水處理，避免影響設備正常運行。

4.4 高功率密度場景采用液冷、冷板制冷等方式

液體制冷技術應用于高功率場景，具備較高的制冷效率，并可以節省機房面積，是近年來快速發展的新興制冷技術，具有很好的前景，需要和服務器配合應用，現階段在國外個別數據中心已開始有應用。數據中心液體制冷技術按照制冷方式可以分為兩大類：

（1）浸泡式制冷：把服務器直接浸泡進制冷液體中，通過液體流動達到熱量快速傳遞的效果。

（2）冷板接觸式制冷：制冷液體密封在板型導熱片內，不直接同服務器接觸，導熱片與服務器發熱芯片直接接觸，通過熱量傳導的原理把芯片的熱量快速傳遞走。

上面兩種制冷方式各有特點和優勢。首先，相比冷板式制冷方式，浸泡式制冷除了具有制冷效果更高的優勢外，還不需要冷板及管路安裝的復雜過程，服務器安裝的過程相對要容易得多；同時浸泡式制冷方式不增加服務器的體積，浸泡技術重新組裝服務器配件，不需要服務器內部的風扇及風扇電源等配件，使得服務器的制造成本能夠降低，所有留給風扇散熱的空間都可以取消，這樣就可以極大地節省空間；浸泡式制冷對服務器內部硬件具有防塵、防空氣中腐蝕氣體侵蝕等優勢。

對比浸泡式制冷方式，冷板式接觸式液體制冷有下述優勢：由于只是換熱板內充滿制冷液體，服務器內部空間不需要注滿液體，因此機柜整體的重量會輕很多；不像浸泡式制冷那樣必須采用固態硬盤，冷板式液體制冷可以使用普通的硬盤，在服務器成本上會低一些。

5 結束語

現階段，數據中心的建設方興未艾，數據中心內部關鍵設備的安全穩定運行，需要大量的輔助系統，包括不間斷電力供給、制冷供給、機房工藝及安全監控系統等，缺一不可，根據各個數據中心具體需求和特點選擇適合自己的輔助系統尤為重要。也成為決定了數據中心的高效節能的關鍵點。