較高的能源成本和激增的數(shù)據(jù)中心能耗已迫使數(shù)據(jù)中心專家開始重新思考其數(shù)據(jù)中心制冷的策略。如EYPMissionCritical公司的BruceMyatt所言，“冷熱氣流的隔離是當(dāng)今新建和改建數(shù)據(jù)中心可以采用的最具前景的節(jié)能增效措施之一”。除了能效方面的優(yōu)勢外，氣流遏制系統(tǒng)可以使眾多IT設(shè)備進風(fēng)口溫度保持一致，從而消除在未采用氣流遏制系統(tǒng)的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心架構(gòu)中經(jīng)常出現(xiàn)的局部熱點。

　　一、氣流遏制系統(tǒng)介紹

我們首先了解一下常用的冷熱通道氣流遏制系統(tǒng)。值得注意的是部署通道氣流遏制系統(tǒng)首先要求機柜行采用冷/熱通道布局。圖1所示的是冷通道氣流遏制系統(tǒng)，高架地板下送風(fēng)方式和房間級制冷的數(shù)據(jù)中心氣流管理的基本原理。在該數(shù)據(jù)中心中，可以通過封閉冷通道的頂部和兩端來部署冷通道氣流遏制系統(tǒng)。這樣做對于已有的數(shù)據(jù)中心改造是非常方便的。

圖2所示為熱通道氣流遏制系統(tǒng)，該氣流遏制系統(tǒng)將熱通道密閉，以捕獲IT設(shè)備排出的廢熱，數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)的其余空間就形成一個巨大的充滿冷空氣的“冷池”。通過封閉熱通道，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的冷、熱氣流得以分離。需要注意的是封閉熱通道有兩種基本方法——行級制冷的熱通道氣流遏制系統(tǒng)和垂直風(fēng)管式熱通道氣流遏制系統(tǒng)。

圖3所示為采用行級制冷的熱通道氣流遏制系統(tǒng)舉例，是以獨立的IT區(qū)域來運行的。本氣流遏制解決方案既適用于已部署行級制冷裝置的數(shù)據(jù)中心，也可用于已部署周邊制冷裝置的數(shù)據(jù)中心。對于已部署行級制冷裝置的數(shù)據(jù)中心，只需在通道上添加頂棚面板，就能實現(xiàn)氣流遏制。對于已部署周邊制冷裝置的數(shù)據(jù)中心，該氣流遏制解決方案需要在機柜間添加制冷裝置。該氣流遏制方法應(yīng)用于在低密度數(shù)據(jù)中心添加高密度機柜，并且所有機柜都采用某種形式的熱通道部署時。

另一方面，熱通道氣流遏制系統(tǒng)可以通過風(fēng)管連接房間級機房空氣處理裝置或者將整個熱通道圍成通向大型房間級空調(diào)單元的煙囪狀風(fēng)道，如圖4所示。選用垂直風(fēng)管熱通道氣流遏制的一個主要的優(yōu)點就是可以使用現(xiàn)有的節(jié)能冷卻模式。這種熱通道封閉設(shè)計方案適用于大型專用數(shù)據(jù)中心設(shè)施，因為存在風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式效率上的優(yōu)勢。但這類系統(tǒng)需要構(gòu)建大型的氣流空間和/或定制的建筑結(jié)構(gòu)來有效地處理大量的空氣。因此，這種熱通道氣流遏制系統(tǒng)的變體設(shè)計非常適用于新建或者大型的數(shù)據(jù)中心。值得注意的是，上面提到的熱通道遏制系統(tǒng)方案也同樣適用于冷通道氣流遏制系統(tǒng)。但是本文將會在下文論證熱通道氣流遏制系統(tǒng)的節(jié)能效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于冷通道氣流遏制系統(tǒng)。

以上方法需要封閉整個通道。然而，當(dāng)存在分散的高密度機柜時，使用垂直風(fēng)管封閉單個機柜更合理。這種方法就是將一根垂直風(fēng)管安裝到機柜后頂部，來封閉熱風(fēng)并將其輸送至吊頂，如圖5所示。

　　二、氣流遏制系統(tǒng)的益處

1.能夠節(jié)能和增加制冷容量：制冷系統(tǒng)可以設(shè)置為更高的送風(fēng)溫度而仍然可滿足負(fù)載的安全運行。未采用氣流遏制系統(tǒng)的房間級制冷系統(tǒng)所設(shè)置的送風(fēng)溫度則要比IT設(shè)備所要求的溫度低得多（約為13°C），以防止局部熱點的產(chǎn)生。產(chǎn)生局部熱點的原因是在冷風(fēng)離開制冷設(shè)備到達(dá)IT機柜前的過程中，熱量被帶入冷風(fēng)引起溫升。采用氣流遏制系統(tǒng)能夠提高冷風(fēng)的送風(fēng)溫度，以及達(dá)到提高制冷裝置回風(fēng)溫度的目的。較高的回風(fēng)溫度有助于提升冷卻盤管的熱交換效率，從而提高制冷容量和整體的能效。這種影響對于幾乎所有的空調(diào)設(shè)備都是存在的。某些設(shè)備會存在最高回風(fēng)溫度的限制，但是總體來說，所有的制冷系統(tǒng)在較高的回風(fēng)溫度時都會具有更高的制冷能力。

2.消除局部熱點：氣流遏制系統(tǒng)能阻止冷風(fēng)在離開制冷設(shè)備到達(dá)IT機柜前的過程中與廢熱的混合。這意味著在制冷裝置一側(cè)的送風(fēng)溫度等于IT設(shè)備進風(fēng)口溫度，即統(tǒng)一的IT設(shè)備進風(fēng)口溫度。當(dāng)沒有冷、熱氣流混合，可以在不產(chǎn)生局部熱點的前提下提高送風(fēng)溫度，從而延長節(jié)能冷卻模式的運行時間。

3.延長節(jié)能冷卻模式運行時間：當(dāng)室外溫度低于室內(nèi)溫度時，就可以不通過制冷系統(tǒng)的壓縮機工作來向室外排熱。通過提高制冷系統(tǒng)的工作溫度區(qū)間設(shè)定點可以大幅的延長制冷系統(tǒng)中停用壓縮機的時間，達(dá)到節(jié)能的目的。

4.降低加濕/除濕成本：通過消除冷、熱氣流的混合，設(shè)定較高的制冷系統(tǒng)送風(fēng)溫度，可以使制冷系統(tǒng)在高于露點溫度的工況下運行。當(dāng)送風(fēng)溫度高于露點溫度，空氣中的含濕量就不會降低。如果含濕量不降低，那么就不需要加濕，這樣就節(jié)約了電能和水。

5.更好的物理基礎(chǔ)設(shè)施整體使用率，適度規(guī)劃帶來的設(shè)備高效率運行：與適度選型的設(shè)備相比，越過度選型的設(shè)備，具有的固定損耗越大。然而，由于高架地板下送風(fēng)路徑中的阻力和靜壓要求需要消耗額外的風(fēng)機功率，所以無法避免對傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的過度規(guī)劃。

三、冷熱氣流遏制系統(tǒng)對溫度的影響

那么，冷熱通道氣流遏制系統(tǒng)對作業(yè)環(huán)境的影響又如何呢？采用冷通道氣流遏制系統(tǒng)時，熱通道內(nèi)的溫度過高也會導(dǎo)致作業(yè)環(huán)境溫度同樣過高，對長期在數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)作業(yè)的IT人員會產(chǎn)生不良的影響。而采用熱通道氣流遏制系統(tǒng)，高溫只存在于封閉的熱通道之內(nèi)，而不會影響到在機房內(nèi)長時間作業(yè)的人員。

值得注意的是在IT人員需要進入熱通道進行作業(yè)時，還可以在作業(yè)之前打開門使冷風(fēng)中和掉熱通道的高溫（在機柜后部）。即使保持熱通道關(guān)閉，仍然符合作業(yè)環(huán)境的法規(guī)，兩點原因如下：1）人員并不是在高溫環(huán)境（熱通道）內(nèi)進行長期作業(yè)，采用冷通道氣流遏制系統(tǒng)則不然，而且2）絕大部分的作業(yè)都發(fā)生在IT機柜的前部。熱通道氣流遏制系統(tǒng)允許較高的熱通道溫度而不影響到機房內(nèi)的其它空間是熱通道氣流遏制系統(tǒng)和冷通道氣流遏制系統(tǒng)之間最關(guān)鍵的區(qū)別，因為這樣可以使機房空氣處理裝置更高效的運行。

與人員的舒適性同等重要的還有IT設(shè)備的穩(wěn)定運行。2011年發(fā)布的ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)TC9.9建議服務(wù)器進風(fēng)溫度區(qū)間為18-27°C.采用冷通道氣流遏制系統(tǒng)，房間的其它空間（作業(yè)環(huán)境）會相對較熱，遠(yuǎn)超過27°C，當(dāng)采用高密度IT設(shè)備時，將會超過38°C.因此，任何進入數(shù)據(jù)中心的人在步入這種高溫環(huán)境時都會產(chǎn)生不適，在這種環(huán)境下連基本的巡視都很不現(xiàn)實。采用冷通道氣流遏制系統(tǒng)，需要調(diào)整人員的預(yù)期是他們明白這種較高的溫度是“正常的”，而不是系統(tǒng)即將宕機的表現(xiàn)。這種觀念上的變化也會因為技術(shù)人員不情愿進入數(shù)據(jù)中心在高溫環(huán)境下作業(yè)而受到質(zhì)疑。

不僅如此，在使數(shù)據(jù)中心運行在較高的溫度時，必須為非成行排列的IT設(shè)備（例如磁帶庫和大型主機）采取特殊的措施。采用冷通道氣流遏制系統(tǒng)時，房間作為一個充滿熱空氣的“熱池”，這些設(shè)備將需要通過定制的風(fēng)管從密閉的冷通道獲得冷風(fēng)。在熱環(huán)境中部署打孔地板雖然可以有助于冷卻這種設(shè)備，但是破壞了使用氣流遏制系統(tǒng)來減少冷、熱氣流混合的初衷。此外，機房內(nèi)的電源插排、照明、消防和其它系統(tǒng)將需要重新對溫升后的可行性進行評估。

四、冷熱氣流遏制系統(tǒng)對能效的影響

在不考慮氣流遏制系統(tǒng)冷、熱氣流泄漏的情況下，我們通過理論性分析對某城市來比較冷通道氣流遏制系統(tǒng)和熱通道氣流遏制系統(tǒng)各自在最佳狀態(tài)下的性能。而通常高架地板泄露比例約為25%-50%，氣流遏制系統(tǒng)的泄露約為3%-10%.節(jié)能冷卻模式的運行時間（以小時計）和PUE是通過對節(jié)能冷卻模式時長進行建模和對數(shù)據(jù)中心PUE進行建模估算得到的。對冷通道氣流遏制系統(tǒng)和熱通道氣流遏制系統(tǒng)都比較了以下三種溫度情況：

1.IT進風(fēng)溫度維持恒定的27°C–ASHARE推薦的進風(fēng)溫度最大值

2.未封閉的開放作業(yè)區(qū)域溫度維持恒定的27°C–ASHARE推薦的進風(fēng)溫度最大值

3.未封閉的開放作業(yè)區(qū)域保持恒定的24°C–標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)設(shè)計溫度

情況#1結(jié)果：

在這種情況下，冷通道氣流遏制系統(tǒng)在最佳狀態(tài)運行時可以獲得6，218小時的節(jié)能冷卻模式運行時間，PUE約為1.65.在忽略人員健康與舒適性以及獨立IT設(shè)備安全性的情況下，冷通道氣流遏制系統(tǒng)和熱通道氣流遏制系統(tǒng)的效率是相當(dāng)?shù)?。但是在這種狀態(tài)下的作業(yè)環(huán)境干球溫度達(dá)到不現(xiàn)實的41°C，相對濕度21%.這相當(dāng)于濕球黑球溫度（WBGT）為28°C，幾乎達(dá)到OSHA所允許的濕球黑球溫度WBGT的最大上限30°C.這對IT人員的作業(yè)環(huán)境和獨立IT設(shè)備來說是不現(xiàn)實的。實際上，這種高溫會加劇冷空氣的泄露。

情況#2結(jié)果：

在這種情況下，作業(yè)環(huán)境溫度保持在27°C，會導(dǎo)致冷通道氣流遏制系統(tǒng)的年度節(jié)能冷卻時間降低為2，075小時，PUE與情況#1相比變差，升高了13%.相應(yīng)的IT進風(fēng)溫度變?yōu)?3°C.采用熱通道氣流遏制系統(tǒng)的結(jié)果在情況#2下與情況#1的相同，因為兩者的進風(fēng)溫度相同。情況#2中的冷通道氣流遏制系統(tǒng)和熱通道氣流遏制系統(tǒng)都可以保證一個可以接受的IT設(shè)備進風(fēng)溫度在ASHRAE推薦的范圍之內(nèi)，但是作業(yè)環(huán)境溫度與人員舒適性的要求還有一定差距。熱通道氣流遏制系統(tǒng)系統(tǒng)可以提供4，143小時的年度節(jié)能冷卻運行時間，以及PUE優(yōu)于采用冷通道氣流遏制系統(tǒng)時11%.

情況#3結(jié)果：

當(dāng)作業(yè)環(huán)境溫度限制在24°C時，可滿足人員舒適性的要求。這個溫度會導(dǎo)致冷通道氣流遏制系統(tǒng)的年度節(jié)能冷卻時間降低為0，PUE與情況#2相比變差，升高了6%.相應(yīng)的IT進風(fēng)溫度變?yōu)?0°C.這時，熱通道氣流遏制系統(tǒng)的節(jié)能冷卻模式的運行時長降低至5，319小時，PUE為1.69.情況#3中的冷通道氣流遏制系統(tǒng)和熱通道氣流遏制系統(tǒng)都可以保證一個可以接受的作業(yè)環(huán)境溫度和IT設(shè)備進風(fēng)溫度在ASHRAE推薦的范圍之內(nèi)。與采用冷通道氣流遏制系統(tǒng)相比，熱通道氣流遏制系統(tǒng)系統(tǒng)可以提供5，319小時的年度節(jié)能冷卻運行時間，以及PUE優(yōu)于采用冷通道氣流遏制系統(tǒng)時15%.

從此分析中可以清楚地看到，在實際作業(yè)環(huán)境溫度限制和氣候條件下，熱通道氣流遏制系統(tǒng)提供比冷通道氣流遏制系統(tǒng)更長的節(jié)能冷卻時間和更低的PUE.不管采用何種制冷架構(gòu)和排熱方式（無論房間級還是行級，冷凍水還是直膨式），最終結(jié)果都是如此。

　　五、結(jié)論

防止冷、熱氣流混合是所有高效數(shù)據(jù)中心制冷策略的關(guān)鍵所在。與傳統(tǒng)制冷方式相比，熱通道氣流遏制系統(tǒng)和冷通道氣流遏制系統(tǒng)都有助于提升功率密度和能效。熱通道氣流遏制系統(tǒng)是一種比冷通道氣流遏制系統(tǒng)更高效的方式，因為其允許更高的作業(yè)環(huán)境溫度，提高冷凍水供回水溫度區(qū)間設(shè)定，從而延長節(jié)能冷卻模式的運行時長，最終帶來巨大的電力成本節(jié)約。將制冷溫度設(shè)定點提高的同時，也保證舒適的作業(yè)環(huán)境溫度（即未進行封閉的區(qū)域的溫度）。

編輯：Harris

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