保持最佳工作溫度對許多數(shù)據(jù)中心來說是一個挑戰(zhàn)，當(dāng)數(shù)據(jù)中心沒有得到正確冷卻時，IT設(shè)備可能會過熱，過熱可能會降低服務(wù)器性能或損壞硬件，因此，管理空氣流量對性能，成本和能源效率有重大影響。企業(yè)都非常重視數(shù)據(jù)中心冷卻失效后的溫升問題，保障數(shù)據(jù)中心的在線運(yùn)營是一項(xiàng)很大的成本支出，并且絕不允許無計劃的停電，更不允許出現(xiàn)單點(diǎn)故障，下面看看數(shù)據(jù)中心機(jī)房幾種冷卻方式，以及冷卻失效對機(jī)房溫升有多大影響!

為維持恒定的室內(nèi)溫度需要全年為之降溫，由此帶來了巨額的耗電量和電費(fèi)，在節(jié)能減排和降低運(yùn)營成本的雙重壓力，迫使人們不斷地研發(fā)新的節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品，通過提高運(yùn)行溫度，利用環(huán)境空氣和針對性的空氣進(jìn)行冷卻，而不再是將整個數(shù)據(jù)中心降到不必要的低溫，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)省能源的目的。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房幾種冷卻方式

1、免費(fèi)冷卻

更高的運(yùn)行溫度通常也會讓免費(fèi)冷卻系統(tǒng)一起受益。在ASHRAE 90.1-2010指導(dǎo)文件中，免費(fèi)冷卻幾乎是一項(xiàng)節(jié)約能源的強(qiáng)制要求，必將被普遍運(yùn)用。節(jié)能改造的資本投入會部分地抵消運(yùn)營成本節(jié)約的好處。但在改造或升級的同時實(shí)現(xiàn)免費(fèi)冷卻也是技術(shù)和投資上的挑戰(zhàn)。預(yù)計未來兩年內(nèi)將出現(xiàn)新的標(biāo)準(zhǔn)，使免費(fèi)冷卻更具可行性。靠近水源的免費(fèi)冷卻將可能會更具優(yōu)勢，但我們將會看到更多類似日本Kyoto Wheel的空氣冷卻案例。最終，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商將能夠在超出以前預(yù)計的更多氣候條件下采用免費(fèi)冷卻措施，這部分是因?yàn)楦哌\(yùn)行溫度的貢獻(xiàn)。

2、密封冷卻

密封措施也無法解決由于錯誤的冷卻規(guī)劃、空氣流動不充分或冷卻能力引起的過熱問題。最新的國家防火協(xié)會商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(NFPA-75)可能會使密封冷卻的方案更難實(shí)現(xiàn)。對噴淋和(或)氣體滅火系統(tǒng)的改造將大大增加成本。除了要盡力避免錯誤的實(shí)施外，日常優(yōu)化也很重要：在未使用的機(jī)架空間一定要安裝盲板，架空地板上的孔洞要及時封堵，地板下面影響通風(fēng)的線纜也要做好清理。

3、后門冷卻器

被人們接受的程度也非常高，部分也是因?yàn)樗浞绞街匦率艿疥P(guān)注。如果將巨大的機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)取消，改用貼近設(shè)備的新型冷卻方式的話，相信數(shù)據(jù)中心行業(yè)會運(yùn)行得比現(xiàn)在更好。教育背景和希望與眾不同的個人意愿或許會促生新案例，但成本和電源可用性的矛盾將決定最終結(jié)果。

4、蒸發(fā)或絕熱冷卻

雖然使用蒸發(fā)方式制冷的科學(xué)原理簡單，并正在逐漸流行，但它對于大多數(shù)數(shù)據(jù)中心操作人員而言仍然顯得新奇。絕熱冷卻通過降低封閉環(huán)境中的某種物質(zhì)運(yùn)行的壓力來實(shí)現(xiàn)冷卻，讓這些物質(zhì)沸騰如同巖漿涌上火山表面，同時用風(fēng)帶走山峰上的高溫。絕熱冷卻在溫暖、干燥的氣候中仍然有效，這大大拓寬了一年中能夠“免費(fèi)冷卻”的有效期。其主要的缺點(diǎn)是用水量有些多，但在同等冷卻量的情況下，它所需的冷卻水仍然比標(biāo)準(zhǔn)冷卻塔要少很多。

5、緊耦合或熱源冷卻

緊耦合冷卻方式通過貼近熱源來實(shí)現(xiàn)更有效的運(yùn)作。這不算什么新東西——問問老的大型機(jī)操作員或任何筆記本電腦設(shè)計人員就知道了。雖然緊耦合冷卻在數(shù)據(jù)中心里面還是“主流”，但是更新的方法在滿足能源效率的需求方面往往做得更好，并獲取更多關(guān)注。它的工作方式很簡單：消耗能源來將大量的空氣吹入地板下的空間或者導(dǎo)風(fēng)管，然后又將這些空氣拉回至空調(diào)。

更有前途的技術(shù)包括浸入式冷卻：將服務(wù)器整個浸泡在礦物油里，以便使用最少的能耗獲得極高的冷卻效率。但是技術(shù)人員需要對內(nèi)外布滿了石油的服務(wù)器進(jìn)行處理時，心里會怎么想?顯然這種冷卻方式并不是適合所有場景。

6、更高的運(yùn)行溫度

美國供暖、制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(ASHRAE)在2008年就第一次發(fā)表了關(guān)于較高溫度數(shù)據(jù)中心的建議，但并未引起注意。服務(wù)器不需要冷藏。即使入口空氣溫度達(dá)到華氏75到80°F(攝氏25至27°C)，這些設(shè)備仍然能維持良好運(yùn)作。服務(wù)器制造商實(shí)際上已經(jīng)擴(kuò)展了產(chǎn)品的運(yùn)行溫度范圍，而且舊設(shè)備其實(shí)也和新設(shè)備一樣能夠在擴(kuò)展的溫度區(qū)間內(nèi)運(yùn)行。提高運(yùn)行溫度可以大幅度節(jié)省能源消耗，但人們首先需要認(rèn)可這種處理方式，然后同意讓熱通道變得更熱——想像一下100°F (38°C)的溫度怎樣?這會刺激后門冷卻器的應(yīng)用和普及。

7、煙囪式機(jī)柜和天花板風(fēng)道

使用天花板上方的空間形成的風(fēng)道將空氣傳輸給機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)，確?；仫L(fēng)以最高的溫度返回空調(diào)冷卻盤管，可以顯著增加精密空調(diào)系統(tǒng)的冷卻能力。結(jié)合了吊頂風(fēng)道和熱通道措施的最終設(shè)備形式就是煙囪式機(jī)柜，可以獲得最大的冷卻效率。來自服務(wù)器群的高溫廢氣從機(jī)柜后部的煙囪排出，然后直接通過吊頂天花板上方的風(fēng)道回到空調(diào)設(shè)備中。整個過程中熱空氣和冷空氣保持分離，所以可以保持很高的能效比。

雖然效果明顯，但是煙囪式機(jī)柜并沒有獲得大力推廣或被廣泛接受。這可能是因?yàn)槿芊馐降脑O(shè)計靈活性更好，可以使用更多的機(jī)柜實(shí)現(xiàn)相同的效果。然而，煙囪式機(jī)柜可以讓整個房間維持冷通道溫度，讓工作環(huán)境變得更加舒適。

直接、間接自然冷卻

數(shù)據(jù)中心利用自然冷源進(jìn)行制冷的解決方案主要有間接自然冷卻和直接自然冷卻兩種方式。機(jī)房空調(diào)一年四季都需要制冷，過渡季節(jié)室外溫度低于室內(nèi)溫度時，自然界存在著豐富的冷源，如何利用大自然的冷源進(jìn)行冷卻是機(jī)房空調(diào)節(jié)能減排的重點(diǎn)問題。

1、直接自然冷卻

(1)全新風(fēng)自然冷卻

直接引入室外新風(fēng)、配合冷熱通道隔離實(shí)現(xiàn)機(jī)房制冷，針對不同地區(qū)的氣候條件，新風(fēng)進(jìn)入機(jī)房前需要經(jīng)過過濾、加濕、除濕、送回風(fēng)混合等預(yù)處理。

(2)雞舍式熱壓自然循環(huán)風(fēng)冷卻

不需要機(jī)械幫助，直接靠服務(wù)器散發(fā)的熱能產(chǎn)生動力自然散熱。把服務(wù)器散發(fā)的熱量收集起來，利用空氣膨脹后產(chǎn)生向上的動力，通過足夠高的煙囪讓熱空氣往上升帶動空氣流動，完成散熱循環(huán)。

(3)轉(zhuǎn)輪式熱交換自然冷卻

利用轉(zhuǎn)輪內(nèi)填料的儲能功能，讓轉(zhuǎn)輪在兩個封閉的風(fēng)道內(nèi)緩慢旋轉(zhuǎn)，被室外空氣冷卻的填料冷卻室內(nèi)空氣。

2、間接自然冷卻

(1)帶自然冷卻節(jié)能模塊的風(fēng)冷式冷水機(jī)組

春秋過渡季節(jié)和晚上，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到比冷凍水回水溫度低兩度或以上時，開啟自然冷卻模塊制冷，無壓縮機(jī)功耗，自然冷卻不夠的部分，再由壓縮制冷接力達(dá)到需求冷量。隨著室外環(huán)境溫度降低，自然冷卻部分占的比例越來越大，直至達(dá)到100%，完全自然冷卻制冷，無壓縮機(jī)功耗。

(2)水側(cè)板換節(jié)能裝置

由大型冷卻塔、水冷型冷水機(jī)組、板式換熱器組成，夏季采用冷水機(jī)組和冷卻塔制冷，冬季采用板換將有雜質(zhì)的冷卻水轉(zhuǎn)變?yōu)楦蓛舻睦鋬鏊腿肟照{(diào)室內(nèi)機(jī)，冷水機(jī)組停機(jī)。

(3)雙盤管乙二醇自然冷卻

在直膨蒸發(fā)器盤管上，再并一組冷凍水經(jīng)濟(jì)盤管，通過兩套兩通閥來調(diào)節(jié)水是經(jīng)過板式熱交換器的冷凝器還是經(jīng)過冷凍水盤管。室外干冷器夏季提供冷卻水給板換用于直膨制冷，冬季提供冷凍水給經(jīng)濟(jì)盤管用于冷凍水制冷。

(4)氟泵自然冷卻

在夏季，制冷壓縮機(jī)運(yùn)行;當(dāng)室外溫度低于設(shè)定點(diǎn)時，自動切換為氟泵節(jié)能系統(tǒng)運(yùn)行，停止壓縮機(jī)運(yùn)行，保證全年機(jī)房空調(diào)安全可靠運(yùn)行。氟泵不高于壓縮機(jī)運(yùn)行功耗的10%，相對于水系統(tǒng)空調(diào)，無需添加防凍劑，無水患憂慮。

(5)輔助蒸發(fā)自然冷卻

空調(diào)室外機(jī)霧化水噴淋系統(tǒng)將軟化水進(jìn)行增壓后通過高速直流馬達(dá)進(jìn)行霧化處理，將每一滴水霧化成原水滴的體積1/500左右直接噴灑在冷凝器翅片上實(shí)現(xiàn)輔助蒸發(fā)，使得冷凝器的整體散熱量增大、功耗降低。這種通過室外機(jī)霧化噴淋延長自然冷卻運(yùn)行時間的方式，在干燥氣候下最為有效，如中國西部和東北部。

綜上，對常見的幾種自然冷卻制冷方式進(jìn)行綜合比較：

數(shù)據(jù)中心冷卻失效對機(jī)房溫升有多大影響?

通過各自的實(shí)驗(yàn)研究得出了一些關(guān)于冷卻失效引起的數(shù)據(jù)中心的溫升曲線和基本結(jié)論，對數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的不同架構(gòu)進(jìn)行了研究，對于開放式的冷卻系統(tǒng)架構(gòu)給出了不同功率密度下冷卻失效后服務(wù)器機(jī)柜平均進(jìn)風(fēng)溫度的變化曲線，如下圖所示，可以看出：在不同的功率密度下，服務(wù)器機(jī)柜平均進(jìn)風(fēng)溫度的溫升速度不同;功率密度越大，服務(wù)器機(jī)柜平均進(jìn)風(fēng)溫度升高得越快。因此，對于高熱密度的數(shù)據(jù)中心，有必要設(shè)計蓄冷罐來保障冷卻連續(xù)性。

對不同功率密度下數(shù)據(jù)中心冷卻失效后的溫升情況進(jìn)行了研究，結(jié)果見下圖冷卻失效時間在180 s內(nèi)，因此曲線比較平緩，并且不同曲線的基準(zhǔn)溫度不同。

通過研究數(shù)據(jù)中心冷卻失效引起的機(jī)房溫升問題，UI提出了冷卻連續(xù)性的概念，并將數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的可用性提到與供電可用性同樣的高度，將數(shù)據(jù)中心的不間斷供冷分為A，B，C 3個級別，并分別與高熱密度、中熱密度和低熱密度3種功率密度的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場景相對應(yīng)。

不同功率密度下數(shù)據(jù)中心冷卻失效引起的溫升與時間的關(guān)系，結(jié)果見表1(基準(zhǔn)溫度為20 ℃)。隨著單機(jī)柜功率密度的增大，冷卻失效引起的溫升速率逐漸增大。對于功率密度為5 kW/機(jī)柜的數(shù)據(jù)中心，冷卻失效引起10 ℃溫升需要50 s。

溫升速率(y)和功率密度(x)大致合理的最佳擬合關(guān)系式為y=0.002 4x2+0.027 5x+0.000 3，如下圖所示：

將擬合關(guān)系式改寫成y=0.1x×0.024x+0.027 5x+0.000 3，并對擬合關(guān)系式的多項(xiàng)式系數(shù)進(jìn)行主因子分析，可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)功率密度(x)等于10 kW/機(jī)柜時，二次項(xiàng)因子為0.1×10×0.024×10=0.24，小于一次項(xiàng)因子0.027 5×10=0.275。當(dāng)功率密度(x)小于10 kW/機(jī)柜時，一次項(xiàng)系數(shù)為主因子，并決定整個多項(xiàng)式的值，因此可簡化為一次多項(xiàng)式，即在功率密度小于10 kW/機(jī)柜時，溫升速率(y)與功率密度(x)更接近線性關(guān)系：y=0.050 1x-0.032 5(如圖5所示)。比較圖4和圖5擬合曲線的殘差R2也容易看出，當(dāng)功率密度(x)小于10 kW/機(jī)柜時，在現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)條件下用線性關(guān)系式表達(dá)擬合關(guān)系更準(zhǔn)確。

當(dāng)功率密度(x)大于10 kW/機(jī)柜時，由于二次項(xiàng)系數(shù)為主因子，并決定整個多項(xiàng)式的值，因此溫升速率(y)與功率密度(x)更接近二次多項(xiàng)式關(guān)系：y=0.002 4x2+0.027 5x+0.000 3。根據(jù)多項(xiàng)式擬合關(guān)系式進(jìn)行擬合數(shù)據(jù)外推，可以導(dǎo)出10～30 kW/機(jī)柜功率密度范圍內(nèi)的溫升速率。

研究結(jié)論各不相同，這是合理的也是正常的。首先，各自的測試環(huán)境和工況不同;其次，影響溫升的因素很多，比如功率密度、冷卻系統(tǒng)架構(gòu)、機(jī)柜數(shù)量、機(jī)柜布局、機(jī)房層高、架高地板高度、甚至機(jī)柜材質(zhì)都會影響數(shù)據(jù)中心冷卻失效后的溫升。因此，不同數(shù)據(jù)中心冷卻失效后的溫升情況不一樣，不能一概而論。

當(dāng)前，國內(nèi)研究數(shù)據(jù)中心冷卻失效引起的溫升的有效手段之一是建模仿真分析。筆者建立了數(shù)據(jù)中心的傳熱模型，應(yīng)用數(shù)據(jù)中心專用仿真軟件對數(shù)據(jù)中心冷卻失效的溫升進(jìn)行計算分析。

傳熱模型描述

簡化的數(shù)據(jù)中心傳熱模型下圖所示，以數(shù)據(jù)機(jī)房作為一個封閉的傳熱系統(tǒng)，作如下假設(shè)：

(1)數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)失效，但服務(wù)器因有UPS供電而繼續(xù)運(yùn)行并持續(xù)發(fā)熱。

(2)數(shù)據(jù)機(jī)房是一個封閉系統(tǒng)，只存在傳熱，不存在傳質(zhì)。

(3)服務(wù)器運(yùn)行產(chǎn)生的熱量通過以下幾個途徑散失：①熱量被機(jī)房內(nèi)的空氣吸收;②通過機(jī)柜向空氣傳熱;③通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)向室外環(huán)境散熱;④通過架高地板向地板下環(huán)境散熱;⑤通過樓板向鄰近樓層傳熱。

(4)數(shù)據(jù)中心的冷熱空氣充分混合。

(5)機(jī)柜前門和后門通孔率為100%，即認(rèn)為機(jī)柜沒有前后門。

(6)傳熱過程為一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程。

仿真建模分析

采用軟件建立一個數(shù)據(jù)中心的簡單物理模型，進(jìn)行CFD建模分析，3D物理模型如圖所示，模型的相關(guān)參數(shù)見下圖：

通過對一個功率密度為4 kW/機(jī)柜的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行冷卻失效建模計算，應(yīng)用軟件可以快捷地給出不同時刻數(shù)據(jù)中心的溫度分布云圖，如圖所示：

對所建模型中的一個服務(wù)器機(jī)柜的平均進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)行分析，當(dāng)冷卻失效后該服務(wù)器機(jī)柜的平均進(jìn)風(fēng)溫度曲線如圖所示，可以看出，在服務(wù)器機(jī)柜的平均進(jìn)風(fēng)溫度達(dá)到80 ℃以前，其溫度近似隨時間線性升高，這說明：在一定的功率密度下(本模型為4 kW/機(jī)柜)，服務(wù)器機(jī)柜的溫升速率為恒定值。這個結(jié)論與前文推導(dǎo)出的溫升同，物理參數(shù)的不同會影響冷卻失效后的溫升速度，但總體趨勢是呈線性變化。

來源：機(jī)房空調(diào) http://preweds.com/

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