隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)連接一切成為未來趨勢，數(shù)據(jù)中心作為信息傳遞的物理載體，在各行各業(yè)發(fā)揮著越來越重要的核心作用。數(shù)據(jù)中心布置著大量的服務(wù)器、交換機(jī)等IT設(shè)備，為保障IT設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，需要一套環(huán)境控制系統(tǒng)，提供一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境，以保證數(shù)據(jù)中心的溫度、濕度、潔凈度等保持在較小范圍內(nèi)波動。

1、數(shù)據(jù)中心為什么需要制冷

數(shù)據(jù)中心大量使用服務(wù)器等IT設(shè)備，其核心器件為半導(dǎo)體器件，發(fā)熱量很大，以主要的計(jì)算芯片CPU為例，其發(fā)展速度遵循著名的摩爾定律，即半導(dǎo)體芯片上的晶體管數(shù)（密度）大約每兩年就翻一番。除CPU外，計(jì)算機(jī)的其他處理芯片，如總線、內(nèi)存、I/O等，均是高發(fā)熱器件。當(dāng)前，1U高（約44.4mm）的雙核服務(wù)器的發(fā)熱量可達(dá)1000W左右，放滿刀片式服務(wù)器的機(jī)柜滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)熱量可達(dá)20KW以上。以服務(wù)器為例，其功率密度在過去的10年中增長了10倍，這個(gè)數(shù)據(jù)基本意味著單位面積的發(fā)熱量也增加了10倍。IT設(shè)備持續(xù)運(yùn)行發(fā)熱，需要制冷設(shè)備保證環(huán)境的穩(wěn)定。隨著數(shù)據(jù)中心的發(fā)展及單位面積功率的提升，數(shù)據(jù)中心制冷方式也不斷演進(jìn)與發(fā)展。

2、環(huán)境對數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的影響

（1）溫度過高：有資料表明，環(huán)境溫度每提高10℃，元器件壽命降低約30%~50%，對于某些電路來說，可靠性幾乎完全取決于熱環(huán)境。

（2）溫度過低：低溫同樣導(dǎo)致IT設(shè)備運(yùn)行、絕緣材料、電池等問題。機(jī)房溫度過低，部分IT設(shè)備將無法正常運(yùn)行。

（3）濕度過高：數(shù)據(jù)中心濕度過高容易造成“導(dǎo)電小路”或者飛弧，會嚴(yán)重降低電路可靠性。

（4）濕度過低：在空氣環(huán)境濕度過低時(shí)，非常容易產(chǎn)生靜電，IT類設(shè)備由眾多芯片、元器件組成，這些元器件對靜電都很敏感，根據(jù)Intel公司公布的資料顯示，在引起計(jì)算機(jī)故障的諸多因素中，靜電放電是最大的隱患，將近一半的計(jì)算機(jī)故障都是由靜電放電引起的。靜電放電對計(jì)算機(jī)的破壞作用具有隱蔽性、潛在性、隨機(jī)性、 復(fù)雜性等特點(diǎn)。

（5）灰塵潔凈度：除溫濕度外，數(shù)據(jù)中心小顆粒污染物具有腐蝕電路板、降低絕緣性能、影響散熱等危害，灰塵對IT類設(shè)備是更厲害的殺手。

3、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心制冷方式的選擇

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心采用房間級制冷，所謂房間級制冷，就是空調(diào)機(jī)組與整個(gè)機(jī)房相關(guān)聯(lián)，并行工作來處理機(jī)房的總體熱負(fù)荷，通常見到的布置如下圖1及圖2所示：

圖1自然送風(fēng)方式

圖2地板下送風(fēng)方式

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房，設(shè)備量較少，功率較低，布置較分散，沒有做任何氣流組織管理和設(shè)計(jì)，空調(diào)直接布置在機(jī)房內(nèi)部，通常機(jī)房氣流較為紊亂（如圖3），容易存在局部熱點(diǎn)和局部冷點(diǎn)，但是鑒于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心功率密度較低，一般情況下，通過增大空調(diào)的配置，機(jī)房也能長期穩(wěn)定運(yùn)行，但是造成了極大的能源浪費(fèi)。

圖3 傳統(tǒng)機(jī)房氣流云圖

此階段，通常數(shù)據(jù)中心送回風(fēng)方式為空調(diào)下部送風(fēng)及地板下送風(fēng)，上回風(fēng)的方式。這種送回風(fēng)方式很多情況下無法充分利用空調(diào)的全部制冷容量，當(dāng)空調(diào)機(jī)組送風(fēng)時(shí)，很大一部分冷空氣繞過 IT 負(fù)載，直接返回空調(diào)時(shí)，就會發(fā)生這一現(xiàn)象，同時(shí)自然送風(fēng)方式?jīng)]有做任何的氣流組織的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，冷熱氣流極易容易混合，這些繞過空調(diào)的氣流和混合的氣流對負(fù)載的冷卻沒有幫助，實(shí)際上降低了總制冷容量，導(dǎo)致空調(diào)利用率和制冷效率都比較低。隨著數(shù)據(jù)中心功率密度的提升，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心送回風(fēng)方式（如圖1）變得不能滿足發(fā)熱設(shè)備散熱需求。

在傳統(tǒng)的“房間級”制冷方案中，為減少冷熱混合及提高空調(diào)制冷利用率，經(jīng)常用到的解決方案為在數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)鋪設(shè)靜電地板，靜電地板高度為20-100cm，有些甚至高達(dá)2m，將機(jī)房專用空調(diào)的冷風(fēng)送到靜電地板下方，形成一個(gè)很大的靜壓箱體（如圖2），靜壓箱可減少送風(fēng)系統(tǒng)動壓、增加靜壓、穩(wěn)定氣流、減少氣流振動等，再通過通風(fēng)地板（如圖4）將冷空氣送到服務(wù)器機(jī)架上，回風(fēng)可通過機(jī)房內(nèi)地板上空間或?qū)Ｓ没仫L(fēng)道回風(fēng)。

圖4 地板下送風(fēng)圖示

為了避免地板下送風(fēng)阻塞問題反生，有兩個(gè)方法：一是保障合理的地板高度，很多機(jī)房已經(jīng)將地板高度由原來的300mm調(diào)整到400mm乃至600-1000mm，附之以合理的風(fēng)量、風(fēng)壓配置，以及合理的地板下走線方式，可以保證良好的空調(diào)系統(tǒng)效率；二是采用地板下送風(fēng)與走線架上走線方式。

這種氣流組織管理使送風(fēng)效果及機(jī)房整體建設(shè)相較于自然送風(fēng)模式有了進(jìn)一步改善和提高。但是仍然會存在混風(fēng)問題，也會限制單機(jī)柜的功率密度布置。

4、數(shù)據(jù)中心封閉冷通道制冷方式的選擇

隨著數(shù)據(jù)中心功率密度的增加，房間級制冷采用冷（熱）通道氣流遏制對氣流組織進(jìn)行管理，以防止冷氣流不經(jīng)過服務(wù)器而直接返回到空調(diào)等問題的發(fā)生。熱通道與冷通道都能減少數(shù)據(jù)中心的氣流混合，但建議采用冷通道氣流遏制，因?yàn)閷?shí)施起來比較簡便。

冷通道封閉技術(shù)：冷通道封閉技術(shù)是在機(jī)柜間構(gòu)建專門限于機(jī)柜設(shè)備制冷用的通道，并將冷通道與機(jī)房環(huán)境熱氣完全隔離，從而將冷空氣限制在機(jī)柜中，避免了冷熱空氣混合、改善了冷空氣利用率、提高了機(jī)房空調(diào)制冷效率和制冷效果，從而實(shí)現(xiàn)PUE的降低和能源的節(jié)約。如下圖所示：

圖5 封閉熱通道

圖6封閉冷通道

圖7封閉冷通道氣流云圖

封閉冷通道特點(diǎn)：

（1）封閉冷通道技術(shù)將冷空氣局限在機(jī)柜小環(huán)境中，冷空氣必須通過機(jī)柜才能釋放到機(jī)房、實(shí)現(xiàn)空氣循環(huán)，有利于機(jī)柜中所有設(shè)備散熱，可徹底解決機(jī)柜中局部過熱問題。

（2）封閉冷通道技術(shù)將冷熱氣體完全隔離，提高了回風(fēng)溫度，解決了機(jī)房環(huán)境溫度過低、機(jī)柜設(shè)備溫度過高等困境，避免了空調(diào)無效工作，提高了制冷效率和制冷效果。

（3）封閉冷通道技術(shù)可有效降低機(jī)房能源消耗率P U E 數(shù)值，提高數(shù)據(jù)中心效率，可增加機(jī)柜設(shè)備存放密度，提高數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備功率密度。

圖8 易事特封閉冷通道解決方案

圖9 河源電子政務(wù)冷通道數(shù)據(jù)中心（易事特冷通道解決方案）

5、數(shù)據(jù)中心行間制冷方式的選擇

行級制冷：采用行級制冷配置時(shí)，空調(diào)機(jī)組與機(jī)柜行相關(guān)聯(lián)，在設(shè)計(jì)上，它們被認(rèn)為是專用于某機(jī)柜行。

與傳統(tǒng)無氣流遏制房間級制冷相比，其氣流路徑較短，且專用度更加明確。此外，氣流的可預(yù)測性較高，能夠充分利用空調(diào)的全部額定制冷容量，并可以實(shí)現(xiàn)更高功率密度。

圖10行間級制冷氣流云圖

行級制冷特點(diǎn)：

（1）行級制冷對靜電地板無要求，甚至不需要靜電地板。

（2）空調(diào)接近熱源，送風(fēng)路徑最短，冷風(fēng)壓最大，冷風(fēng)利用率及制冷效率最高。

（3）支持高密度制冷，單機(jī)架可布置服務(wù)器功率數(shù)最高。

在云計(jì)算和大數(shù)據(jù)應(yīng)用促進(jìn)下，數(shù)據(jù)中心建設(shè)迎來了一個(gè)新的建設(shè)高潮，建造功率密度更大，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心部署緩慢，密度低，擴(kuò)展很難，且牽一發(fā)而動全身。到后期，隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展、應(yīng)用的增加，使得數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)需要更多的管理軟件，系統(tǒng)也愈發(fā)冗余，配電、制冷都已經(jīng)不能滿足需求，這時(shí)不得不對整體系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，進(jìn)行擴(kuò)展。

這種情況下，運(yùn)用行級制冷的數(shù)據(jù)中心整體解決方案（微模塊）應(yīng)運(yùn)而生，即把整個(gè)數(shù)據(jù)中心分為若干個(gè)獨(dú)立區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的規(guī)模、功率負(fù)載、配置等均按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。真正意義的微模塊數(shù)據(jù)中心，制冷、供電及管理系統(tǒng)都應(yīng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域化、微模塊，互不干擾，可以獨(dú)立運(yùn)行，無共享部分。

圖11  易事特微模塊數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施解決方案

圖12廣州百度數(shù)據(jù)中心（易事特微模塊解決方案）

6、結(jié)論

在以往的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，多采取“房間級”制冷系統(tǒng)，屬于集中制冷模式，將空調(diào)房間考慮成一個(gè)均勻空間，按現(xiàn)場最大需求量來考慮，但是這種模式忽視了空間各部分的需要，缺少考慮制冷效率、制冷成本的意識。隨著數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)量的增加，發(fā)熱功率直線上升，需要更大的制冷量及制冷效率才能滿足需求，這個(gè)時(shí)候各個(gè)數(shù)據(jù)中心廠家推出氣流遏制等解決方案。

目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及高密度大型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)需求，人們逐漸認(rèn)識到集中制冷的弊端和按需制冷的必要性，按需制冷就是按機(jī)房內(nèi)各部分熱源的即時(shí)需要，將冷媒送到最貼近熱源的地方，這個(gè)階段典型的制冷解決方案就是行級制冷、水冷空調(diào)及冷凍水空調(diào)的應(yīng)用，其最大的特點(diǎn)是制冷方式的定量化和精準(zhǔn)化，從“房間級”制冷轉(zhuǎn)變?yōu)椤靶屑墶敝评?，隨著數(shù)據(jù)中心的大發(fā)展，最后到“機(jī)柜級”以及“芯片級”制冷。