环境系统在数据中心机房的应用优化

梁伟 申志红

[摘 要] 数据中心机房在信息化建设中作为各类系统业务、存储网络、服务应用的承载体，其作用和影响越来越重大。而数据中心机房作为高能耗的单位，其电力成本和各类维护成本随信息化发展逐年递增。科学地分析和优化其中的重要系统，进一步降低投资、运维、管理成本，提升整体效率，对于目前和新一代的数据中心机房建设具有深远的意义。

[关键词] 环境设备；数据中心机房；优化；架构

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 13. 066

[中图分类号] TP39 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2018）13- 0145- 02

0 引 言

数据中心机房作为企业的信息中心枢纽，是企业的业务系统与数据资源进行集中、集成、共享、分析的场地、工具、流程等的有机组合。从基础设施层面看，数据中心机房包括服务器、存储、网络和整体IT运行维护服务，其中服务器、存储、网络设备等是数据中心机房的关键设备。

关键设备运行所需要的环境因素，如供配电系统、UPS系统、制冷系统、机柜系统、消防系统、监控系统等是数据中心机房的关键物理基础设施，而其中以制冷系统为主的环境系统对数据中心机房更是提供了稳定有效的环境保障。

1 环境设备冷气流组织系统的优化研究

数据中心机房中各应用系统、服务器存储、网络设备等都是高精密的电子设备，对机房环境有严格的要求，其中最重要的是机房内温度、湿度和洁净度三个指标。一般都具有以下一些特点，因而对环境冷气流有相应的要求：

（1）严格的温、湿度范围要求。

（2）装机容量大，散热量大且热量集中，约占机房总的发热量的95%。

（3）长时间地持续工作，不允许停机。

（4）产生大量的热负荷，需制冷工作。

（5）建筑空间均为密闭，室内空气和噪声与外界有所隔离。

（6）严格的空气洁净度要求。

（7）要求机房内必须保持温度和湿度的均匀，并不得有温、湿度控制的盲区。

精密空调的冷气流组织对于整体数据中心机房的环境因素有着直接的影响，而各系统及设备的散热量又与机房设备中的运行状态息息相关。如何制定可靠、安全、优化程度较高的精密空调制冷方案，使制冷效率能达到最佳，成为数据中心机房冷气流优化的突出内容。

1.1 工作原理

精密空调的原理是靠消耗一定的高位能（电能、机械能），通过逆卡诺循环，进行冷、热交换，把机房内IT设备产生的热量通过空调冷凝器转移到外部环境中去。

精密空调多数采用独立的单（或双）制冷系统 、加热系统、加湿系统 、空气过滤系统及高效率的除湿系统和电加热补偿系统，通过微处理器，根据各传感器反馈回来的数据能够精确地控制机房内的温度和湿度。首先通过压缩机吸入低压低温的制冷气体，经过压缩，形成高压制冷气体，流经冷凝器强制散热，转化为高压制冷液体，流经干燥过滤器，电磁阀，通过电子膨胀阀的适当泄压，制冷液体气化吸热，变为低压低温制冷气体，形成低温环境，通过轴流风扇与空气或者冷冻水进行热量交换，形成冷流。低压低温制冷气体再次被吸入压缩机，形成制冷循环。 1.2 气流循环及冷热通道技术的优化应用

气流组织就是将空调送出的冷风通过预定的风道、风口，按预定的风量与风速送往需要制冷的地点，再把设备产生的热空气回收到空调制冷的过程。

通常机房制冷的气流组织形式有混合制冷方式、垂直送风制冷方式和水平送风制冷方式三种。而由于数据中心机房内，各类IT设备密集度较高，散热需求量较大，因此一般采用垂直送风制冷方式，即下送风上回风方式，形成冷热循环系统，这种循环技术的优化应用，可以更高效地提升机房环境的制冷效率。

而采用“冷热通道”的设备布置方式，将机柜“背靠背、面对面”摆放，在两排机柜的正面通道中间布置冷风出口，形成一个冷空气区——“冷通道”，冷空气流经设备后形成的热空气，排放到两排机柜背面的“热通道”中，通过热通道上方回到空调系统，使整个机房气流、能量流动通畅，提高了精密空调的利用率，进一步提高了制冷效果。

1.3 制冷架构类型的优化应用

对于数据中心机房的制冷方案和整体架构的优化方式，原则上有三种选择：房间级制冷（room-oriented cooling）、行级制冷（row-oriented cooling）、机柜级制冷（rack-oriented cooling）。

而基于热气流的排出方式，制定各类型的制冷架构，并对制冷架构进行合理应用，成为优化架构的重点。

1.3.1 房间级制冷架构

在房间级制冷架构中，机房空调机组与机房相关联，并行工作以应对机房的总体热负载。房间级制冷架构可能由一台或多台机房空调组成，机房空调提供完全不受管道、风门、通风口等约束的冷空气，而供风或回风可能受到高架机房地板或顶部压力使得回风系统的部分受约束。

房间级制冷架构的特点是不需要设置高架地板；机组和IT设备摆放随意；气流未进行规划、遏制，回风气流掺杂出风冷气流，容易降低制冷效率，若房间面积较大，一般需设置冷热通道遏制。

房间级制冷架构受机房物理特性的影响很大，包括天花板高度、机房形状、地板上下的障碍物、机柜布局、机房空调的位置、IT負载功率密度分布等因素。其结果是可预测性较差，特别是在功率密度增大时更是如此。因此，确保机房空调的冗余性将变得非常复杂并难以验证。

房间级制冷架构的另一个明显缺点是，在大部分情况下机房空调的制冷量并未完全被利用。机房空调送出的冷空气有相当一部分绕过IT负载直接返回机房空调，这部分短路循环的气流并没有对IT负载实施冷却，实质上是降低了机房空调的总制冷量。

随着数据中心机房进一步的发展和更新，一般不建议单纯地采用房间级制冷架构来对整体的机房进行热量的转移和气流的冷却。

1.3.2 行级制冷架构

在行级制冷架构中，机房空调机组与机柜行相关联，以针对特定机柜行为设计目的。机房空调机组可以安裝在IT机柜之间，可以架空安装，也可以在地板下安装。与房间级制冷架构相比，其气流路径较短，且更为明确。此外，气流可预测性要好很多，机房空调的全部额定制冷量均可得到利用，并可以实现更高密度的布局。

除制冷性能之外，行级制冷架构还可以根据目标机柜行的实际需求确定制冷量和冗余度。例如，行级制冷架构允许一行机柜高密度应用，如安装了刀片式服务器，而另一行机柜则应安装较低密度的IT设备，如交换机。此外，对具体行可针对性地采用N+1或2N式冗余设计。

行级制冷架构也可以应用于无高架地板的环境，这样可以提高地板的承载能力，降低安装成本，不再需要入口坡道，并使得数据中心机房可以设在没有足够净空来安装高架地板的建筑物内，这一点对高密度数据中心机房尤为重要。

1.3.3 机柜级制冷架构

在机柜级制冷架构中，机房空调机组与机柜相关联，以冷却特定机柜为设计目的。机房空调机组直接安装在机柜上或其内部。与房间级或行级制冷架构相比，机柜级制冷架构气流路径更短，使得气流完全不受任何设施变动或机房约束条件的影响，可降低风机功耗，提高效率。机房的全部额定制冷量均可得到利用，并可实现最高的负载密度。

与行级制冷架构类似，除具有高密度能力之外，机柜级制冷架构也可以针对目标机柜的实际需求确定制冷量和冗余度。例如，对刀片式服务器和网络交换机可采用不同的功率密度。此外，对具体机柜也可针对性地采用N+1冗余。相比之下，行级制冷架构只能在机柜行这一层级规定这些特性，而房间级制冷架构则仅允许在机房级别内指定这些特性。

1.3.4 各架构的节能应用对比

数据中心机房在制冷架构的需求上由于各种类型的原因如主机房区域面积，以及区域中机柜的功率密度的不同而对架构的需求都不尽相同，各种优化架构的电气效率也不尽相同。由于用电成本的不断提高，设备增加带来的功率增大，电力成本在总运行成本中占据了越来越大的比例。

机柜级制冷架构的电力成本一贯较低，因为机房空调紧靠负载并匹配良好，并针对负载进行选型配置，所以不必要的气流能得以避免。

房间级制冷架构的电力成本在低功率密度时很低，但随着机柜平均功率密度超过3kW之后，将发生显著的退化。这实际上是由于需要将更多空气移动较长的距离，而且机房空调需要消耗更多电力方可搅拌或混合机房内的空气以避免热点出现。

行级制冷架构的电力成本在低密度下表现较差，但在较高密度下会有显著的改善。行级制冷架构在低密度下表现不佳的原因是需要将机房空调机组分配至每一行，即使在负载非常低时也是如此。但是，随着负载密度的增大，行级制冷架构则具有最高的效率和最低的电力成本。这是因为机房空调机组紧靠热源并与负载匹配良好，空调可用制冷量在高密度下得以保持，而且冗余设计使空调机组可以支持多个机柜。

2 结 语

立足数据中心机房中的环境设备冷气流组织系统，深入分析了其中的基本原理和相关的架构。在保障数据中心机房安全可靠的前提下，以降低电力损耗和减少投入成本为目的，对系统进行分析优化，提高了环境设备冷气流组织系统的使用效率，保障了数据中心机房高效、节能、稳定地运行。