数据中心辅助系统分析

黄 平

（山西信息规划设计院有限公司，山西 太原 030012）

现阶段，数据中心的建设成为新基建的重要组成部分，如何建设一个高效，节能、绿色、环保的数据中心是行业研究的关键课题，为使数据中心关键设备安全稳定运行，需要大量的基础设施系统的建设。

1 数据中心的组成

数据中心的组成包括大型场地及安全可靠的机房基础设施，安全高速的内外部网络环境，完善的监控支持手段和维护队伍，保证满足相应标准的主机存放环境。

数据中心从整体上由5个部分组成，分别是机房基础设施子系统、网络子系统、资源子系统、业务子系统和管理子系统。其中，基础设施子系统包括机房土建部分、供电系统、空调系统、布线、机柜等机房工艺等辅助系统，此部分是完成搭建数据中心基础框架的过程。本论文从机房土建完成后的辅助系统，尤其是机房工艺建设方面分析机房基础设施建设方式。

2 供电系统

数据中心供电部分由外市电、发电机系统、变配电系统及机房电源组成，国内对机房设备供电电源主流的技术分两种，一种为采用UPS设备为设备提供交流供电，另一种为采用高压直流设备为设备提供高压直流供电。

供电系统的设备配置成为数据中心机房等级确定的关键因素。如：对应国标A/B/C等级相应的外市电、变配电、机房电源的配置从“2N、N+1、N”依次降低配置。发电机系统相应的从“N+X（X=1～N）、N+1、可不配”依次降低配置。在规划数据中心时可根据用户需求按照不同标准配置不同要求的供电设备。

3 制冷系统

数据中心空调制冷系统主流的有风冷冷风式、风冷冷水式，水冷冷水式，还有蒸发冷却制冷等多种种类，分别对应着不同的应用场景和技术成熟阶段，根据数据中心的建设规模，数据中心所处区域的用电用水条件和费用、自然气候条件、空气洁净程度进行相应的取舍，从综合投资运行效率、PUE值、耗水量、室外机、冷却塔占地面积等方面选择适合项目需求的空调制冷方式尤为重要。对应国标A/B/C空调系统在不同建设等级中的配置特点为：

A类标准空调设备按N+X（X=1～N）冗余配置，管网阀门系统为两路由或者环网，蓄冷装置不间断电源供电。

B类标准空调设备按N+1冗余配置，管网阀门系统减少为一路。

C类标准空调设备按N配置。

4 数据中心的机房工艺

数据中心的机房工艺包括机房内的服务器机柜、密闭通道、走线架槽、孔洞、防静电地板、布线等部分的部署。根据当前市场IDC机柜功率需求统计，数据中心机柜功率密度大致可分成以下三个级别：

⊙标准功率密度：单机柜3-4 kW。

⊙中功率密度：单机柜6 kW。

⊙高功率密度：单机柜8 kW以上。

具体建设项目中可根据客户需求确定功率级别。

数据机房的空调系统送风方式分为房间级空调送风与机柜近端送风两种方式，按机房空调送风方式及气流组织方式不同数据机房有以下几个主要的工艺布局方式：

（1）标准功率密度机房普遍适用房间级空调的送风方式，包括风帽上送风、风管送风、地板下送风等。最常用的是地板下送风方式。

（2）中功率密度机房普遍采用房间级空调+密闭冷/热通道方式或微模块方式为设备制冷。

（3）高功率密度场景可采用液冷、冷板制冷等方式制冷。

数据机房布局工艺对节能管理的影响也是尤为重要的，通过设置合理的机房机柜布局形式，优化机柜布置间距和空调位置，构建清晰的送风和回风路径，确保气流组织的顺畅合理，减少空调系统送风阻力，避免热气流集聚，进而通过提升空调回风温度，达到改善其制冷性能，节省空调系统能耗的目的。

通过设计合理的气流隔离装置，减少冷热气流混合，保证冷气流的高效利用和合理分配，进而达到提升空调制冷利用效率，节省其能耗的目的。无论数据机房采用哪种送风方式及气流组织方式，都应结合功率密度考虑并满足数据中心建设的相关规范要求，以下详细介绍了具体的机房制冷布局方式。

4.1 房间级空调送风方式分析

房间级空调送风方式应用较为广泛的是地板下送风方式，因为风帽上送风方式制冷效率低，存在明显的热冷空气相遇短路现象，比较适合于小型数据中心机房、热密度较低场合。风管上送风的送风距离可以做得很长，但随着服务器数量与密度的提高，存在制冷效率低、噪声高、垂直空间占用大、影响美观等问题。下面是房间级空调在数据机房的几个应用场景分析。

房间级空调+机房下送风方式气流组织如图1所示：

图1 下送风方式

如图1所示，绿色箭头为空调送风方向，红色箭头为机房热风的回风方向，此方式机房机柜为下进风机柜，下进风机柜为半封闭式、下方底板上的可调送风挡板构建机柜前部密闭的“冷池”，通过合理控制挡板开合度，确保机柜内设备热耗量与供给冷量的精确匹配，从而实现冷气流的高效利用，机房铺设防静电地板并密封，地板下成为一个静压箱，空调吹出冷风通过地板下送至各机柜底板前部的可调送风口，冷风从机柜前部流向后部对设备进行制冷，最终将热风从机柜后部的网眼门排出，形成一个完整的气流循环，防止了气流短路，是标准功率密度机房制冷效率较高，性价比较高，安装简单、安装整洁、较为节能、美观的一种实现方式。

需要提出的是，如果在施工过程中地板下方同时用于光电缆走线的话，容易出现地板下走线拥堵，送风不畅的问题，这样会使得空调气流受阻，耗能增加。同时地板下走线不利于维护，无法直观判断线缆故障和虫咬、火灾等故障，解决方式是光电缆走线采用走线架上走线方式，地板下仅用来送风，兼顾高效制冷和走线便于扩容维护的优点。

4.2 房间级空调+密闭冷通道布局方式

图2 冷通道方式

数据机房的机柜部署方式宜采用“背靠背、面对面”方式摆放，这样在两排机柜的正面组成的通道中间形成一个冷空气区——“冷通道”，采用铝型材框+附膜钢化玻璃的形式将冷通道密封起来，通过通风地板将冷空气排放至封闭的冷通道中形成冷池，冷空气通过机柜前门的通风门流过服务器等设备，对设备降温后形成热风，通过机柜后门（通风门）排放到机柜背面中的“热通道”中，热风上升通过回风口回到空调系统，使整个机房气流组织通畅，提高了机房制冷效果。

通道为单元模块式设计，相对的两台机柜占用1个单元，列头与列尾间分别设置一对活动门遏制冷空气流有效地进入设备。

封闭热通道是封闭机柜背面热通道，其他和冷通道同理，两种封闭方案均是将冷热通道进行隔离，使冷热通道分开，隔绝了冷热气流混合，充分利用冷气流，提高了冷气流有效利用率，减少了压缩机的工作时间，有利于节省制冷系统能耗。

4.3 微模块布局方式

图3 微模块方式

微模块布局方式其实就是机柜近距离送风（列间空调）+密闭冷/热通道方式，此方式适合于中高功率密度场景，将空调（如图3中AC）直接部署于机列内，实现近距离精确制冷，列间空调前部吹出的冷风送至面对面机柜间的密闭冷通道内形成冷池，通过机柜前门的网眼门冷空气流经设备降温后形成的热空气，排放到“热通道”中，通过空调背部布置的回风口回到空调系统。此方式通过列间空调直接近距离排出冷气实现精确制冷，可以充分利用冷源，提高制冷效率，防止出现局部热点。这时机房的防静电地板下仅用来走列间空调管道，和设备机柜同列敷设需注意空调的防水处理，避免影响设备正常运行。

4.4 高功率密度场景采用液冷、冷板制冷等方式

液体制冷技术应用于高功率场景，具备较高的制冷效率，并可以节省机房面积，是近年来快速发展的新兴制冷技术，具有很好的前景，需要和服务器配合应用，现阶段在国外个别数据中心已开始有应用。数据中心液体制冷技术按照制冷方式可以分为两大类：

（1）浸泡式制冷：把服务器直接浸泡进制冷液体中，通过液体流动达到热量快速传递的效果。

（2）冷板接触式制冷：制冷液体密封在板型导热片内，不直接同服务器接触，导热片与服务器发热芯片直接接触，通过热量传导的原理把芯片的热量快速传递走。

上面两种制冷方式各有特点和优势。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优势外，还不需要冷板及管路安装的复杂过程，服务器安装的过程相对要容易得多；同时浸泡式制冷方式不增加服务器的体积，浸泡技术重新组装服务器配件，不需要服务器内部的风扇及风扇电源等配件，使得服务器的制造成本能够降低，所有留给风扇散热的空间都可以取消，这样就可以极大地节省空间；浸泡式制冷对服务器内部硬件具有防尘、防空气中腐蚀气体侵蚀等优势。

对比浸泡式制冷方式，冷板式接触式液体制冷有下述优势：由于只是换热板内充满制冷液体，服务器内部空间不需要注满液体，因此机柜整体的重量会轻很多；不像浸泡式制冷那样必须采用固态硬盘，冷板式液体制冷可以使用普通的硬盘，在服务器成本上会低一些。

5 结束语

现阶段，数据中心的建设方兴未艾，数据中心内部关键设备的安全稳定运行，需要大量的辅助系统，包括不间断电力供给、制冷供给、机房工艺及安全监控系统等，缺一不可，根据各个数据中心具体需求和特点选择适合自己的辅助系统尤为重要。也成为决定了数据中心的高效节能的关键点。