数据中心房间级、行级和机柜级制冷方式的选择

摘要：#数据中心#

最新一代高密度和可变功率密度IT设备产生的热量是传统数据中心制冷系统始料未及、无法应对的，这往往会导致制冷系统的过度规划、造成制冷效率低下、制冷性能难以预测。为解决这些问题，我们开发了房间级、行级和机柜级制冷方式。本文介绍了这些经过优化的制冷方式，并提供相关指导，说明大多数下一代数据中心在各类运行环境下适合采取的制冷方式。

简介：

数据中心IT负载所消耗的电能几乎都会变成废热，必须将这些废热排出去以防止数据中心温度过热。实际上，所有IT设备都是风冷型设备，也就是说，每台IT设备都会吸入周围环境的冷空气，再排出热空气。由于一个数据中心可能包括数千IT设备，因此数据中心内会有数千条热气流排风路径，它们共同构成了数据中心的总废热，这些废热必须排出去。空调系统对数据中心的作用就是高效收集这些复杂的废热气流，并将它们排到室外去。

过去，数据中心制冷一直采用周边制冷装置，在高架地板下方分配冷气流，不采取任何形式的气流遏制。这称为“精确送风、自然回风”的气流分配方法。此种方法是并行运行一个或多个空调系统，将冷空气送入数据中心，并吸回机房环境中较热的空气。这种方式的基本原理是，空调不仅提供原始制冷容量，而且还作为一个大型的混合器，不断搅动混合机房中的空气，使之达到一致的平均温度，以防止热点的出现。这种方法只有在混合空气所需功耗仅占数据中心总功耗很小一部分时才有效。模拟结果和经验表明，仅当数据中心平均功率密度为每机柜1~2kW左右，即~W/m（30~70W/ft）时，该系统才能发挥应有的效果。虽然可采取各种措施来提高此传统制冷方法的功率密度，但在实际实施时仍有限制。随着现代IT设备的功率密度将峰值功率密度提升至每机柜20kW甚至更高，模拟结果和经验都指出，基于混合空气的传统制冷（无气流遏制）不再能起到有效的作用。

为解决这一问题，在设计数据中心时会采用侧重房间级、行级和机柜级制冷的设计方式。在这些方式中，空调系统将分别与房间、机柜行或单个机柜集成，以减少空气混合。这样可以提高可预测性、密度和效率，同时还带来很多其它优势。在本白皮书中，介绍并比较了各种制冷方式。我们可以看出，这三种制冷方式都有相应的应用，总体而言，趋势是，较小数据中心和高密度区域将采用行级制冷，而较大型数据中心则会更多地采用带气流遏制的房间级制冷。

房间级、行级和机柜级制冷

每个数据中心的空调系统都有两个重要功能：提供总制冷容量，以及将向IT负载分配冷气流。对于房间级、行级和机柜级制冷来说，第一个功能，即提供总制冷容量的功能都是相同的，以千瓦为单位的空调系统的总制冷容量，必须超出IT设备的总功率负载（千瓦）。无论制冷系统采用房间级、行级还是机柜级设计，提供该功能的各种技术都是相同的。这些制冷方法的主要差别在于，它们如何执行第二项关键功能，即将冷空气分配给负载。与将电流限制在线缆中并作为设计的一部分的清晰可见的配电不同，气流只是大体受限于机房设计，实际气流在实施过程中并不可见，而且不同部署地点之间会有很大差异。气流控制是不同制冷系统设计方式的主要目标。

图1以总平面图形式展示了三种基本制冷方式配置。图中，黑色方框表示按行排列的机柜，蓝色箭头表示机房空气处理（CRAH）机组与IT机柜中负载间的逻辑关联。CRAH机组的实际物理布局可能会有所不同。采用房间级制冷时，CRAH机组与机房相关联；采用行级制冷时，CRAH机组与机柜行或机柜组相关联；而采用机柜级制冷时，CRAH机组则与各机柜相关联。

图1

此平面图显示了房间级、行级和机柜级制冷的基本概念。蓝色箭头表示主要制冷送风路径与机房的关系。

下面将概要介绍每种制冷方法的基本工作原理：

房间级制冷

采用房间级制冷时，CRAH机组与机房相关联，并行工作来处理机房的总体热负荷。房间级制冷系统可能由一个或多个空调组成，提供完全不受风管、风门、出风口等遏制的冷空气，或者送风和/或回风可能受到高架地板或吊顶回风通道的部分遏制。

在设计中，对气流的

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