第四章：數據中心制冷的設計(jì)介紹
4.1制冷量單位回顧
所有熱/冷相關問題都堅持一個測量單位：
Watt/sqmtr 瓦特/平方米
RLU （Rack Location Unit）- 每機架瓦特
空(kōng)氣冷卻能(néng)力：
制冷量（Q）= 0.5764 * Δ𝑇 * 𝐶𝐹𝑀
CFM = 1.75 * Q（瓦特）/ Δ𝑇
4.2制冷規劃的目标
制冷規劃的目标要滿足以下(xià)幾個方面的要求：
4.3制冷設計(jì)規劃
整體熱負荷 – Watts：确定關鍵負荷，始于識别主要部署的設備。設備熱負荷可以通過确定每件設備的額定功率來(lái)獲得。出于預算(suàn)目的，可以将UPS功率容量以kW爲單位并增加10~20％。通常，冷卻系統設計(jì)早于占用(yòng)空(kōng)間的設備部署計(jì)劃。在這(zhè)種情況下(xià)，設計(jì)師的經驗至關重要。了(le)解各種應用(yòng)和(hé)設備部署的典型負載配置文(wén)件。以及對(duì)未來(lái)增長因素的考慮，可能(néng)更容易定義特定區(qū)域在預期标準下(xià)的熱負載。
整體熱負荷 – CMF：除了(le)冷卻能(néng)力的kW額定值之外(wài)，我們還需要評估基于CFM / CHM的空(kōng)氣流量位移能(néng)力。作(zuò)爲一項快(kuài)速規則，我們可以使用(yòng)平均每千瓦160 CFM的假設，假設計(jì)算(suàn)機房中的大(dà)多數設備是傳統設備，其delta-T約爲10-15攝氏度（取值爲11攝氏度）。冷卻能(néng)力kW基于顯熱負荷能(néng)力。
RLU功率密度：一個明(míng)确的趨勢是RLU功率密度每年都在增加。典型的服務器部署，每RLU爲3000-5000瓦；1U服務器部署，每RLU可達 5000-8000瓦；刀(dāo)片服務器部署每個RLU甚至超過30000瓦；90％的服務器環境的機架密度在3000到(dào)6000瓦之間。
CMF和(hé)RLU：有效的冷卻是通過給負載提供溫度适當和(hé)體積足夠的空(kōng)氣來(lái)實現(xiàn)的。美(měi)國采暖，制冷和(hé)空(kōng)調工(gōng)程師協會(huì)（ASHRAE）标準是将20°C至24°C的溫度範圍内的空(kōng)氣輸送到(dào)IT設備入口。
關于風(fēng)量CMF，制冷負荷每1 kW需要160立方英尺/分鐘(zhōng)（CFM）。5,000瓦的1U服務器機櫃需要800 CFM。
計(jì)算(suàn)機流體動力學（CFD）建模：可以對(duì)地闆下(xià)空(kōng)氣區(qū)域以及地闆上(shàng)方區(qū)域執行CFD建模。
許多軟件還允許将地闆下(xià)的和(hé)頂部的氣流障礙物映射到(dào)模型裏，更準确地代表環境。氣流建模爲工(gōng)程師提供了(le)參考，在最短的時(shí)間内提供多種設計(jì)選擇。因而，最終設計(jì)不是基于試驗性的考慮，而是通過專業的設計(jì)過程，得到(dào)幾個選項并選擇最佳解決方案。這(zhè)可以節省資金(jīn)和(hé)運行成本，節省糾正設計(jì)錯誤的時(shí)間，和(hé)調試的時(shí)間。
确定房間配電策略：制定房間配電策略的兩個主要決策是配電單元（PDU）的放(fàng)置位置，以及是否在頭頂或地闆下(xià)運行電源線。
确定機櫃配電策略：理(lǐ)想情況下(xià)，分支電源來(lái)自(zì)不同的PDU，UPS，發電機/ ATS，變電站(zhàn)，以及真正的2N（系統+系統）或2（N + 1）冗餘。
配電對(duì)冷卻的影響：選擇如何管理(lǐ)RLU中的電源線首先要确定安裝電源闆的位置。如果它們垂直安裝，則應安裝在後部和(hé)側面。如果使用(yòng)水(shuǐ)平電源闆，根據設備布局，它們可以安裝在任何方便的機架U位置。
确定數據電纜的部署策略：數據線分布對(duì)冷卻的影響：電纜管理(lǐ)策略的有效性對(duì)冷卻性能(néng)有直接的影響。服務器打包得越密集，那電纜越多。關鍵是利用(yòng)具有充足電纜管理(lǐ)空(kōng)間的RLU，以避免阻塞空(kōng)氣流動。雖然服務器電纜管理(lǐ)臂非常實用(yòng)，不應使用(yòng)那些(xiē)嚴重阻礙空(kōng)氣流動的電纜管理(lǐ)臂。
确定冷卻區(qū)策略
有效的計(jì)算(suàn)機房冷卻就是除去熱量和(hé)增加冷量 – 排除熱空(kōng)氣，增加冷空(kōng)氣。三種設備冷卻方法及其典型的冷卻能(néng)力：
- 室内冷卻：上(shàng)流式CRAC空(kōng)調，作(zuò)爲冷空(kōng)氣輸送源，與排熱源相反，向室内輸送冷空(kōng)氣以使其與負載産生的熱量混合。
- 行冷卻：是一種受歡迎的由活動地闆，熱通道(dào)/冷通道(dào)組成的冷卻配置。冷空(kōng)氣通過冷通道(dào)中的多孔地闆傳送。熱通道(dào)在熱通道(dào)中積聚，并使用(yòng)天花(huā)闆高(gāo)度作(zuò)爲返回CRAC單元的通道(dào)。
- 機櫃冷卻：空(kōng)調在獨立的RLU中交付。這(zhè)類似于帶有服務器的冰箱。對(duì)機櫃冷卻的告誡是它需要連接到(dào)遠程散熱源，如冷凍水(shuǐ)。
- 高(gāo)密度冷卻：當今數據中心的一個共同主題是不斷增加負載密度。冷卻密度大(dà)于 4 kW / RLU，但(dàn)小(xiǎo)于8 kW / RLU可以通過行内部署空(kōng)調的解決方案實現(xiàn)。
- 确定冷卻策略：制冷系統有多種選擇。
很(hěn)多時(shí)候，使用(yòng)什(shén)麽類型的空(kōng)調的選擇取決于現(xiàn)有的設施服務。如果一個計(jì)算(suàn)機房位于高(gāo)層建築裏，由冷凝器水(shuǐ)回路提供服務，那麽顯而易見的選擇是水(shuǐ)冷系統。
确定冗餘策略：在選擇合适的冷卻解決方案時(shí)，考慮冗餘因素非常重要。冗餘意味着提供額外(wài)的容量，使得如果系統的一部分發生故障，則剩餘的工(gōng)作(zuò)組件可以提供設計(jì)要求的容量。爲所有空(kōng)調子系統提供冗餘，包括CRAC單元，排熱設備，管道(dào)，泵等。
精密空(kōng)調：精密空(kōng)調是通常用(yòng)在計(jì)算(suàn)機房，非精密或舒适的冷空(kōng)調通常用(yòng)于住宅和(hé)商業辦公室建築。有較高(gāo)的顯熱比（SHR）。計(jì)算(suàn)機房等級（精密）空(kōng)調設備和(hé)舒适的冷空(kōng)調設備都能(néng)消除顯熱和(hé)潛熱，它們的比率被稱爲顯熱比。精密空(kōng)調可以提供高(gāo)達95％的顯熱制冷，舒适的冷空(kōng)調可以提供低(dī)至30％的顯熱散熱。
冷空(kōng)氣的輸送：高(gāo)架地闆的高(gāo)度直接影響CRAC單元的冷卻性能(néng)。CFD分析表明(míng)，60cm是大(dà)多數高(gāo)架地闆冷卻應用(yòng)的理(lǐ)想高(gāo)度。如果活動地闆太低(dī)，則空(kōng)氣移動太快(kuài)，靠近CRAC的機架CMF不足。
吊頂的高(gāo)度也(yě)直接影響CRAC設備的冷卻性能(néng)。如果天花(huā)闆太低(dī)，則熱量無法及時(shí)回到(dào)CRAC設備，以便被排到(dào)室外(wài)。根據經驗，吊頂高(gāo)度一般30cm到(dào)60cm。
4.4冷卻性能(néng)監控
環境監測系統必須能(néng)夠監控每個房間，行和(hé)機櫃冷卻區(qū)。即使針對(duì)特定負載曲線建立了(le)有效的冷卻性能(néng)，它也(yě)将快(kuài)速變化。爲站(zhàn)點的所有環境參數編譯趨勢數據非常重要，這(zhè)樣可以快(kuài)速執行移動，添加和(hé)更改。
獨立的基于IP的GUI監控系統：
- 監控冷水(shuǐ)機組和(hé)其它室外(wài)設備
- 監控CRAC/CRAH和(hé)熱交換設備
- 監控每個冷卻區(qū)的實際設備入口溫度。
設定特定條件，産生告警。
4.5制冷量單位回顧
本章介紹了(le)數據中心制冷規劃所需要考慮的事(shì)項，每一項都可以用(yòng)表格表現(xiàn)出來(lái)，這(zhè)裏隻講了(le)概念。
在第四章我們了(le)解了(le)制冷的設計(jì)規劃，在這(zhè)一章我們再詳細了(le)解一下(xià)制冷系統的選擇。
5.1制冷系統選擇
從(cóng)項目規範到(dào)日常運營，冷卻系統的效率将影響項目的各個方面。爲了(le)使系統所有者獲得最佳價值，應仔細分析散熱方法，以确定冷卻系統的使用(yòng)壽命。
水(shuǐ)冷方法具有更高(gāo)的性能(néng)和(hé)更低(dī)的運營成本，提供最佳的長期投資。采用(yòng)水(shuǐ)冷散熱方法的系統比其空(kōng)氣冷卻方式節能(néng)約35％。具有水(shuǐ)冷散熱系統可提供最佳性能(néng)，最小(xiǎo)占地面積，最大(dà)容量和(hé)最理(lǐ)想的操作(zuò)考慮因素。
具有流體散熱功能(néng)的系統介于空(kōng)氣和(hé)水(shuǐ)冷方法之間。雖然沒有像水(shuǐ)冷技術那樣節省相同的能(néng)源成本，但(dàn)它們确實提供了(le)比空(kōng)氣冷卻技術更好(hǎo)的投資，特别是在水(shuǐ)的可用(yòng)性有限或幹球和(hé)濕球之間存在較大(dà)差距的地方。因而，基于流體的冷卻系統是對(duì)空(kōng)氣冷卻方法的技術改進，包括效率，噪音(yīn)，總體擁有成本以及用(yòng)最少的水(shuǐ)操作(zuò)的能(néng)力。
當絕對(duì)沒有水(shuǐ)時(shí)，使用(yòng)風(fēng)冷散熱的傳統系統将滿足設計(jì)規範; 但(dàn)是，這(zhè)些(xiē)系統需要最大(dà)的空(kōng)間，最大(dà)的運營預算(suàn)，并在運行期間保持最高(gāo)水(shuǐ)平的聲音(yīn)。
随着時(shí)間的推移，冷卻方法的節能(néng)将非常重要。對(duì)于冷卻系統而言，這(zhè)意味着總體擁有成本将更加依賴于其效率。安裝成本，即使對(duì)于最初更昂貴的系統，也(yě)會(huì)被水(shuǐ)冷技術等高(gāo)效方法迅速抵消，從(cóng)長遠來(lái)看(kàn)可以節省資金(jīn)。
除了(le)直接的能(néng)源成本，冷卻系統的選擇還會(huì)受到(dào)許多地方和(hé)國家實體的影響，這(zhè)些(xiē)實體越來(lái)越關注節能(néng)和(hé)環境責任。
5.2制冷設備占地面積
高(gāo)密度數據中心需要冷卻裝置能(néng)夠以盡可能(néng)小(xiǎo)的占地面積提供最高(gāo)的冷卻能(néng)力。主要制造商提供的占地面積最小(xiǎo)的高(gāo)功率CRAC可提供約90 kW的淨顯熱制冷量，但(dàn)需要3×1米（深度x寬度）的占地面積。
然而在實踐中，由于CRAC氣流抛擲距離的實際限制，一個CRAC将難以有效地将空(kōng)氣均勻地輸送到(dào)所有90個機櫃; 在大(dà)多數情況下(xià)，距離CRAC最遠的機櫃可能(néng)會(huì)比靠近CRAC的機櫃收到(dào)的冷空(kōng)氣少 – 假設高(gāo)架地闆高(gāo)度滿足實際要求和(hé)對(duì)地闆下(xià)影響氣流的障礙物最少。
5.3空(kōng)調安裝考慮
服務走廊：有的機房部署服務走廊，把制冷設施和(hé)IT機櫃隔離，用(yòng)于減少機房出入。
當在服務走廊打開(kāi)門(mén)時(shí)，CRAC會(huì)從(cóng)辦公區(qū)吸入空(kōng)氣，這(zhè)意味着灰塵顆粒和(hé)其他(tā)污染物會(huì)進入空(kōng)調，不同的溫度和(hé)濕度也(yě)會(huì)導緻入口波動。由于空(kōng)調需要補償這(zhè)些(xiē)不規則性，這(zhè)可能(néng)導緻功耗增加。應對(duì)空(kōng)調器的頂部進行管道(dào)處理(lǐ)，以避免額外(wài)空(kōng)氣進入。
漏水(shuǐ)檢測：當空(kōng)調器出現(xiàn)洩漏或結露時(shí)，爲了(le)避免或減少水(shuǐ)流入計(jì)算(suàn)機房區(qū)域的風(fēng)險，在空(kōng)調或帶有排水(shuǐ)點的滴水(shuǐ)盤周圍安裝斜坡。當使用(yòng)滴水(shuǐ)盤時(shí)，需要确保斜坡直立不會(huì)太高(gāo)，因爲這(zhè)可能(néng)會(huì)産生冷空(kōng)氣湍流。
空(kōng)調與消防控制面闆/ EPO相連：有些(xiē)國家規定，需要将空(kōng)調器連接到(dào)消防控制面闆，以便在發生火災時(shí)便于自(zì)動關閉空(kōng)調。
空(kōng)調安裝考慮：
- 使用(yòng)落地支架/框架/底座。由于空(kōng)調機組的重量，建議(yì)在使用(yòng)高(gāo)架地闆基礎設施時(shí)使用(yòng)空(kōng)調地闆框架，這(zhè)将允許無振動傳導到(dào)機櫃。
- 确保采取防振措施。在高(gāo)架地闆和(hé)空(kōng)調之間填充橡膠減少震動傳導。
- 盡可能(néng)使用(yòng)服務走廊。理(lǐ)想情況下(xià)将空(kōng)調放(fàng)置在服務走廊中，以便在計(jì)算(suàn)機房内提供額外(wài)的安全和(hé)降噪。
- 保持制冷劑/水(shuǐ)管道(dào)盡可能(néng)短地離開(kāi)計(jì)算(suàn)機房。對(duì)于DX類型的冷卻基礎設施，确保不超過允許的最大(dà)管道(dào)運行距離。盡可能(néng)不要超過距離限制，如果超過，可增大(dà)管道(dào)直徑來(lái)補償流速損失。管道(dào)的上(shàng)升和(hé)下(xià)降彎曲會(huì)降低(dī)制冷容量。
- 使用(yòng)适當的過濾網。
空(kōng)調開(kāi)通運行：數據中心建成後，需要測試和(hé)調試空(kōng)調基礎設施。進行熱注入測試以确保冷卻系統按照設計(jì)工(gōng)作(zuò)，可以通過在機架内安裝加熱器風(fēng)扇來(lái)完成。可安裝在機架上(shàng)的加熱器風(fēng)扇優于獨立加熱器單元，因爲獨立單元通常不能(néng)很(hěn)好(hǎo)地代表實際的熱負荷分布。
确保正确配置所有冷卻裝置，需要配置冷卻單元，使得所有溫度和(hé)濕度設定點相等。包括設定點的阈值。需要确保空(kōng)調中的傳感器得到(dào)校準，因爲濕度傳感器設置往往會(huì)随時(shí)間漂移。
風(fēng)量處于指定水(shuǐ)平，在空(kōng)調能(néng)夠調節空(kōng)氣流量的地方，需要确保空(kōng)氣壓力處于平衡狀态。
各種供應商都提供控制單元，将所有冷卻裝置連接到(dào)中央監控單元，确保單元同步。
5.4加濕策略
滲透，冷凝和(hé)通風(fēng)會(huì)導緻IT環境濕度的變化。加濕器添加水(shuǐ)蒸氣和(hé)除濕器去除水(shuǐ)蒸氣。它們共同維持IT環境的濕度。
5.5本章小(xiǎo)結
本章介紹了(le)大(dà)中小(xiǎo)數據中心的制冷系統的選擇，以及安裝部署上(shàng)的注意事(shì)項，後面還讨論了(le)濕度管理(lǐ)問題。
本文(wén)首先介紹了(le)數據中心制冷的基礎知(zhī)識，然後介紹了(le)制冷系統，以及和(hé)機房密切相關的制冷知(zhī)識，然後是制冷的設計(jì)規劃以及安裝部署，所有想學習數據中心制冷的運維人員或者相關人員，基本上(shàng)花(huā)費兩個小(xiǎo)時(shí)就可以了(le)解所有相關知(zhī)識，這(zhè)是這(zhè)一篇文(wén)章的目的所在。