保持最佳工作溫度對許多數(shù)據(jù)中心來說是一個挑戰(zhàn)，當數(shù)據(jù)中心沒有得到正確冷卻時，IT設備可能會過熱，過熱可能會降低服務器性能或損壞硬件，因此，管理空氣流量對性能，成本和能源效率有重大影響。企業(yè)都非常重視數(shù)據(jù)中心冷卻失效后的溫升問題，保障數(shù)據(jù)中心的在線運營是一項很大的成本支出，并且絕不允許無計劃的停電，更不允許出現(xiàn)單點故障，下面看看數(shù)據(jù)中心機房幾種冷卻方式，以及冷卻失效對機房溫升有多大影響!

為維持恒定的室內(nèi)溫度需要全年為之降溫，由此帶來了巨額的耗電量和電費，在節(jié)能減排和降低運營成本的雙重壓力，迫使人們不斷地研發(fā)新的節(jié)能技術和產(chǎn)品，通過提高運行溫度，利用環(huán)境空氣和針對性的空氣進行冷卻，而不再是將整個數(shù)據(jù)中心降到不必要的低溫，最終實現(xiàn)節(jié)省能源的目的。

數(shù)據(jù)中心機房幾種冷卻方式

1、免費冷卻

更高的運行溫度通常也會讓免費冷卻系統(tǒng)一起受益。在ASHRAE 90.1-2010指導文件中，免費冷卻幾乎是一項節(jié)約能源的強制要求，必將被普遍運用。節(jié)能改造的資本投入會部分地抵消運營成本節(jié)約的好處。但在改造或升級的同時實現(xiàn)免費冷卻也是技術和投資上的挑戰(zhàn)。預計未來兩年內(nèi)將出現(xiàn)新的標準，使免費冷卻更具可行性?？拷吹拿赓M冷卻將可能會更具優(yōu)勢，但我們將會看到更多類似日本Kyoto Wheel的空氣冷卻案例。最終，數(shù)據(jù)中心運營商將能夠在超出以前預計的更多氣候條件下采用免費冷卻措施，這部分是因為更高運行溫度的貢獻。

2、密封冷卻

密封措施也無法解決由于錯誤的冷卻規(guī)劃、空氣流動不充分或冷卻能力引起的過熱問題。最新的國家防火協(xié)會商業(yè)標準(NFPA-75)可能會使密封冷卻的方案更難實現(xiàn)。對噴淋和(或)氣體滅火系統(tǒng)的改造將大大增加成本。除了要盡力避免錯誤的實施外，日常優(yōu)化也很重要：在未使用的機架空間一定要安裝盲板，架空地板上的孔洞要及時封堵，地板下面影響通風的線纜也要做好清理。

3、后門冷卻器

被人們接受的程度也非常高，部分也是因為水冷方式重新受到關注。如果將巨大的機房空調(diào)系統(tǒng)取消，改用貼近設備的新型冷卻方式的話，相信數(shù)據(jù)中心行業(yè)會運行得比現(xiàn)在更好。教育背景和希望與眾不同的個人意愿或許會促生新案例，但成本和電源可用性的矛盾將決定最終結果。

4、蒸發(fā)或絕熱冷卻

雖然使用蒸發(fā)方式制冷的科學原理簡單，并正在逐漸流行，但它對于大多數(shù)數(shù)據(jù)中心操作人員而言仍然顯得新奇。絕熱冷卻通過降低封閉環(huán)境中的某種物質(zhì)運行的壓力來實現(xiàn)冷卻，讓這些物質(zhì)沸騰如同巖漿涌上火山表面，同時用風帶走山峰上的高溫。絕熱冷卻在溫暖、干燥的氣候中仍然有效，這大大拓寬了一年中能夠“免費冷卻”的有效期。其主要的缺點是用水量有些多，但在同等冷卻量的情況下，它所需的冷卻水仍然比標準冷卻塔要少很多。

5、緊耦合或熱源冷卻

緊耦合冷卻方式通過貼近熱源來實現(xiàn)更有效的運作。這不算什么新東西——問問老的大型機操作員或任何筆記本電腦設計人員就知道了。雖然緊耦合冷卻在數(shù)據(jù)中心里面還是“主流”，但是更新的方法在滿足能源效率的需求方面往往做得更好，并獲取更多關注。它的工作方式很簡單：消耗能源來將大量的空氣吹入地板下的空間或者導風管，然后又將這些空氣拉回至空調(diào)。

更有前途的技術包括浸入式冷卻：將服務器整個浸泡在礦物油里，以便使用最少的能耗獲得極高的冷卻效率。但是技術人員需要對內(nèi)外布滿了石油的服務器進行處理時，心里會怎么想?顯然這種冷卻方式并不是適合所有場景。

6、更高的運行溫度

美國供暖、制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(ASHRAE)在2008年就第一次發(fā)表了關于較高溫度數(shù)據(jù)中心的建議，但并未引起注意。服務器不需要冷藏。即使入口空氣溫度達到華氏75到80°F(攝氏25至27°C)，這些設備仍然能維持良好運作。服務器制造商實際上已經(jīng)擴展了產(chǎn)品的運行溫度范圍，而且舊設備其實也和新設備一樣能夠在擴展的溫度區(qū)間內(nèi)運行。提高運行溫度可以大幅度節(jié)省能源消耗，但人們首先需要認可這種處理方式，然后同意讓熱通道變得更熱——想像一下100°F (38°C)的溫度怎樣?這會刺激后門冷卻器的應用和普及。

7、煙囪式機柜和天花板風道

使用天花板上方的空間形成的風道將空氣傳輸給機房空調(diào)系統(tǒng)，確保回風以最高的溫度返回空調(diào)冷卻盤管，可以顯著增加精密空調(diào)系統(tǒng)的冷卻能力。結合了吊頂風道和熱通道措施的最終設備形式就是煙囪式機柜，可以獲得最大的冷卻效率。來自服務器群的高溫廢氣從機柜后部的煙囪排出，然后直接通過吊頂天花板上方的風道回到空調(diào)設備中。整個過程中熱空氣和冷空氣保持分離，所以可以保持很高的能效比。

雖然效果明顯，但是煙囪式機柜并沒有獲得大力推廣或被廣泛接受。這可能是因為全密封式的設計靈活性更好，可以使用更多的機柜實現(xiàn)相同的效果。然而，煙囪式機柜可以讓整個房間維持冷通道溫度，讓工作環(huán)境變得更加舒適。

直接、間接自然冷卻

數(shù)據(jù)中心利用自然冷源進行制冷的解決方案主要有間接自然冷卻和直接自然冷卻兩種方式。機房空調(diào)一年四季都需要制冷，過渡季節(jié)室外溫度低于室內(nèi)溫度時，自然界存在著豐富的冷源，如何利用大自然的冷源進行冷卻是機房空調(diào)節(jié)能減排的重點問題。

1、直接自然冷卻

(1)全新風自然冷卻

直接引入室外新風、配合冷熱通道隔離實現(xiàn)機房制冷，針對不同地區(qū)的氣候條件，新風進入機房前需要經(jīng)過過濾、加濕、除濕、送回風混合等預處理。

(2)雞舍式熱壓自然循環(huán)風冷卻

不需要機械幫助，直接靠服務器散發(fā)的熱能產(chǎn)生動力自然散熱。把服務器散發(fā)的熱量收集起來，利用空氣膨脹后產(chǎn)生向上的動力，通過足夠高的煙囪讓熱空氣往上升帶動空氣流動，完成散熱循環(huán)。

(3)轉輪式熱交換自然冷卻

利用轉輪內(nèi)填料的儲能功能，讓轉輪在兩個封閉的風道內(nèi)緩慢旋轉，被室外空氣冷卻的填料冷卻室內(nèi)空氣。

2、間接自然冷卻

(1)帶自然冷卻節(jié)能模塊的風冷式冷水機組

春秋過渡季節(jié)和晚上，當環(huán)境溫度達到比冷凍水回水溫度低兩度或以上時，開啟自然冷卻模塊制冷，無壓縮機功耗，自然冷卻不夠的部分，再由壓縮制冷接力達到需求冷量。隨著室外環(huán)境溫度降低，自然冷卻部分占的比例越來越大，直至達到100%，完全自然冷卻制冷，無壓縮機功耗。

(2)水側板換節(jié)能裝置

由大型冷卻塔、水冷型冷水機組、板式換熱器組成，夏季采用冷水機組和冷卻塔制冷，冬季采用板換將有雜質(zhì)的冷卻水轉變?yōu)楦蓛舻睦鋬鏊腿肟照{(diào)室內(nèi)機，冷水機組停機。

(3)雙盤管乙二醇自然冷卻

在直膨蒸發(fā)器盤管上，再并一組冷凍水經(jīng)濟盤管，通過兩套兩通閥來調(diào)節(jié)水是經(jīng)過板式熱交換器的冷凝器還是經(jīng)過冷凍水盤管。室外干冷器夏季提供冷卻水給板換用于直膨制冷，冬季提供冷凍水給經(jīng)濟盤管用于冷凍水制冷。

(4)氟泵自然冷卻

在夏季，制冷壓縮機運行;當室外溫度低于設定點時，自動切換為氟泵節(jié)能系統(tǒng)運行，停止壓縮機運行，保證全年機房空調(diào)安全可靠運行。氟泵不高于壓縮機運行功耗的10%，相對于水系統(tǒng)空調(diào)，無需添加防凍劑，無水患憂慮。

(5)輔助蒸發(fā)自然冷卻

空調(diào)室外機霧化水噴淋系統(tǒng)將軟化水進行增壓后通過高速直流馬達進行霧化處理，將每一滴水霧化成原水滴的體積1/500左右直接噴灑在冷凝器翅片上實現(xiàn)輔助蒸發(fā)，使得冷凝器的整體散熱量增大、功耗降低。這種通過室外機霧化噴淋延長自然冷卻運行時間的方式，在干燥氣候下最為有效，如中國西部和東北部。

綜上，對常見的幾種自然冷卻制冷方式進行綜合比較：

數(shù)據(jù)中心冷卻失效對機房溫升有多大影響?

通過各自的實驗研究得出了一些關于冷卻失效引起的數(shù)據(jù)中心的溫升曲線和基本結論，對數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的不同架構進行了研究，對于開放式的冷卻系統(tǒng)架構給出了不同功率密度下冷卻失效后服務器機柜平均進風溫度的變化曲線，如下圖所示，可以看出：在不同的功率密度下，服務器機柜平均進風溫度的溫升速度不同;功率密度越大，服務器機柜平均進風溫度升高得越快。因此，對于高熱密度的數(shù)據(jù)中心，有必要設計蓄冷罐來保障冷卻連續(xù)性。

對不同功率密度下數(shù)據(jù)中心冷卻失效后的溫升情況進行了研究，結果見下圖冷卻失效時間在180 s內(nèi)，因此曲線比較平緩，并且不同曲線的基準溫度不同。

通過研究數(shù)據(jù)中心冷卻失效引起的機房溫升問題，UI提出了冷卻連續(xù)性的概念，并將數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的可用性提到與供電可用性同樣的高度，將數(shù)據(jù)中心的不間斷供冷分為A，B，C 3個級別，并分別與高熱密度、中熱密度和低熱密度3種功率密度的數(shù)據(jù)中心應用場景相對應。

不同功率密度下數(shù)據(jù)中心冷卻失效引起的溫升與時間的關系，結果見表1(基準溫度為20 ℃)。隨著單機柜功率密度的增大，冷卻失效引起的溫升速率逐漸增大。對于功率密度為5 kW/機柜的數(shù)據(jù)中心，冷卻失效引起10 ℃溫升需要50 s。

溫升速率(y)和功率密度(x)大致合理的最佳擬合關系式為y=0.002 4x2+0.027 5x+0.000 3，如下圖所示：

將擬合關系式改寫成y=0.1x×0.024x+0.027 5x+0.000 3，并對擬合關系式的多項式系數(shù)進行主因子分析，可以發(fā)現(xiàn)：當功率密度(x)等于10 kW/機柜時，二次項因子為0.1×10×0.024×10=0.24，小于一次項因子0.027 5×10=0.275。當功率密度(x)小于10 kW/機柜時，一次項系數(shù)為主因子，并決定整個多項式的值，因此可簡化為一次多項式，即在功率密度小于10 kW/機柜時，溫升速率(y)與功率密度(x)更接近線性關系：y=0.050 1x-0.032 5(如圖5所示)。比較圖4和圖5擬合曲線的殘差R2也容易看出，當功率密度(x)小于10 kW/機柜時，在現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)條件下用線性關系式表達擬合關系更準確。

當功率密度(x)大于10 kW/機柜時，由于二次項系數(shù)為主因子，并決定整個多項式的值，因此溫升速率(y)與功率密度(x)更接近二次多項式關系：y=0.002 4x2+0.027 5x+0.000 3。根據(jù)多項式擬合關系式進行擬合數(shù)據(jù)外推，可以導出10～30 kW/機柜功率密度范圍內(nèi)的溫升速率。

研究結論各不相同，這是合理的也是正常的。首先，各自的測試環(huán)境和工況不同;其次，影響溫升的因素很多，比如功率密度、冷卻系統(tǒng)架構、機柜數(shù)量、機柜布局、機房層高、架高地板高度、甚至機柜材質(zhì)都會影響數(shù)據(jù)中心冷卻失效后的溫升。因此，不同數(shù)據(jù)中心冷卻失效后的溫升情況不一樣，不能一概而論。

當前，國內(nèi)研究數(shù)據(jù)中心冷卻失效引起的溫升的有效手段之一是建模仿真分析。筆者建立了數(shù)據(jù)中心的傳熱模型，應用數(shù)據(jù)中心專用仿真軟件對數(shù)據(jù)中心冷卻失效的溫升進行計算分析。

傳熱模型描述

簡化的數(shù)據(jù)中心傳熱模型下圖所示，以數(shù)據(jù)機房作為一個封閉的傳熱系統(tǒng)，作如下假設：

(1)數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)失效，但服務器因有UPS供電而繼續(xù)運行并持續(xù)發(fā)熱。

(2)數(shù)據(jù)機房是一個封閉系統(tǒng)，只存在傳熱，不存在傳質(zhì)。

(3)服務器運行產(chǎn)生的熱量通過以下幾個途徑散失：①熱量被機房內(nèi)的空氣吸收;②通過機柜向空氣傳熱;③通過建筑圍護結構向室外環(huán)境散熱;④通過架高地板向地板下環(huán)境散熱;⑤通過樓板向鄰近樓層傳熱。

(4)數(shù)據(jù)中心的冷熱空氣充分混合。

(5)機柜前門和后門通孔率為100%，即認為機柜沒有前后門。

(6)傳熱過程為一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程。

仿真建模分析

采用軟件建立一個數(shù)據(jù)中心的簡單物理模型，進行CFD建模分析，3D物理模型如圖所示，模型的相關參數(shù)見下圖：

通過對一個功率密度為4 kW/機柜的數(shù)據(jù)中心進行冷卻失效建模計算，應用軟件可以快捷地給出不同時刻數(shù)據(jù)中心的溫度分布云圖，如圖所示：

對所建模型中的一個服務器機柜的平均進風溫度進行分析，當冷卻失效后該服務器機柜的平均進風溫度曲線如圖所示，可以看出，在服務器機柜的平均進風溫度達到80 ℃以前，其溫度近似隨時間線性升高，這說明：在一定的功率密度下(本模型為4 kW/機柜)，服務器機柜的溫升速率為恒定值。這個結論與前文推導出的溫升同，物理參數(shù)的不同會影響冷卻失效后的溫升速度，但總體趨勢是呈線性變化。

來源：機房空調(diào) http://m.mygoldentreasures.com/

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