數據中心制冷方案的選擇

計劃在數據中心添加新IT設備的決策者應該注意到哪種類(lèi)型的制冷系統在當前和未來(lái)都能夠滿(mǎn)足要求。最近高密度IT設備增加了，但機房制冷系統如果無(wú)法相應增加，就會(huì )導致制冷系統效率低下、制冷能力不可預測，在有些情況下根本無(wú)法滿(mǎn)足冷卻要求。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們提出了面向排列結構和面向機架結構的制冷系統。

空調的功能

在數據中心里，所有的空調都具有兩個(gè)功能：一是產(chǎn)生冷空氣（也就是能提供數千瓦的制冷容量）并輸送到需要冷卻的關(guān)鍵設備上。有多種方式可以產(chǎn)生大量的冷空氣，如低溫水、低溫乙二醇，以及任何可以使用的媒質(zhì)而無(wú)須考慮它們的結構。

空調的第二個(gè)功能就是將冷空氣輸送到各個(gè)機房，這里有三種不同的方式，如圖1所示。在面向機房形式的結構中（圖1左），計算機機房空調（CRAC）單元與機房本身融為一體；在面向排列形式的結構中（圖1中），CRAC單元是成排布置的；在面向機架形式的結構中（圖1右），CRAC單元被放置在單獨的機架上。

圖1 樓層平面圖說(shuō)明了面向機房形式（左）、面向排列形式（中）和面向機架形式（右）的空調布置結構間的差別

面向機房形式的制冷系統由一臺或多臺空調組成，其中任何一臺空調都可以完全不受約束地（沒(méi)有通風(fēng)管道、風(fēng)門(mén)調節器、通風(fēng)口或其他方式進(jìn)行風(fēng)量控制）給需要冷卻的設備提供冷風(fēng)，它們只有非常有限的能力來(lái)控制出風(fēng)或不出風(fēng)，或者說(shuō)是通過(guò)地板提升系統或頂棚送氣回路來(lái)調節的。

對于許多使用面向機房形式制冷系統的小型計算機機房，人們很少注意到空調出風(fēng)的情況，安置機架式空調也只是計劃外的方案。對于大型或復雜的數據中心，地板提升系統可以用于將冷空氣導向到經(jīng)過(guò)詳細規劃、發(fā)熱量大的機架通道，或調整冷卻過(guò)度使溫度較低的通道。

但是，即使經(jīng)過(guò)了精心設計，這種面向機房形式的制冷系統也在很大程度上依賴(lài)機房的一些固有限制，例如機房空間形狀、地板上障礙物的分布、空調的位置，以及IT設備在機房中的放置方式等。在這么多實(shí)際條件的限制下，特別是大多數數據中心在增加和重新放置IT設備方面的一些教訓也證明，面向機房形式制冷系統冷卻能力的可預見(jiàn)性會(huì )成為問(wèn)題，特別是當機房?jì)鹊脑O備功率密度增加時(shí)。

面向機架形式和面向排列形式結構的空調布置方案

當采用面向排列形式的制冷系統時(shí)，冷卻系統可以和成排的機架設備離得更近，每一排設備就好像是有了專(zhuān)用的空調一樣。與面向機房形式的制冷系統相比，通過(guò)將空調放置在IT機架之間，或者放在冷卻通道上方，氣流的通路會(huì )變得更短，風(fēng)向也更加容易確定，如圖2所示。氣流的冷卻能力更加容易預測，也就更容易達到更高的功率密度。此外，這樣的結構無(wú)須花費安裝地板提升系統的費用就可以實(shí)現。

圖2面向排列形式的制冷系統可以按排布置（左），或者在頂棚上布置（右）

在面向機架形式的制冷系統中，CRAC單元對每個(gè)IT機架而言都是專(zhuān)用的。氣流的通路甚至比面向排列形式的制冷系統更短，而且氣流完全不受機房本身結構的限制。這種制冷系統可以使機架的功率密度高達50kW，而且具有針對特定冷卻容量進(jìn)行調節的靈活性，以及滿(mǎn)足特殊機架實(shí)際需求的冗余冷卻。不過(guò)，與其他制冷系統相比，這種制冷系統的一個(gè)主要缺點(diǎn)就是需要大量的空調。

在許多實(shí)際應用中，沒(méi)有必要只采用這些制冷系統中的一種，而不考慮使用組合結構的優(yōu)點(diǎn)。當數據中心有寬范圍功率密度和系統可用性需求時(shí)，組合結構的優(yōu)點(diǎn)就更具有說(shuō)服力。

采用多種制冷系統的一個(gè)典型例子就是低密度數據中心的升級。增加面向排列形式或面向機架形式的制冷系統來(lái)彌補面向機房形式制冷系統的不足，這使得數據中心可以使用高功率密度的IT設備，而不用改變現存的制冷系統。

制冷系統的比較

在評估制冷系統時(shí)，有五個(gè)必須考慮的關(guān)鍵系統特征：靈活性、可用性、生命周期成本（TCO）、可維修性和可管理性。

隨著(zhù)需求的不斷變化，例如功率密度的增加和不可預見(jiàn)性，系統的靈活性變得日益重要。面向機房形式的制冷系統通常是事先就建造好的，并且沒(méi)有經(jīng)過(guò)復雜的CFD分析，不具有制冷能力的可預見(jiàn)性，因此，這種結構的升級是非常復雜的。此外，機房的任何改動(dòng)都可能導致某些關(guān)鍵負載的冷卻不足，為了解決這個(gè)問(wèn)題，就需要大范圍的工程改造。

另一方面，在數據中心里，面向排列形式和面向機架形式的制冷系統本身就是模塊化的，因此可以為具有特殊功率密度的個(gè)別負載提供可預見(jiàn)的冷卻能力，并通過(guò)按排列或按機架的形式來(lái)調配。當數據中心改造或擴容時(shí)，新增加的冷卻負載就可以完全和已有的制冷系統隔離。

面向機房形式的制冷系統也面臨著(zhù)可用性的挑戰。在數據中心里，制冷系統離熱源（冷卻負載）越近，系統就越能消除冷熱氣流的混合，從而避免出現無(wú)法冷卻的熱島。面向排列形式和面向機架形式的制冷系統可以滿(mǎn)足這樣的要求，所以比面向機房形式制冷系統的效率更高。

此外，數據中心普遍采用N+1冗余的冷卻方式，以此來(lái)替代出現故障的個(gè)別空調，但對于三種不同形式制冷系統所采取的冗余策略是不同的。在面向機架形式的制冷系統中，制冷系統基本上對每個(gè)機架是專(zhuān)用的，N+1冗余的唯一方式就是為每個(gè)機架增加另外一個(gè)CRAC或雙通路CRAC系統，而所付出的代價(jià)就是整個(gè)數據中心都采用N+1冗余系統的高昂價(jià)格，但對于隔離超高功率密度的機架是非常有效的。

對于面向機房形式的制冷系統，通常的思想是在機房周?chē)黾右惶證RAC系統就可以提供需要的冗余級別。然而，在高密度的機房?jì)?，特殊的CRAC系統可以彌補另一套CRAC系統的能力卻是極大地受機房幾何形狀的影響。產(chǎn)生故障的空調單元距離備份空調單元越遠，備份單元就越不可能給受影響的機架提供同樣的風(fēng)量。

面向排列形式的制冷系統允許按排列提供冗余，這只需要為每排機架提供一套額外的CRAC就可以了。但是這種冗余形式對于低功率密度的機房是沒(méi)有什么成本優(yōu)勢的，比如每個(gè)機架1～2kW的功率密度；而如果在高功率密度的機房，比如每個(gè)機架高達25kW的時(shí)候，這種冗余形式的優(yōu)勢就比較明顯了。

目前，降低生命周期成本或總體擁有成本（TCO）是人們的主要目標。當功率密度和用電量持續上升的時(shí)候，電力成本就成為了TCO中很大的一部分。功率密度驅使了電力成本的上升，這是由于它降低了傳統面向機房形式制冷系統的效率。面向機架形式制冷系統的電力成本始終是比較低的，這是由于CRAC系統是按尺寸分布的，而且與熱負載源的距離非常近，因此就不致使冷氣流被浪費，如圖3所示。

圖3 依賴(lài)于冷卻結構的類(lèi)型，電力成本隨著(zhù)機架功率密度的不同而變化

與面向機房形式的制冷系統相比，面向排列形式制冷系統的電力成本在非常低的功率密度下是很低的。在冷卻負載比較輕的情況下確是如此，這是由于面向排列形式的冷卻系統需要更多的CRAC，因為每一排都必須一套CRAC。

然而，當功率密度增加的時(shí)候，面向排列形式制冷系統的電力成本始終是最低的。氣流的通路越短，就表明越容易通過(guò)小型的高效率鼓風(fēng)機來(lái)滿(mǎn)足所需要的大量氣流。而在面向機房形式的制冷系統中，如果希望送出更高的風(fēng)量，就需要更大功率的鼓風(fēng)機將冷風(fēng)吹得更遠，而且還要克服更高的風(fēng)道阻力。

當考慮維修性和可管理性的時(shí)候，面向機房形式的制冷系統通常是非常獨特的工程方案，這包括多家供應商提供的子系統、獨特的地板結構，以及維護的復雜性。而面向排列形式和面向機架形式的制冷系統卻使用標準的模塊化部件，從而減少了停機時(shí)間，并且簡(jiǎn)化了維修程序。另外，面向排列形式和面向機架形式的制冷系統也提供了當前或未來(lái)性能方面的近實(shí)時(shí)模型，這樣就避免了冷卻容量和管理方式改變所進(jìn)行的預測工作。