較高的能源成本和激增的數(shù)據(jù)中心能耗已迫使數(shù)據(jù)中心專家開始重新思考其數(shù)據(jù)中心制冷的策略。如EYPMissionCritical公司的BruceMyatt所言，“冷熱氣流的隔離是當(dāng)今新建和改建數(shù)據(jù)中心可以采用的最具前景的節(jié)能增效措施之一”。除了能效方面的優(yōu)勢(shì)外，氣流遏制系統(tǒng)可以使眾多IT設(shè)備進(jìn)風(fēng)口溫度保持一致，從而消除在未采用氣流遏制系統(tǒng)的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心架構(gòu)中經(jīng)常出現(xiàn)的局部熱點(diǎn)。

　　一、氣流遏制系統(tǒng)介紹

我們首先了解一下常用的冷熱通道氣流遏制系統(tǒng)。值得注意的是部署通道氣流遏制系統(tǒng)首先要求機(jī)柜行采用冷/熱通道布局。圖1所示的是冷通道氣流遏制系統(tǒng)，高架地板下送風(fēng)方式和房間級(jí)制冷的數(shù)據(jù)中心氣流管理的基本原理。在該數(shù)據(jù)中心中，可以通過封閉冷通道的頂部和兩端來部署冷通道氣流遏制系統(tǒng)。這樣做對(duì)于已有的數(shù)據(jù)中心改造是非常方便的。

圖2所示為熱通道氣流遏制系統(tǒng)，該氣流遏制系統(tǒng)將熱通道密閉，以捕獲IT設(shè)備排出的廢熱，數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)的其余空間就形成一個(gè)巨大的充滿冷空氣的“冷池”。通過封閉熱通道，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的冷、熱氣流得以分離。需要注意的是封閉熱通道有兩種基本方法——行級(jí)制冷的熱通道氣流遏制系統(tǒng)和垂直風(fēng)管式熱通道氣流遏制系統(tǒng)。

圖3所示為采用行級(jí)制冷的熱通道氣流遏制系統(tǒng)舉例，是以獨(dú)立的IT區(qū)域來運(yùn)行的。本氣流遏制解決方案既適用于已部署行級(jí)制冷裝置的數(shù)據(jù)中心，也可用于已部署周邊制冷裝置的數(shù)據(jù)中心。對(duì)于已部署行級(jí)制冷裝置的數(shù)據(jù)中心，只需在通道上添加頂棚面板，就能實(shí)現(xiàn)氣流遏制。對(duì)于已部署周邊制冷裝置的數(shù)據(jù)中心，該氣流遏制解決方案需要在機(jī)柜間添加制冷裝置。該氣流遏制方法應(yīng)用于在低密度數(shù)據(jù)中心添加高密度機(jī)柜，并且所有機(jī)柜都采用某種形式的熱通道部署時(shí)。

另一方面，熱通道氣流遏制系統(tǒng)可以通過風(fēng)管連接房間級(jí)機(jī)房空氣處理裝置或者將整個(gè)熱通道圍成通向大型房間級(jí)空調(diào)單元的煙囪狀風(fēng)道，如圖4所示。選用垂直風(fēng)管熱通道氣流遏制的一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)就是可以使用現(xiàn)有的節(jié)能冷卻模式。這種熱通道封閉設(shè)計(jì)方案適用于大型專用數(shù)據(jù)中心設(shè)施，因?yàn)榇嬖陲L(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式效率上的優(yōu)勢(shì)。但這類系統(tǒng)需要構(gòu)建大型的氣流空間和/或定制的建筑結(jié)構(gòu)來有效地處理大量的空氣。因此，這種熱通道氣流遏制系統(tǒng)的變體設(shè)計(jì)非常適用于新建或者大型的數(shù)據(jù)中心。值得注意的是，上面提到的熱通道遏制系統(tǒng)方案也同樣適用于冷通道氣流遏制系統(tǒng)。但是本文將會(huì)在下文論證熱通道氣流遏制系統(tǒng)的節(jié)能效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于冷通道氣流遏制系統(tǒng)。

以上方法需要封閉整個(gè)通道。然而，當(dāng)存在分散的高密度機(jī)柜時(shí)，使用垂直風(fēng)管封閉單個(gè)機(jī)柜更合理。這種方法就是將一根垂直風(fēng)管安裝到機(jī)柜后頂部，來封閉熱風(fēng)并將其輸送至吊頂，如圖5所示。

　　二、氣流遏制系統(tǒng)的益處

1.能夠節(jié)能和增加制冷容量：制冷系統(tǒng)可以設(shè)置為更高的送風(fēng)溫度而仍然可滿足負(fù)載的安全運(yùn)行。未采用氣流遏制系統(tǒng)的房間級(jí)制冷系統(tǒng)所設(shè)置的送風(fēng)溫度則要比IT設(shè)備所要求的溫度低得多（約為13°C），以防止局部熱點(diǎn)的產(chǎn)生。產(chǎn)生局部熱點(diǎn)的原因是在冷風(fēng)離開制冷設(shè)備到達(dá)IT機(jī)柜前的過程中，熱量被帶入冷風(fēng)引起溫升。采用氣流遏制系統(tǒng)能夠提高冷風(fēng)的送風(fēng)溫度，以及達(dá)到提高制冷裝置回風(fēng)溫度的目的。較高的回風(fēng)溫度有助于提升冷卻盤管的熱交換效率，從而提高制冷容量和整體的能效。這種影響對(duì)于幾乎所有的空調(diào)設(shè)備都是存在的。某些設(shè)備會(huì)存在最高回風(fēng)溫度的限制，但是總體來說，所有的制冷系統(tǒng)在較高的回風(fēng)溫度時(shí)都會(huì)具有更高的制冷能力。

2.消除局部熱點(diǎn)：氣流遏制系統(tǒng)能阻止冷風(fēng)在離開制冷設(shè)備到達(dá)IT機(jī)柜前的過程中與廢熱的混合。這意味著在制冷裝置一側(cè)的送風(fēng)溫度等于IT設(shè)備進(jìn)風(fēng)口溫度，即統(tǒng)一的IT設(shè)備進(jìn)風(fēng)口溫度。當(dāng)沒有冷、熱氣流混合，可以在不產(chǎn)生局部熱點(diǎn)的前提下提高送風(fēng)溫度，從而延長(zhǎng)節(jié)能冷卻模式的運(yùn)行時(shí)間。

3.延長(zhǎng)節(jié)能冷卻模式運(yùn)行時(shí)間：當(dāng)室外溫度低于室內(nèi)溫度時(shí)，就可以不通過制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)工作來向室外排熱。通過提高制冷系統(tǒng)的工作溫度區(qū)間設(shè)定點(diǎn)可以大幅的延長(zhǎng)制冷系統(tǒng)中停用壓縮機(jī)的時(shí)間，達(dá)到節(jié)能的目的。

4.降低加濕/除濕成本：通過消除冷、熱氣流的混合，設(shè)定較高的制冷系統(tǒng)送風(fēng)溫度，可以使制冷系統(tǒng)在高于露點(diǎn)溫度的工況下運(yùn)行。當(dāng)送風(fēng)溫度高于露點(diǎn)溫度，空氣中的含濕量就不會(huì)降低。如果含濕量不降低，那么就不需要加濕，這樣就節(jié)約了電能和水。

5.更好的物理基礎(chǔ)設(shè)施整體使用率，適度規(guī)劃帶來的設(shè)備高效率運(yùn)行：與適度選型的設(shè)備相比，越過度選型的設(shè)備，具有的固定損耗越大。然而，由于高架地板下送風(fēng)路徑中的阻力和靜壓要求需要消耗額外的風(fēng)機(jī)功率，所以無法避免對(duì)傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的過度規(guī)劃。

三、冷熱氣流遏制系統(tǒng)對(duì)溫度的影響

那么，冷熱通道氣流遏制系統(tǒng)對(duì)作業(yè)環(huán)境的影響又如何呢？采用冷通道氣流遏制系統(tǒng)時(shí)，熱通道內(nèi)的溫度過高也會(huì)導(dǎo)致作業(yè)環(huán)境溫度同樣過高，對(duì)長(zhǎng)期在數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)作業(yè)的IT人員會(huì)產(chǎn)生不良的影響。而采用熱通道氣流遏制系統(tǒng)，高溫只存在于封閉的熱通道之內(nèi)，而不會(huì)影響到在機(jī)房?jī)?nèi)長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)的人員。

值得注意的是在IT人員需要進(jìn)入熱通道進(jìn)行作業(yè)時(shí)，還可以在作業(yè)之前打開門使冷風(fēng)中和掉熱通道的高溫（在機(jī)柜后部）。即使保持熱通道關(guān)閉，仍然符合作業(yè)環(huán)境的法規(guī)，兩點(diǎn)原因如下：1）人員并不是在高溫環(huán)境（熱通道）內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)期作業(yè)，采用冷通道氣流遏制系統(tǒng)則不然，而且2）絕大部分的作業(yè)都發(fā)生在IT機(jī)柜的前部。熱通道氣流遏制系統(tǒng)允許較高的熱通道溫度而不影響到機(jī)房?jī)?nèi)的其它空間是熱通道氣流遏制系統(tǒng)和冷通道氣流遏制系統(tǒng)之間最關(guān)鍵的區(qū)別，因?yàn)檫@樣可以使機(jī)房空氣處理裝置更高效的運(yùn)行。

與人員的舒適性同等重要的還有IT設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。2011年發(fā)布的ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)TC9.9建議服務(wù)器進(jìn)風(fēng)溫度區(qū)間為18-27°C.采用冷通道氣流遏制系統(tǒng)，房間的其它空間（作業(yè)環(huán)境）會(huì)相對(duì)較熱，遠(yuǎn)超過27°C，當(dāng)采用高密度IT設(shè)備時(shí)，將會(huì)超過38°C.因此，任何進(jìn)入數(shù)據(jù)中心的人在步入這種高溫環(huán)境時(shí)都會(huì)產(chǎn)生不適，在這種環(huán)境下連基本的巡視都很不現(xiàn)實(shí)。采用冷通道氣流遏制系統(tǒng)，需要調(diào)整人員的預(yù)期是他們明白這種較高的溫度是“正常的”，而不是系統(tǒng)即將宕機(jī)的表現(xiàn)。這種觀念上的變化也會(huì)因?yàn)榧夹g(shù)人員不情愿進(jìn)入數(shù)據(jù)中心在高溫環(huán)境下作業(yè)而受到質(zhì)疑。

不僅如此，在使數(shù)據(jù)中心運(yùn)行在較高的溫度時(shí)，必須為非成行排列的IT設(shè)備（例如磁帶庫(kù)和大型主機(jī)）采取特殊的措施。采用冷通道氣流遏制系統(tǒng)時(shí)，房間作為一個(gè)充滿熱空氣的“熱池”，這些設(shè)備將需要通過定制的風(fēng)管從密閉的冷通道獲得冷風(fēng)。在熱環(huán)境中部署打孔地板雖然可以有助于冷卻這種設(shè)備，但是破壞了使用氣流遏制系統(tǒng)來減少冷、熱氣流混合的初衷。此外，機(jī)房?jī)?nèi)的電源插排、照明、消防和其它系統(tǒng)將需要重新對(duì)溫升后的可行性進(jìn)行評(píng)估。

四、冷熱氣流遏制系統(tǒng)對(duì)能效的影響

在不考慮氣流遏制系統(tǒng)冷、熱氣流泄漏的情況下，我們通過理論性分析對(duì)某城市來比較冷通道氣流遏制系統(tǒng)和熱通道氣流遏制系統(tǒng)各自在最佳狀態(tài)下的性能。而通常高架地板泄露比例約為25%-50%，氣流遏制系統(tǒng)的泄露約為3%-10%.節(jié)能冷卻模式的運(yùn)行時(shí)間（以小時(shí)計(jì)）和PUE是通過對(duì)節(jié)能冷卻模式時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行建模和對(duì)數(shù)據(jù)中心PUE進(jìn)行建模估算得到的。對(duì)冷通道氣流遏制系統(tǒng)和熱通道氣流遏制系統(tǒng)都比較了以下三種溫度情況：

1.IT進(jìn)風(fēng)溫度維持恒定的27°C–ASHARE推薦的進(jìn)風(fēng)溫度最大值

2.未封閉的開放作業(yè)區(qū)域溫度維持恒定的27°C–ASHARE推薦的進(jìn)風(fēng)溫度最大值

3.未封閉的開放作業(yè)區(qū)域保持恒定的24°C–標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度

情況#1結(jié)果：

在這種情況下，冷通道氣流遏制系統(tǒng)在最佳狀態(tài)運(yùn)行時(shí)可以獲得6，218小時(shí)的節(jié)能冷卻模式運(yùn)行時(shí)間，PUE約為1.65.在忽略人員健康與舒適性以及獨(dú)立IT設(shè)備安全性的情況下，冷通道氣流遏制系統(tǒng)和熱通道氣流遏制系統(tǒng)的效率是相當(dāng)?shù)摹５窃谶@種狀態(tài)下的作業(yè)環(huán)境干球溫度達(dá)到不現(xiàn)實(shí)的41°C，相對(duì)濕度21%.這相當(dāng)于濕球黑球溫度（WBGT）為28°C，幾乎達(dá)到OSHA所允許的濕球黑球溫度WBGT的最大上限30°C.這對(duì)IT人員的作業(yè)環(huán)境和獨(dú)立IT設(shè)備來說是不現(xiàn)實(shí)的。實(shí)際上，這種高溫會(huì)加劇冷空氣的泄露。

情況#2結(jié)果：

在這種情況下，作業(yè)環(huán)境溫度保持在27°C，會(huì)導(dǎo)致冷通道氣流遏制系統(tǒng)的年度節(jié)能冷卻時(shí)間降低為2，075小時(shí)，PUE與情況#1相比變差，升高了13%.相應(yīng)的IT進(jìn)風(fēng)溫度變?yōu)?3°C.采用熱通道氣流遏制系統(tǒng)的結(jié)果在情況#2下與情況#1的相同，因?yàn)閮烧叩倪M(jìn)風(fēng)溫度相同。情況#2中的冷通道氣流遏制系統(tǒng)和熱通道氣流遏制系統(tǒng)都可以保證一個(gè)可以接受的IT設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度在ASHRAE推薦的范圍之內(nèi)，但是作業(yè)環(huán)境溫度與人員舒適性的要求還有一定差距。熱通道氣流遏制系統(tǒng)系統(tǒng)可以提供4，143小時(shí)的年度節(jié)能冷卻運(yùn)行時(shí)間，以及PUE優(yōu)于采用冷通道氣流遏制系統(tǒng)時(shí)11%.

情況#3結(jié)果：

當(dāng)作業(yè)環(huán)境溫度限制在24°C時(shí)，可滿足人員舒適性的要求。這個(gè)溫度會(huì)導(dǎo)致冷通道氣流遏制系統(tǒng)的年度節(jié)能冷卻時(shí)間降低為0，PUE與情況#2相比變差，升高了6%.相應(yīng)的IT進(jìn)風(fēng)溫度變?yōu)?0°C.這時(shí)，熱通道氣流遏制系統(tǒng)的節(jié)能冷卻模式的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)降低至5，319小時(shí)，PUE為1.69.情況#3中的冷通道氣流遏制系統(tǒng)和熱通道氣流遏制系統(tǒng)都可以保證一個(gè)可以接受的作業(yè)環(huán)境溫度和IT設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度在ASHRAE推薦的范圍之內(nèi)。與采用冷通道氣流遏制系統(tǒng)相比，熱通道氣流遏制系統(tǒng)系統(tǒng)可以提供5，319小時(shí)的年度節(jié)能冷卻運(yùn)行時(shí)間，以及PUE優(yōu)于采用冷通道氣流遏制系統(tǒng)時(shí)15%.

從此分析中可以清楚地看到，在實(shí)際作業(yè)環(huán)境溫度限制和氣候條件下，熱通道氣流遏制系統(tǒng)提供比冷通道氣流遏制系統(tǒng)更長(zhǎng)的節(jié)能冷卻時(shí)間和更低的PUE.不管采用何種制冷架構(gòu)和排熱方式（無論房間級(jí)還是行級(jí)，冷凍水還是直膨式），最終結(jié)果都是如此。

　　五、結(jié)論

防止冷、熱氣流混合是所有高效數(shù)據(jù)中心制冷策略的關(guān)鍵所在。與傳統(tǒng)制冷方式相比，熱通道氣流遏制系統(tǒng)和冷通道氣流遏制系統(tǒng)都有助于提升功率密度和能效。熱通道氣流遏制系統(tǒng)是一種比冷通道氣流遏制系統(tǒng)更高效的方式，因?yàn)槠湓试S更高的作業(yè)環(huán)境溫度，提高冷凍水供回水溫度區(qū)間設(shè)定，從而延長(zhǎng)節(jié)能冷卻模式的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，最終帶來巨大的電力成本節(jié)約。將制冷溫度設(shè)定點(diǎn)提高的同時(shí)，也保證舒適的作業(yè)環(huán)境溫度（即未進(jìn)行封閉的區(qū)域的溫度）。

編輯：Harris

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