摘要：在本文中，業界專家們將為您介紹關于如何通過利用精心設計的數據中心冷卻系統，大幅節省成本，從而防止嚴重故障。

確保高效的數據中心冷卻對數據中心管理員們提出了許多挑戰。但是，保護昂貴的計算硬件組件及其所支持的關鍵任務的操作處理無疑是至關重要的。在本文中，業界專家們將為您介紹關于如何通過利用精心設計的數據中心冷卻系統，大幅節省成本，從而防止嚴重故障。

借助精確冷卻實現節能

今天，隨著數據中心操作運營溫度的升高以及IT效率的不斷提高，使得其中的硬件設備持續保持在恰當的溫度不僅僅只是不斷的為室內輸送冷卻空氣這么簡單了。數據中心需要采用更符合成本預算(及其所產生的副作用：環保)的更好的控制方法，而不是過度冷卻。

即使您企業采用了包括機械制冷、加濕和密封遏制在內的一系列員工們所熟悉的技術，恰當和經濟高效的冷卻機架和服務器也仍然是一項復雜的任務。故而本文著重討論了考慮成本的經濟性，采用外部空氣等“免費的”自然冷卻方案，以節省數據中心的成本。

鑒于數據中心硬件設備在越來越高的溫度下運行，數據中心所在地的氣候不可能一年四季都如在北極一樣寒冷。與所有的IT趨勢一樣，這種“免費”的方法并非沒有缺憾，但卻是朝著盡可能的只消耗所需能量(或者少量)的方向邁出的一大步。如何準確測量評估您企業數據中心的冷卻散熱需求呢?本文提出了一種借助計算流體動力學(或稱為CFD)的可能性，即使在高密度的基礎設施中也能識別需要冷卻的區域。

該技術有助于僅在需要的地方提供冷卻，以防止過度冷卻。由于數據中心面臨著持續降低能源成本的壓力，因此考慮任何衡量方案，并最終減少冷卻需求的機會都是相當重要的。

數據中心冷卻要點

良好的冷卻散熱對于保護昂貴的計算硬件及其所支持的關鍵業務的處理和操作是至關重要的。在操作溫度升高的情況下，大多數計算機將關閉以進行自我保護，但是，如果缺乏足夠有效的冷卻，最高性能的服務器可能在幾秒鐘內崩潰。故而企業IT部門現在不僅要考慮高效地實施冷卻，而且還必須要具備“冷卻穿越”(cooling ride-through)的設計，其能夠在電源故障和發電機啟動之間保持足夠的冷卻，以使關鍵服務器免于過熱和崩潰。

近年來，數據中心的冷卻領域所經歷的變化遠遠超出了數據中心基礎設施的任何其他領域，因為其必須跟上高性能硬件的快速發展的步伐。并且由于冷卻系統是設施中構建和操作的最昂貴的部件，開發更有效的冷卻系統已經成為整個行業的主要目標。那么，到底要如何實施冷卻呢?數據中心必須像冰箱冷藏室一樣的日子已經一去不復返了。過度的冷卻不僅會耗費昂貴的電力成本，也是對環境不負責任和不必要的。事實上，數據中心未來的一個目標是能夠在任何氣候條件下實施冷卻，而不需要機械制冷。

雖然今天這 在某些地區已經是可以實現的了，但對于絕大多數企業而言，在未來幾年仍將主要依靠機械冷卻。因此，了解當前市場可用的冷卻技術，每種不同方法的最佳實踐方案以及冷卻將如何繼續發展是極其重要的。

提高操作運營溫度

如果在適當的溫度條件(稱為“入口溫度”)下輸送適量的空氣，現代計算設備被設計為能夠進行自身的冷卻。美國采暖、制冷和空調工程師學會(ASHRAE)已經確認，所有現代和傳統硬件均被設計為可用于在進氣溫度高達27攝氏度(80.6華氏度)的情況下實施長期可靠的操作。選擇該溫度以提供具有最大能量效率的良好冷卻。

硬件設備也可以在幾天內處理和應對高達35攝氏度(95華氏度) 的操作溫度條件，而不會出現故障率的明顯增加。例如在部分冷卻系統發生故障或異常炎熱的天氣情況下。能源使用量會隨著風扇轉速的增加而增加，但短期低效率不會抵消長期節能目標的實現。為了保險起見，許多數據中心設計者和管理人員選擇在大約24攝氏度(75華氏度)的條件下實施操作運營，但是沒有理由將操作運營環境溫度冷卻到這一溫度之下。

密封遏制

即使在實施了較高的操作運營溫度的情況下，有效的冷卻策略仍然是至關重要的。改善冷卻的最佳方法是分離熱空氣和冷空氣。 “密封遏制”冷空氣供應或熱空氣排放，防止二者的混合，但是您企業的數據中心需要采取兩個步驟來成功完成此任務。

首先，機柜必須實行面對面和背對背的安排布置，使得機架前面的通道(或稱“通風走廊”)與排氣通道(或稱“熱”通道)交替。注意，在較高的入口溫度條件下，我們此處所提到的是 “通風走廊(cool aisle)”而不是“冷通道(cold aisle)”。

第二，機柜之間的間隙必須用填料封閉，所有未使用的面板空間必須用消隱板(blanking panel，即實心板代替缺少的計算硬件)堵塞。這可以防止來自計算硬件背面的熱空氣再循環到前部，而提高設備的入口溫度。

即使采取了上述這些步驟措施后，空氣仍然可以在機柜的頂部和機架行末的周圍流通，所以最終的解決辦法是豎立更多的屏障，以遏制空氣流通。無論是熱過道還是冷過道都可以采用這種方式。屏障可以是諸如塑料窗簾，當然其也可以在機架行的端部或者懸掛在機柜上方以進行防護和防止靜電。這被稱為“部分遏制”，因為部分的空氣仍然可以通過簾縫滲漏，但這是非常有效的。

“完全密封”要求帶有門的實心端板，以及機柜頂部和天花板之間的實體屏障，或安裝的天花板與機柜高度相匹配。完全遏制顯然成本造價更貴且更不靈活，所以兩者之間的選擇通常是基于企業數據中心的預算或現有設施的限制。

在新的數據中心設計中，首先應考慮完全密封的方案，因為其是最有效的，而剩余部分的管道、電氣和電纜橋架可以設計成能夠容納實體屏障。但如果天花板的高度或預算限制了這一點的實施，那么部分遏制要比什么也沒有要好。

“熱源”冷卻

需要消耗大量的能量來推動冷空氣通過房間，地板下方或管道。將冷卻單元安置在靠近計算設備的地方有助于顯著降低風扇的能耗。還使得冷卻單元更容易在其可再循環之前吸入熱回流空氣。但是，最終仍然必須將熱量排出到室外，這需要循環流體通過冷卻單元。這需要管道在機柜區域之外，要么在地板下，要么在機架頂上。

如果您企業不想采用數據中心管道輸送水，那么替代品是制冷劑，如果一旦發生泄漏，則會變成無害氣體。但是制冷劑管道的安裝和改變也更為困難和成本昂貴。雖然數據中心采用水冷卻或將帶來泄漏問題，但是通過適當的安裝以及諸如泄漏檢測系統和排水管之類的預防措施，則可以降低泄漏損壞昂貴硬件的風險。

另一個考慮是許多熱源冷卻器僅去除“顯熱”，并且被設計用于非常高的熱負荷。 “顯熱”是指您可以感覺到的熱量。其是電子設備產生的熱量，不含水分。

因此，許多熱源冷卻器并沒有濕度控制。此外，許多熱源單元將不會在 低熱負荷下操作。為了冷卻較低熱密度的機架和機柜，同時提供濕度控制，常常需要采用常規的空調(如周邊計算機機房空調或“CRAC”)。在一些設計中，單獨的加濕可以是需要的。有五種基本類型的熱源冷卻，以及一種新的策略需要考慮：

1、行列式空調(In-row air conditioner)的包裝與設備機柜一樣，并且與機柜行的端部內或機柜排的端部處的標準機柜混合。有些單元只是簡單的將空氣從前面排入冷卻通道，而另一些單元則允許將空氣導向最需要的空間。然后他們從熱通道中吸入熱回流空氣。該空氣被再冷卻并再次從前面排出。

2、行間冷卻器(IRC)對于冷卻是高效的，并且作為“封閉”環境的一部分，它們甚至更有效。風扇速度和冷卻能力通常通過相鄰機柜前面的溫度傳感器控制，因為這是入口溫度。

行間系統可用于具有和不具有濕度控制的冷凍水、冷凝器水和基于制冷劑的熱傳遞。冷凍水和抽水的制冷單元(沒有壓縮機、加濕器或再熱器的系統)消耗很少的功率，因此它們也可以在不間斷電源(UPS)上維護，以在發生電源故障后進行高密度冷卻穿越。然而，穿越需要足夠的冷凍水儲備(通常存在于總管道內)，加上也在UPS上的小泵，以循環，直到發電機啟動。

另一大好處是，當冷卻需求改變時，一些IRC可以在數據中心內重新定位。

3、機柜上方的冷卻類似于行內冷卻(In-Row Cooling)，但這些設備從上方直接在需要冷卻的機柜前排放冷空氣，并將熱空氣抽回機柜頂部。有些單元安裝在機柜的頂部，其他單元從冷卻通道中間的天花板懸掛。一個系統可以被配置為不僅能夠提供冷卻，而且還可以形成冷卻通道“天花板”，作為密封遏制解決方案的一部分。

頂置式冷卻器(Overhead cooler)用于冷卻超高密度機柜(通常是8 kW至25 kW或更高)。它們僅去除顯熱，因此被用作常規冷卻的補充。頂置式系統由局部溫度傳感器控制。所有都是基于制冷劑的，并且具備高能效。

與一些IRC一樣，在UPS上也可以保持頂置式冷卻器的低能量消耗，以提供冷卻穿越，直到發電機啟動。當重新配置計算設備時，機架頂部和行中央單元也可以相對容易地物理重新定位。

4、自冷機柜是閉環系統的縮影。這些機柜在其自身的外殼內循環空氣，用于最終的密封遏制的熱源冷卻。它們可以使用水或制冷劑，并且舉具備高能效。但他們往往是大型、超重、成本昂貴。這些“問題解決者”通常被用于沒有其他冷卻設備的房間中，或者在沒有重建房間的情況下在非低密度的數據中心中提供高密度“孤島”。

5、背門式冷卻器(Rear-door cooler)是散熱器，使得冷卻水可以通過散熱器循環以去除熱量。它們機柜上替換正常的背門，并在熱排氣通過它們時將其冷卻，然后排入室內。

這些裝置最初是設計成在進入熱通道之前預先冷卻來自高性能計算機所排出的非常高溫的空氣，并返回空調以進一步冷卻。

如果安裝在足夠的機柜上(在許多情況下，意味著每個機柜均安裝)，較新的版本可以滿足總的冷卻要求。這導致空氣在操作機房中的任何地方的溫度都是相同的。由于所有的空氣都要么可以用作排氣要么作為進氣，機柜可以面向相同的方向安置，或者仍然可以處于熱通道/冷卻通道構造。背門式冷卻器僅去除顯熱，因此，與其他輔助系統一樣，需要額外的設備進行濕度控制。獨立的測試顯示完全被動的背門式冷卻器(沒有風扇的冷卻器)是最節能的冷卻裝置。

6、浸沒式冷卻是最新的冷卻方案選項。只需對磁盤驅動器進行小的改動，設備就可以完全浸沒在非導電的油中，直接從電路中移除熱量。在發生故障的情況下，油還提供巨大的熱量，其可以保持設備冷卻，只有一個小的循環泵可以在UPS上運行。

這種新興技術于2011年才剛剛興起上市，但其正在贏得整個業界廣泛的興趣。其主要的缺點是，需要修改硬件，而這會使得工作設備凌亂。但就冷卻而言，卻是非常有效的。

數據中心冷卻的未來

上述所有方法都依賴于某種形式的機械系統來將熱量傳遞到外部空氣。 理想的情況下，如果設備操作溫度低于27攝氏度，則可以直接用來自外部的空氣冷卻設備。 或者，循環水可以由外部空氣來直接冷卻，僅需要采用泵，并且不需要機械制冷。 這兩種方法都稱為自然冷卻。

在大多數氣候條件下，即使外部空氣條件不適合提供全年的冷卻，足夠的天數也能夠滿足在全機械冷卻和自然冷卻之間的切換，以實現成本效益。然而，從機械冷卻到非機械冷卻的過渡通常是自然冷卻設計中的最大挑戰。

但在將來，計算設備可以設計成甚至能夠在更高的溫度條件下操作運行。這將使得自然冷卻的方法可以在一年四季中的任何氣候中使用。隨著數據中心操作運營溫度的持續提升，直到1990年左右都一直在大型主機領域所使用的直接液體冷卻的方法也變得越來越普遍。

在去除熱量方面，水比空氣的效率高約3500倍，因此考慮這個選項是合理的。液體冷卻被用于一些高性能的硬件設備，并且，鑒于輸送大量的空氣用于冷卻高性能硬件不太現實，故而液體冷卻方案可能將獲得進一步的普及。

“免費的”數據中心散熱的方法和挑戰

免費的數據中心自然散熱冷卻并不是真的“免費的”，除非您可以打開窗戶，直接讓空氣吹進屋來。但是，當您企業的數據中心采用較低溫度的室外空氣而不是采用機械制冷來為建筑物或數據中心所散發的熱量提供冷卻時，您企業可以因此而節省大量的電氣成本，我們將其稱之為“免費自然冷卻”。

在數據中心行業中所經常使用的另一項術語是節約，但不管是什么，其核心理念都是盡可能使用最少的能耗將數據中心的設備散熱排放到戶外。