摘要：在本文中，業(yè)界專家們將為您介紹關(guān)于如何通過利用精心設(shè)計的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)，大幅節(jié)省成本，從而防止嚴(yán)重故障。

使用風(fēng)側(cè)方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的自然免費冷卻

有兩種形式的自然免費冷卻，通常稱為風(fēng)側(cè)(air-side)和水側(cè)(water-side)。水側(cè)(或更一般地被稱為液體側(cè))仍然是更常見的冷卻散熱形式，并且使用循環(huán)水(或在冷凍氣候條件下才用水/乙二醇的混合物)將熱量帶到室外冷卻塔。

當(dāng)水流從冷卻塔流下時，大型的風(fēng)扇使空氣穿過水，使得即使外部空氣溫度相對較高，熱量也可以散逸到空氣中——但是風(fēng)扇的運轉(zhuǎn)需要消耗能量。當(dāng)空氣溫度較低時，幾乎不需要消耗風(fēng)扇功率，但是仍然需要消耗少量的能量，主要用于使水通過管道循環(huán)的泵。

風(fēng)側(cè)自然冷卻只移動空氣而沒有液體中間物。無需耗電以通過管道泵送液體，所以這應(yīng)該是最終的“綠色環(huán)保”節(jié)能器。但是，與其它諸多方案一樣，這需要取決數(shù)據(jù)中心的具體情況而定。

許多人仍然認(rèn)為采用風(fēng)側(cè)冷卻方法只需要在墻上打開一個洞或?qū)⒐艿姥由斓轿蓓斖猓员阍谝归g或冬天吸入冷空氣即可。這可真沒那么簡單。當(dāng)傳熱時，水的效率要比每單位體積的空氣效率高出數(shù)倍。因此，冷卻數(shù)據(jù)中心所需的空氣量要比所需的水量要多得多。每分鐘需要近40,000立方英尺(cfm)的空氣來冷卻250kW的數(shù)據(jù)中心。對于一處1兆瓦(MW)的數(shù)據(jù)中心而言，其所需的空氣量將超過150,000 cfm。這樣的話，您的數(shù)據(jù)中心就需要一個相當(dāng)大的洞或一個非常大的管道。

上述數(shù)字是以2,500線性英尺/分鐘(FPM)的氣流速率計算的，其為28mph。 這是輕而易舉的事! 在該速度下，40,000cfm需要至少16平方英尺的管道，其可以是2乘8英尺，可行，但是仍然很大。 但是2,500英尺/分的速度太快了，所以必須減速。

對于150,000cfm的空氣量，更好的速度將是1500FPM，需要100平方英尺或類似4×25英尺的孔或管道。即使這些空氣在進入機柜之前需要進一步減速。總之，采用空氣冷卻需要相當(dāng)大的管道。

在大型數(shù)據(jù)中心中，通過管道直接從外部輸送和過濾這么多的空氣量通常是不切實際的。如此多的空氣通過這么大的洞，或?qū)泶罅康奈廴疚铮孕枰瑯哟蟮倪^濾器來過濾污染顆粒。這還需要大型風(fēng)扇帶動如此多的空氣通過過濾器，增加了很多空氣阻力，這會進一步的消耗能量。然后還會涉及到過濾器的更換成本，如果空氣中有很多灰塵或花粉的話，甚至需要每月更換或甚至更多次的更換。

解決風(fēng)側(cè)冷卻方法的挑戰(zhàn)

控制濕度也很重要。如果濕度過高，冷卻盤管可用于將濕氣冷凝出空氣，或者如果溫度和濕度太低，需要添加濕氣，則可以使用加熱盤管。這將再次涉及到能源的消耗了。

使用吸濕化學(xué)品的干燥劑，除濕器本身不會消耗能量，但是它們?nèi)匀粫諝猱a(chǎn)生一些阻力，這再次需要風(fēng)扇耗能來克服。這些因素可以快速抵消掉能源成本的節(jié)省。我們甚至沒有解決可能毀壞硬件的氣態(tài)污染物，并且難以從空氣中提取這些氣態(tài)污染物。

在充分冷卻、空氣清潔的氣候條件下，風(fēng)側(cè)自然冷卻可能是一個合理的選擇。而在中等氣候條件下，包括夏威夷等地，您可能不會期望采用這種方法，但其仍然不失為一項備選考慮方案。在炎熱的氣候條件下，特別是高濕度或有灰塵或污染物的地方，采用該方案是不值得的。

即使使用擴展的ASHRAE所推薦的操作溫度范圍，部分是為了在更多的地區(qū)實現(xiàn)更久時長的自然冷卻，也會存在局限。在實施任何新的技術(shù)之前，必須始終進行成本效益分析。

無論使用哪種方法，散熱都是將能量從一種介質(zhì)傳遞到另一種介質(zhì)，并最終傳遞到外部的過程。機械制冷至少進行兩次熱轉(zhuǎn)換。我們使用不想要的熱量將液體制冷劑變成氣體，然后使用機械系統(tǒng)將其變回液體，以便其可以通過轉(zhuǎn)化過程返回并再次吸收熱量。根據(jù)數(shù)據(jù)中心所使用的確切系統(tǒng)，制冷劑可以循環(huán)到將熱量傳遞到外部空氣的冷凝器，或者可以將熱量交換到循環(huán)到外部冷卻塔的水。而如上所述，這兩種方法都需要消耗能量。

水側(cè)自然冷卻方法在原理上很簡單，但在現(xiàn)實中卻很棘手。基本上增加了旁通機械制冷系統(tǒng)的閥門，當(dāng)其足夠冷卻時，通過僅僅使液體循環(huán)來就可帶走熱量。實際上，該系統(tǒng)的設(shè)計和構(gòu)建比其聽起來更具挑戰(zhàn)性，而控制系統(tǒng)可能會有點棘手。

使用風(fēng)側(cè)冷卻，我們可以通過使用空氣到空氣的熱交換器避免污染和濕度問題。其目的是將熱量直接將操作機房內(nèi)的熱空氣傳遞到房間外部的較冷空氣，實現(xiàn)最小的內(nèi)部空氣損失或新的外部空氣的滲入。當(dāng)然，因為空氣比用于傳遞熱量的水的效率要低得多，已經(jīng)添加了特殊風(fēng)扇的裝置能夠更有效地從蜂窩排出空氣，并且它們也會消耗能量，但是該渦輪仍然被僅使用8%—25%的等效機械制冷功率。現(xiàn)在，已經(jīng)被充分證明的這樣的一個單元便是京都轉(zhuǎn)輪技術(shù)(Kyoto wheel)。

替代數(shù)據(jù)中心冷卻設(shè)備和方法

京都轉(zhuǎn)輪是一個大型的、緩慢旋轉(zhuǎn)的鋁蜂窩——幾十年前的熱輪技術(shù)的現(xiàn)代版本，專門針對數(shù)據(jù)中心。它僅以3至10rpm的速度旋轉(zhuǎn)，并且需要消耗最少的能量以保持轉(zhuǎn)動。

添加專門的風(fēng)扇以更有效地從蜂窩排出空氣，并且它們也會消耗能量，但是該渦輪仍然被認(rèn)為僅使用等效機械制冷的8%至25%的功率。 在外部和內(nèi)部之間還有小于1%的空氣交換，并且表面被涂覆以防止污垢累積和腐蝕，這將降低熱傳遞效率。

但渦輪很大，直徑大約為20英尺，并將消耗600千瓦到850千瓦的熱量，而且其位于屋頂或建筑物旁邊，占據(jù)大約1,000平方英尺的空間。 但渦輪可以在達拉斯等地保持全年的47%的時間提供100%的免費自然冷卻，而在加利福尼亞州的圣何塞等地實現(xiàn)在全年81%的時間段提供最大的渦輪容量。

另一種方法是蒸發(fā)冷卻。這使得來自數(shù)據(jù)中心的熱返回空氣能夠通過金屬管，該金屬管通過噴水來保持潤濕，進而通過噴水的蒸發(fā)來保持管道的冷卻。冷卻管又冷卻穿過它的空氣。該系統(tǒng)在最干燥的氣候條件下工作性能最佳，蒸發(fā)量最大，但仍然需要風(fēng)扇功率來傳輸空氣。

然而，由于蒸發(fā)過程可以將空氣冷卻到低于室外溫度，所以該系統(tǒng)在一年內(nèi)所使用的天數(shù)可以比京都輪更多，理想情況下，其可以比采用風(fēng)扇消耗功率實現(xiàn)更多的能量節(jié)約。這種方法的一個復(fù)雜的例子是APC公司相對較新的EcoBreeze間接蒸發(fā)冷卻器。

風(fēng)側(cè)方法的最大缺點是，在許多氣候條件下，自然冷卻不能在100%的時間內(nèi)冷卻數(shù)據(jù)中心。最新的ASHRAE熱指南可能會改變，但不會升級當(dāng)前大多數(shù)的計算硬件。

雖然使用自然冷卻時可以節(jié)省大量的電力，但是當(dāng)自然冷卻無效時仍然需要采用機械空調(diào)。

利用水側(cè)冷卻，冷卻設(shè)備唯一實際增加的是閥門和控制。使用風(fēng)側(cè)冷卻，您企業(yè)仍然會有機械制冷系統(tǒng)的資本成本，以及風(fēng)側(cè)冷卻設(shè)備的成本。而使用風(fēng)側(cè)冷卻，您企業(yè)仍然有機械制冷系統(tǒng)的資本成本，以及空氣側(cè)冷卻設(shè)備的成本。

全面的投資回報(ROI)分析可以幫助確定采用自然冷卻解決方案是否真的值得，但即將推出的節(jié)能法規(guī)可能要求經(jīng)濟性，不管其是否具有成本效益。真正的決定可能是在風(fēng)側(cè)和水側(cè)設(shè)計之間。

無論貨幣的投資回報率如何，免費自然制冷是絕對值得的，而現(xiàn)在可用的新設(shè)備使得采用外部空氣來實現(xiàn)冷卻比以往任何時候都更為現(xiàn)實。計算流體動力學(xué)有助于降低冷卻成本

隨著數(shù)據(jù)中心服務(wù)器密度的增長，無疑需要更好的冷卻。而這就是計算流體動力學(xué)發(fā)揮作用的地方了。

第一處安裝了大型的、令人難以置信的低能源效率的大型商業(yè)服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心釋放了巨大的熱量。并因此設(shè)計了冷卻、維持機器完整性的各種方法。在大多數(shù)情況下，使用水冷卻，但如果發(fā)生泄漏，就會是一個不幸的選擇，因為計算機、電和水不能混合。

隨著分布式計算機架構(gòu)的出現(xiàn)，該問題變得容易。每臺服務(wù)器都在自己的塔式機箱中，可以將風(fēng)扇安置在內(nèi)部，以便在關(guān)鍵部件(主要是CPU和存儲設(shè)備)上吹風(fēng)，并且熱空氣可以排放到外部。

當(dāng)這些服務(wù)器再次被投入數(shù)據(jù)中心時，需要提供更冷的輸入空氣，從而導(dǎo)致需要使用計算機機房空調(diào)(CRAC)單元和高架地板來泵送空氣。不同的形狀因素，例如朝著刀片和“比薩盒”服務(wù)器方向的發(fā)展，消除了對大軸向風(fēng)扇的需要，其將大量空氣轉(zhuǎn)移到體積更小的徑向風(fēng)扇。

與此同時，能源價格飛漲并成為日漸人們關(guān)注的焦點。將數(shù)據(jù)中心所有設(shè)施的總的能耗量與IT設(shè)備的能耗量進行比較所得出的電力使用效率(PUE)顯示了一般數(shù)據(jù)中心的設(shè)施消耗多于1瓦特的能量用于冷卻，而其他外圍系統(tǒng)使用1瓦特用于純IT用途。

設(shè)備密度和經(jīng)濟方面的驅(qū)動因素

雖然IT設(shè)備的能源效率快速提高，但設(shè)備密度的大幅增長使得更加難以確保系統(tǒng)的成本經(jīng)濟的運行。

當(dāng)然，有許多方法可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的整體冷卻需求，例如使用熱通道和冷通道，在較高的總體溫度下運行設(shè)施并使用自然空氣冷卻。但問題仍然存在。較高密度的設(shè)備在設(shè)備內(nèi)會產(chǎn)生難以有效冷卻的熱點。隱藏在暗處一直是工程師使用了很多年的方法。計算流體動力學(xué)(CFD)是一種可視化環(huán)境熱圖的方法，然后通過假設(shè)情景以優(yōu)化系統(tǒng)。在渦輪機和鍋爐設(shè)計等領(lǐng)域，CFD是一種經(jīng)過驗證且有用的方法，但它很少應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心。

要理解其中的原因，我們必須了解CFD和數(shù)據(jù)中心已經(jīng)觸及的領(lǐng)域。設(shè)施團隊在確保數(shù)據(jù)中心不會遭遇物理災(zāi)難方面非常有興趣。

因此，在設(shè)施中使用紅外和溫度傳感器可以在相關(guān)問題惡化嚴(yán)重成主要問題之前突出問題。CFD系統(tǒng)可以通過獲得整個數(shù)據(jù)中心的正常的視圖，并產(chǎn)生可接受的熱點日志來最小化誤報。

到目前為止，IT團隊沒有看到這些數(shù)據(jù)。設(shè)施管理團隊很少與IT團隊共享這些信息的有用性，因為使用這些數(shù)據(jù)的傳感器和系統(tǒng)往往是用于諸如建筑信息建模/管理(BIM)系統(tǒng)的設(shè)施系統(tǒng)。

但是，諸如Eaton、Nlyte Software、Romonet、英特爾、施耐德電氣等數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施管理(DCIM)系統(tǒng)來自伊頓，Nlyte軟件，Romonet，英特爾，施耐德電氣等供應(yīng)商均已經(jīng)看到了計算流體動力學(xué)在預(yù)測IT設(shè)備的特定布局方面的有效性了。

但是當(dāng)前，仍然主要數(shù)據(jù)中心的設(shè)施管理團隊負責(zé)采購DCIM。現(xiàn)在，IT團隊已經(jīng)知道DCIM可以為他們做什么，并也在積極的尋找有意義的產(chǎn)品。

IT團隊如何使用CFD

首先，IT團隊在現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心中找到顯示需要冷卻的基線。識別熱點允許他們能夠有針對性的實施冷卻，而不是漫無目標(biāo)的將數(shù)據(jù)中心的平均溫度控制在特定限度內(nèi)。

許多企業(yè)對于僅僅通過瞄準(zhǔn)冷卻，并且不再關(guān)注在推薦的操作溫度范圍內(nèi)沒有采用任何冷卻就運行良好的組件就能夠帶來大量的成本節(jié)省感到驚訝。

接下來，他們會發(fā)現(xiàn)優(yōu)化環(huán)境的技術(shù)訣竅。例如，可能超出現(xiàn)有系統(tǒng)的能力以有效地冷卻具有旋轉(zhuǎn)盤的特定機架。然而，在兩個機架上分割磁盤，加上在清除的空間中安置低能耗的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以使冷卻過程處理熱負載，而不會產(chǎn)生額外費用。

之后，IT團隊將考慮引入新設(shè)備。管理員們可以在虛擬環(huán)境中探索現(xiàn)有冷卻是否可以處理100臺新服務(wù)器的添加或解決新的存儲系統(tǒng)的問題。他們必須在設(shè)備達到現(xiàn)場之前選擇最便宜，最有效的解決方案。

最后，也許最重要的是處理新的架構(gòu)。數(shù)據(jù)中心的設(shè)施如何處理從構(gòu)建自己的機架到模塊化計算平臺(如Dell vStart、IBM PureFlex或思科系統(tǒng)公司的統(tǒng)一計算系統(tǒng))的這一轉(zhuǎn)變?如果網(wǎng)絡(luò)被用來充分利用一種架構(gòu)方法，冷卻方案將如何改變?而且，如果現(xiàn)有的CRAC被自然空氣冷卻或其他低成本的系統(tǒng)所取代呢?冷卻方案需要集中在哪些領(lǐng)域，以確保數(shù)據(jù)中心仍然能夠提供持續(xù)的高可用性?

CFD是一項隱藏的技術(shù)，IT和設(shè)施團隊都應(yīng)該更頻繁地考慮使用該技術(shù)。CFD這一話題應(yīng)該比其當(dāng)下更火。