摘要：數(shù)據(jù)中心行業(yè)中最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)之一是維持高效的熱管理，同時(shí)滿足更大的IT負(fù)載需求。傳統(tǒng)的氣候控制系統(tǒng)利用空氣作為散熱的主要載體，并且通常將計(jì)算機(jī)室空調(diào)(CRAC)或空氣處理器(CRAH)作為調(diào)節(jié)機(jī)房溫度的優(yōu)選方法。然而，盡管這些在其直接專屬的工作方面(移除服務(wù)器的散熱)是有效的，但如果要從一個(gè)更為寬泛的視覺(jué)角度來(lái)看的話，他們也是非常低效的。

1、關(guān)于文丘里效應(yīng)的介紹

如果你曾經(jīng)看過(guò)一條快速流動(dòng)的寬大河流突然注入狹窄的通道或突然通過(guò)兩座山峰之間的狹窄間隙，你可能就能夠很好的理解或利用意大利物理學(xué)家文丘里(Giovanni Battista Venturi)在1797年所描述的現(xiàn)象，即文丘里效應(yīng)(Venturi effect)了。

當(dāng)受限的流動(dòng)遇到收縮的過(guò)流斷面時(shí)，例如兩座山之間的間隙，所有的空氣被迫需要通過(guò)該狹小的間隙。 隨著與壓力相關(guān)勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，空氣速度(v)增加，而壓力(P)下降。空氣快速的流過(guò)收縮的斷面，低壓成為了周圍空氣被吸入其尾部，并覆蓋軌道的驅(qū)動(dòng)力。 當(dāng)冷暖天氣交替時(shí)，將帶來(lái)壓力差和由此所產(chǎn)生的恢復(fù)平衡的吸力效應(yīng)。而這一效應(yīng)在數(shù)據(jù)中心引發(fā)了相關(guān)的問(wèn)題。

圖1：文丘里效應(yīng)的本質(zhì)：狹窄通道導(dǎo)致風(fēng)速增加，反過(guò)來(lái)又導(dǎo)致了較低的空氣壓力。

2、數(shù)據(jù)中心的文丘里效應(yīng)

　　圖2：數(shù)據(jù)中心的文丘里效應(yīng)

數(shù)據(jù)中心行業(yè)中最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)之一是維持高效的熱管理，同時(shí)滿足更大的IT負(fù)載需求。傳統(tǒng)的氣候控制系統(tǒng)利用空氣作為散熱的主要載體，并且通常將計(jì)算機(jī)室空調(diào)(CRAC)或空氣處理器(CRAH)作為調(diào)節(jié)機(jī)房溫度的優(yōu)選方法。然而，盡管這些在其直接專屬的工作方面(移除服務(wù)器的散熱)是有效的，但如果要從一個(gè)更為寬泛的視覺(jué)角度來(lái)看的話，他們也是非常低效的。

2.1 空氣速度和體積

CRAC設(shè)備的設(shè)計(jì)目的旨在能夠在密閉空間內(nèi)完成工作——而這也就是他們所做的工作。為了冷卻3414 KBTU /小時(shí)的服務(wù)器散熱，需要消耗2500立方英尺/秒的空氣(在供應(yīng)和返回之間的空氣溫差為22°F)。在現(xiàn)實(shí)中，許多安裝并不能達(dá)到22°F dF，因此需要消耗更多的空氣。在缺乏高速的空氣流動(dòng)的條件下，從機(jī)架充分移除服務(wù)器的散熱所需的空氣體積不可能通過(guò)CRAC單元來(lái)提供，因?yàn)镃RAC單元通常很小，并且不能在不加速速度的情況下傳送所需的空氣量。

數(shù)據(jù)中心中最高的空氣流動(dòng)速度發(fā)生在空氣軌跡的最小部分內(nèi)，在大多數(shù)情況下，這往往是在CRAC單元的出口處，即，在高架地板下的區(qū)域或在服務(wù)器通道之間的走廊中。使用常規(guī)氣候解決方案的數(shù)據(jù)中心的空氣流通速度一般會(huì)超過(guò)16.5英尺/秒，通常達(dá)到26 - 33英尺/秒。

當(dāng)數(shù)據(jù)中心的負(fù)載遠(yuǎn)低于最大設(shè)計(jì)容量時(shí)，也可能是這種情況。這些低效率有時(shí)可能源于數(shù)據(jù)中心中的通道和機(jī)架行之間的設(shè)計(jì)不良的空氣流。每個(gè)時(shí)間單位所需的空氣量與服務(wù)器中所消耗的能量和服務(wù)器中的空氣溫度的升高直接相關(guān)。

由于空氣泄漏，循環(huán)空氣的體積在大多數(shù)數(shù)據(jù)中心達(dá)到每1000KBTU / hr的1038立方英尺 / s的水平。不用說(shuō)，大量的空氣需要在數(shù)據(jù)中心循環(huán)，以保持所需的溫度。

2.2 氣壓

由于大量空氣的高速流動(dòng)導(dǎo)致局部的靜態(tài)氣壓下降，會(huì)對(duì)室內(nèi)的壓力條件有很大的影響。

26英尺/秒的空氣流速將會(huì)對(duì)氣壓產(chǎn)生大約0.058 psi下降的影響。在一個(gè)設(shè)計(jì)不良的服務(wù)器機(jī)房，這些壓力的差異是相當(dāng)顯著的，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響到服務(wù)器風(fēng)扇的散熱能力，并可能很容易產(chǎn)生熱點(diǎn)。其也會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器冷卻器風(fēng)扇的高電力消耗，因?yàn)樗麄冃枰a(bǔ)償和克服氣流阻力。

　　圖3：與高速的空氣流動(dòng)相關(guān)的壓力差

3、文丘里效應(yīng)的影響

大量的空氣流從CRAC單元以高速度進(jìn)入高架地板下方的白色空間，在機(jī)房中產(chǎn)生不需要的壓力變化。當(dāng)?shù)蛪涸诜?wù)器的入口側(cè)時(shí)，局部出現(xiàn)的低壓力可以以兩種方式影響服務(wù)器的工作：

① 這使得服務(wù)器中的冷卻風(fēng)扇更難或不可能通過(guò)服務(wù)器吸入足夠的空氣量;

② 由于驅(qū)動(dòng)力的作用，熱空氣可能會(huì)找到一種方式進(jìn)入服務(wù)器側(cè)，這種低壓對(duì)周圍空氣施加，減少了可用的冷空氣量。

圖4：由于文丘里效應(yīng)和壓力差，負(fù)壓在機(jī)架的下部發(fā)生，從背面向前吸入空氣。同時(shí)，在中間部分存在正常壓力，在上部存在過(guò)壓。由此導(dǎo)致的結(jié)果是，在服務(wù)器機(jī)架的下部和上部會(huì)發(fā)生熱點(diǎn)和冷卻不足。

圖5表示了一個(gè)CFD模擬，其中熱點(diǎn)可以在冷通道的底部看到，剛好在服務(wù)器入口側(cè)的前面。這種情況通常發(fā)生在靠近CRAC單元的空氣出口的位置。低壓使得服務(wù)器風(fēng)扇難以吸入冷空氣，而熱空氣則找到通往前側(cè)的方式來(lái)填補(bǔ)空隙。

　　圖5：CFD模擬

4、處理壓差的常規(guī)解決方案

采用超壓

克服這些不希望產(chǎn)生的壓力差的最廣泛使用的解決方案之一是施加過(guò)壓。然而，所施加的壓力并不會(huì)完全補(bǔ)償服務(wù)器機(jī)房?jī)?nèi)的每個(gè)部分中的壓力下降，因此某些熱點(diǎn)將繼續(xù)保留。

此外，在數(shù)據(jù)中心中施加過(guò)壓可能會(huì)在不經(jīng)意地導(dǎo)致空氣泄漏。而防止泄漏的成本不僅相當(dāng)高昂，而且為了彌補(bǔ)壓力損失，在機(jī)房?jī)?nèi)還需要額外的40%的空氣流通。具有諷刺意味的是，這將產(chǎn)生更高的空氣流通速度，并與之形成一個(gè)雪球效應(yīng)。

很明顯，施加超壓會(huì)顯著增加能量消耗，導(dǎo)致風(fēng)扇磨損并導(dǎo)致較低的返回溫度，這本身就導(dǎo)致在機(jī)械或免費(fèi)空氣冷卻過(guò)程中甚至更低的能量效率需要取決于室外溫度。

在恒定空氣流量系統(tǒng)中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)控制裝置(空氣阻尼器，可調(diào)節(jié)的地板磚等)來(lái)控制空氣流量。然而，在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心中，空氣流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是恒定的，導(dǎo)致關(guān)于空氣的需求和空氣的流量情況是動(dòng)態(tài)的，需要持續(xù)調(diào)整裝置，以控制空氣流量或壓力。

　　采用超壓會(huì)增加成本：

浪費(fèi)能源

冷卻無(wú)效

加壓系統(tǒng)

復(fù)雜的控制

　　圖7：與服務(wù)器機(jī)房壓降相關(guān)的能耗

5、低速通風(fēng)如何處理壓差

從壓力控制轉(zhuǎn)向空氣供應(yīng)的可用性

隨著成本效益和安全的氣候控制系統(tǒng)的需求日益增加，低速通風(fēng)解決方案處在了一個(gè)大規(guī)模的模式轉(zhuǎn)變的最前沿。低速通風(fēng)方式解決了與CRAC相關(guān)的問(wèn)題，高風(fēng)速和文丘里效應(yīng)簡(jiǎn)單有效擺脫高氣流速度。 手頭的任務(wù)仍然是相同的——借助每秒大量的空氣流動(dòng)來(lái)為服務(wù)器提供冷卻。該解決方法很簡(jiǎn)單，并提供了許多好處：在一款LSV系統(tǒng)中用于冷卻的大橫截面積使得空氣速度保持較低，并且不會(huì)發(fā)生文丘里效應(yīng)。在數(shù)據(jù)中心使用LSV技術(shù)，空氣以3.3-4.9英尺/秒的速度移動(dòng)。壓力差和文丘里效應(yīng)的負(fù)面影響在較高的空氣速度下開(kāi)始發(fā)生。傳統(tǒng)的氣候控制系統(tǒng)是基于強(qiáng)制空氣循環(huán)的想法。而在這種系統(tǒng)中，CRAC單元的轉(zhuǎn)向參數(shù)是溫度和壓力。這種轉(zhuǎn)向原理幾乎是不可避免的，因?yàn)閿?shù)據(jù)中心中對(duì)于壓力情況的控制在防止熱點(diǎn)以及在服務(wù)器的可靠操作中起到如此重要的作用。然而，使用低速通風(fēng)方法，壓力相關(guān)的問(wèn)題不起重要作用，因?yàn)閴毫梢愿鶕?jù)客戶的愿望(0-0.0007Psi)設(shè)定。基本上，阻止壓力差，并且除了明顯的事實(shí)之外，這將顯著地減少循環(huán)空氣所涉及的能量消耗，其還使得氣候控制更容易。

數(shù)據(jù)中心氣候控制的方法需要從“誘導(dǎo)空氣循環(huán)”轉(zhuǎn)變到“空氣供應(yīng)的可用性”的模式。控制系統(tǒng)可以大大簡(jiǎn)化，并且系統(tǒng)變得更加強(qiáng)大。

就像健康呼吸的生物一樣，服務(wù)器也需要足夠的空氣。當(dāng)提供足夠的空氣量時(shí)，服務(wù)器可以照顧自己，但這需要一種新的方式來(lái)看待氣候控制——其中唯一相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)是服務(wù)器是否可以使用冷空氣。

實(shí)現(xiàn)低速通風(fēng)有兩個(gè)主要條件：

① 在空氣處理單元，以及在數(shù)據(jù)中心中的沿著空氣回路的橫截面面積必須足以保證低風(fēng)速。這可以防止不需要和不必要的壓力差，并完全消除了施加壓力的需要。

③ 一款氣候控制系統(tǒng)確保輸送足夠量的空氣，并測(cè)量冷空氣供應(yīng)和熱空氣返回之間的平衡。來(lái)自服務(wù)器的增加空氣的需求將由系統(tǒng)的智能管檢測(cè)，然后LSV系統(tǒng)將開(kāi)始供應(yīng)更多空氣。

在恒定空氣流量下降低空氣速度意味著增加沿著空氣回路軌跡的橫截面積。特別是，LSV服務(wù)器冷卻技術(shù)需要不同的空氣返回的幾何形狀，即分離通道。

在數(shù)據(jù)室內(nèi)，對(duì)于空氣流量泄漏的測(cè)量被放置在服務(wù)器機(jī)房和熱空氣通風(fēng)室之間，指示冷空氣是否短缺或過(guò)剩。LSV冷卻器中風(fēng)扇的轉(zhuǎn)向?qū)⑵胶鈹?shù)據(jù)室中冷空氣的供應(yīng)和需求。

　　圖8：空氣的可用性

6、結(jié)論

來(lái)自CRAC單元的窄口高風(fēng)速在這個(gè)空白空間產(chǎn)生了壓力差，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生額外的費(fèi)用。施加超壓以彌補(bǔ)壓力的損失不僅會(huì)增加風(fēng)扇的磨損，同時(shí)也增加了能源費(fèi)用，而且還需要額外的昂貴的解決方案，以盡量減少進(jìn)一步的漏風(fēng)資金，以便可以更有效地利用到其他地方。

你數(shù)據(jù)中心是否可以將這些壓力差最小化呢?其實(shí)Alfa Laval公司的低通風(fēng)系統(tǒng)就可以讓您做到這一點(diǎn)，并且由于其需要更少的控制設(shè)備和電氣基礎(chǔ)設(shè)施，并且不需要防漏，初始投資通常低于現(xiàn)有解決方案。