制冷架构类型的优化应用和发展趋势

郝一舟++张强

[摘 要] 数据中心的制冷和节能一直以来都是数据中心建设的重点，选择合适匹配的制冷架构，不仅能更好的满足数据中心的制冷需求，而且还能更节约更环保的降低整体数据中心的PUE值。本文通过对常见的几种制冷架构的参考和分析，把握趋势和实际水平相结合，采用契合的制冷架构，来提高能源的利用价值和效率，进一步满足各数据中心的实际应用。

[关键词] 制冷；节能；PUE；数据中心

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2016. 21. 034

[中图分类号] TP308 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2016）21- 0074- 02

1 常见数据中心制冷架构

所有传输至数据中心内的IT负载的电能最终都将转化为热能，必须被排出以避免过热。空调系统对数据中心的作用就是高效率地收集这些复杂的热气流并将其所携带的热量排出机房之外。对于数据中心的制冷方案和整体架构的优化方式，原则上有三种选择，房间级制冷（room-oriented cooling）、行间级制冷（row-oriented cooling）、机柜级制冷（rack-oriented cooling）。

2 架构与趋势介绍

在房间级制冷架构中，CRAC（Computer Room Air Conditioner，计算机机房空调）机组与机房相关联，并行工作以应对机房的总体热负载。由于被局限到了房间级，其制冷架构可能由一台或多台机房空调组成，机房空调提供是不局限于管道、风门、通风口等约束的冷空气。

但房间级制冷架构的设计受机房物理特性很大影响，包括天花板高度、机房形状、地板上下的障碍物、机柜布局、机房空调的位置、IT负载功率密度分布等因素。其结果是可预测性较差，特别是在功率密度增大时更是如此。因此，可能需要利用CFD（Computational Fluid Dynamics，流体动力学计算模型）对设计安装细节进行计算。此外，诸如IT设备移动、增加及变更等也可能使性能模型失效，而需要进一步的分析和测试。而房间制冷的冗余性也难以真正计算确认。

在行级制冷架构中，机房空调机组与机柜行相关联，以针对特定机柜行为设计目的。机房空调机组可以安装在IT机柜之间，可以架空安装，也可以在地板下安装。与房间级制冷架构相比，其气流通路较短，且更为明确。此外，气流可预测性要好很多，机房空调的全部额定制冷量均可得到利用，并可以实现更高密度布局。

除制冷性能之外，行级制冷架构还有许多其他优点。气流路径缩短可降低空调风机功率，提高效率。行级制冷设计可以根据目标机柜行的实际需求确定制冷量和冗余度。例如，行级制冷架构允许一行机柜高密度应用，如安装了刀片式服务器，而另一行机柜则应安装较低密度的IT设备。此外，对具体行可针对性地采用N+1 或2N式冗余设计。

在机柜级制冷中，机房空调与机柜相关联，以冷却特定机柜为设计目的。空调机组直接安装在IT机柜上或其内部。与房间级或行级制冷架构相比，机柜级制冷气流路径更短，且定义更为准确，使得气流完全不受任何设施变动或机房约束条件的影响。机房的全部额定制冷量均可得到利用，并可实现最高的负载密度。与高密度机柜的是虚拟化和云计算大数据发展的趋势，而针对高密度机组的模块化制冷也是契合强电模块化配电的发展趋势。而对高密度数据的能耗也是重要的考虑原因。

这种方式的主要缺点是相比其他方式需要大量空调设备及相关管路，特别是在较低负载密度的情况下更是如此。

3 各制冷架构分析

机柜级制冷架构的电力成本一贯较低，因为机房空调紧靠负载并匹配良好，并针对负载进行选型配置。所以不必要的气流能得以避免。

房间级制冷架构的电力成本在低功率密度时很低，但随着机柜平均功率密度超过3kW之后，将发生显著的退化。这实际上是由于需要将更多空气移动较长的距离，而且机房空调需要消耗更多电力方可搅拌或混合机房内的空气以避免热点出现。

行级制冷架构的相关电力成本在低密度下表现较差，但在较高密度下会有显著的改善。随着负载密度的增大，行级制冷的设计则具有最高的效率和最低的电力成本。这是因为空调机组紧靠热源与负载匹配良好，空调可用制冷量在高密度下得以保持，而且冗余设计使空调机组可以支持多个机柜。

主要参考文献

[1]郑贤清，葛昌荣.某高密度数据中心散热解决方案设计[J]. 电子质量，2015（8）.

[2]辛建华.基于气流组织优化技术的数据中心机房节能减排运用[J]. 广东通信技术，2015（2）.

[3]陈钢.机房高热密度机柜空调解决方案[J]. 华南金融电脑，2010（8）.