王雷 梁泰崧 曾光 梅洋 邓君
[摘 要]数据中心机房是数据化时代最重要的基础设备，文章深入了解环境系统在数据中心机房的应用，希望通过本文的研究能够更加全面地了解环境系统在数据中心机房中的具体应用，也为后期更好地应用环境系统控制数据中心机房的运行条件提供参考。
[关键词]环境系统;数据中心机房;大数据
[中图分类号]TP308;TP277 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）12–00–03
[Abstract]The data center room is the most important basic equipment in the era of data. This paper deeply understands the application of environmental system in the data center room， hoping to more comprehensively understand the specific application of environmental system in the data center room through this research， and also provide reference for the later better application of environmental system to control the operating conditions of the data center room.
[Keywords]environment system; data center computer room; big data
數据中心机房在运行过程中需要使用精密冷却空调来实现温度控制，主要是降低机房内部的温度，负荷是中心机房内的各种计算机设备和电力设备的发热量，其中最主要的是服务器、存储、网络等主设备，这些设备在运行中产生的热量是机房中总热量的80%。而且随着大数据时代的不断发展，需要使用的服务器集成密度持续增高，服务器机柜设备逐渐演变为机房内的热岛区域。机房服务器类负荷的最高散热量也不断升高，每机柜已经超过了20 kW，传统模式下使用的地板下送风的机房精密空调系统最高能够实现单位面积4 kW/m2的供冷量。要想满足20 kW以上的冷量，需要进一步增大配置的空调机组，传统的精密空调模式无法满足当前的散热需求。如果不能合理地控制数据中心机房的散热情况，就会导致能耗直线上升，能耗成本甚至会超过数据中心机房建设成本。
1 数据中心机房概述
所谓数据中心是指在一个物理空间对大量的数据信息进行集中性的处理存储、传输交换以及管理，这一过程中需要利用各种类型的设备，比如计算机、服务器、网络通信以及存储设备等，这些设备的运行又需要诸多系统的配合支持，其中最重要的就是供电系统、消防系统、制冷系统、监控系统和机柜系统，这些是数据中心运行的关键物理基础设施，而数据中心机房就是容纳这些设备的物理空间。目前数据中心机房根据其处理数据的类型和主要实现的功能不同，基本可以分为计算机机房、电信机房、控制机房、屏蔽机房等几种不同的类型。
2 环境设备冷气流组织系统的优化
数据中心机房运行过程中使用的应用系统、服务器存储、网络设备等电子设备的精密度较高，这些设备的运行使用需要满足严格的环境条件，尤其是数据中心机房内的湿度、温度和洁净度等，其中最关键的就是环境冷气流的要求，首先要确保温度、湿度变化保持在一定的范围内，同时要确保设备能够长时间持续工作，不允许在运行过程中出现停机状况。其次在机房内需要使用多种大功率的电子设备，容量大，而且会产生大量的热排放，需要满足热量集中排放的要求，大量的热负荷需要可靠的制冷设备。另外数据中心机房一般采用密闭设计，需要将建筑空间内部的空气和噪声与外界隔离开，而且精密电子设备的运行容易受到空气中灰尘的影响，因此要满足相应的空气洁净度，因此要求数据机房使用的冷气流系统能够保持机房内部的温度和湿度均匀，而且要实现对于所有区域的温、湿度控制。精密空调的冷气流组织会直接影响到整体数据中心机房的环境因素，同时在数据中心机房中使用的系统及设备会产生大量的热量，散热量的情况也直接关系到机房设备的运行状态。因此，根据数据机房的实际运行情况设计制定专业的空调制冷方案，确保机房制冷的安全可靠、高效优化是机房冷气流组织优化的关键，其中最重要的就是精密空调的使用。
2.1 工作原理
精密空调的基本工作原理与普通空调相似，将机房内产生的热量移除到外部达到降温的效果。相比于普通空调，精密空调更加专业和智能化，一般数据中心机房使用的精密空调普遍使用独立设计，有制冷、加热、加湿、空气过滤、除湿和电加热补偿等多个独立系统组织，而且在使用过程中能够利用微处理器闭环控制系统精确地控制机房内的温度和湿度。
2.2 气流循环及冷热通道技术的优化应用
所谓气流组织就是通过系统的设计结合预定的风道、风口，将精密空调内部送出的冷风按预定的风量、风速送达到数据中心机房中需要制冷的地点，同时利用系统将设备产生的热空气回收到空调中，循环制冷的过程。数据中心机房内主要是密集度较高的各类IT设备，在运行中需要满足较大的散热需求，因此在机房内采用即下送风上回风垂直送风制冷方式最合适，能够在机房内部形成冷热循环，能够以更高的效率实现机房制冷效果。
在设备布置上采用“冷热通道”的设备布置方式，两排机柜背对背摆放在一起，两排为一组，间隔排开，间隔位置为通道，在机柜面对面的通道中间布置冷风出口，形成“冷通道”，冷流向下，并进入通道两侧的机柜设备内，完成制冷，流过设备后形成的热空气会排放到机柜背面的“热通道”中，位于热通道上方的空调系统会将热空气回收到空调系统内，整个机房内的气流流动通畅，精密空调的利用率和制冷效果都显著提升。
2.3 制冷架构类型的优化应用
目前针对数据中心机房制冷方案架构的优化主要有房间级制冷、行级制冷和机柜级制冷3种不同类型的选择，制冷架构的合理应用要基于热气流的排出方式，这也是制冷优化架构的重点内容。
2.3.1 房间级制冷架构优化应用
針对于房间级制冷架构，一般是采用机房空调机组与机房相关联的设计，共同应对机房的总体热负载。这种制冷架构一般是由一台或多台机房空调共同组成，提供的冷空气在使用中完全不会受到管道、风门、通风口等设备结构的约束影响，但是高架机房地板或顶部压力可能会约束供风或回风系统。这种结构不需要设置高架地板，可以根据机房的实际情况随意摆放机组和IT设备，由于使用过程中不对气流进行规划遏制，冷气流就会掺杂在回风气流中，影响到制冷效率，除非对于面积偏大的房间会设置冷热通道遏制。另外机房物理特性会对这种结构的制冷效果产生较大的影响，比如天花板高度、地板上下的障碍物、机房形状、机柜布局以及IT负载功率密度分布等，在运行使用中不能准确有效地预测制冷的结果，很难有效确保机房空调的冗余性。此外，这种制冷架构不能完全利用机房空调的制冷量。机房空调送出的冷空气会有一部分直接返回机房空调，并不能发挥冷却负载的作用，机房空调的总制冷量相当于被降低浪费。因此单纯的房间级制冷架构的使用逐渐减少。
2.3.2 行级制冷架构
在行级制冷架构中，将机房空调机组与机柜关联在一起，一般会在IT机柜之间安装机房空调机组，安装方式又分为架空安装和地板下安装2种，这种架构能够实现更短更明确的气流路径，而且能够比较准确地预测气流，充分利用机房空调的全部额定制冷量，布局密度更高。此外，这种制冷架构的制冷量和冗余度可以根据目标机柜行的实际需求来精准确定。行级制冷架构可以根据机房的实际情况在无高架地板的环境中使用，地板的承载能力更高、安装成本更低，如果建筑物内没有足够的净空来安装高架地板也可以使用这种架构。
2.3.3 机柜级制冷架构
在机柜级制冷架构中，机房空调机组与机柜相关联，针对性的冷却特定机柜。一般情况下会直接在机柜上方或内部安装机房空调机组，这种制冷架构工作时的气流路径更短，设施变动或机房不会对气流的运动产生约束影响，风机功耗也会更低。在使用中可以充分利用全部额定制冷量，负载密度也能最大程度的实现，而且也可以针对目标机柜的实际需求确定制冷量和冗余度。
2.3.4 各架构的节能应用对比
在实际设计中，受到主机房区域面积、功率密度、优化架构的电气效率等方面的影响，数据中心机房对于制冷架构的需求也不尽相同。在制冷架构的设计中，主要考虑的内容是电力成本，在总运行成本中占据较大的比例。对比3种类型的架构可以发现，机柜级制冷架构使用的机房空调与负载距离更近，而且匹配性良好，在设计时可以根据负载选型配置，减少不必要的气流，所以电力成本也相对更低。而在低功率密度时房间级制冷架构的电力成本较低，当机柜平均功率密度超过3 kW之后，这种制冷架构的电力成本会明显升高。行级制冷架构的电力成本在较高密度下的表现相对更高，在低密度下的表现相对不佳。
3 环境系统在数据中心机房的具体运用
通过前文分析可知，环境系统在数据中心机房的温度控制及节能中都有重要的作用，要想有效降低数据中心机房的能耗，控制机房的温度，进一步实现数据中心机房的节能需要从能源转换的角度来入手，改进环境系统中冷却和传热的合理化。
3.1 提高制冷能效比
目前在数据中心机房中普遍使用水冷式精密空调来降低机房散热所消耗的电能，这种精密空调能效比一般能够达到4以上，最大能达到6。在数据中心机房应用这种水冷式机房精密空调需要均衡合理的布置机房的发热量，由于机房内一般会在IT设备机柜区产生热岛，其他区域的温度相对偏低，因此在使用中可能会出现机房冷热不均，以及个别的单机柜局部过热的情况。解决这类问题可以在IT设备芯片内的散热装置中增加芯片冷却分支制冷管道，这种方法会提高机房的建设门槛，而且要求机房建设者在建设之前充分了解服务器设备的结构，对于比较复杂的设备需要产品供应商提供支持，而且在设备的运行过程中也需要专业人员进行维护。
3.2 利用环境自然新风冷源
除了在设备内部进行降温意以外，还可以在数据中心机房内采用风冷式精密空调+大型新风机共同降温的配置设计。将风冷式精密空调与自然冷风和水模方式相结合，能够将能效比达到12。比较典型代表就是IBM在超级计算机中心的设计，在该计算机中心，利用40 ℃的温水来冷却IT设备，其散热效率超过普通风冷系统的4000倍，能耗相对更低。而且这种热水还能供应给计算机中心园区的其他场所。
3.3 液冷技术
液冷技术专业上称作自然冷却系统，一般可分冷板式和浸没式2种。其中浸没式是新研究的产物，仍然处于发展初期，冷板式技术成熟，而且已经实现了产业化，国内华为、神威蓝光厂家也相继发布液冷服务器系列产品，采用液冷服务器的大型数据中心和超级计算中心也不断增加。液冷服务器在工作时，类似于冰箱，将机柜包裹在内部，精密空调的作用相当于“冷库”，这种制冷模式能够实现更高的能源效率、更低的噪音，而且能够自然冷却，绿色环保。
4 结束语
通过本文的分析可知，数据中心机房的设计会直接影响到数据处理，而环境系统的设计，尤其是冷气流组织系统的设计是影响数据中心设备运行效率的关键，未来随着信息技术的不断发展，需要处理的数据信息越来越多，数据中心机房的作用也会更加重要，人们会更加重视数据中心机房的运行，环境系统的设计要求也会更加严格，同时也会遇到更多更复杂的问题，这就需要相关人员不断加强对于数据中心机房环境系统的研究，设计更加合理的方案，以更低的能耗实现更好的节能效果，同时更好地保障数据中心的运行。
参考文献
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