【原】专业：数据中心的2大气流组织形式

数据中心的冷却对象主要是电子信息设备，其要求环境的温湿度波动范围小。传统家用空调的特点是显热比低，温湿度控制精度差，难以直接在数据中心应用，所以数据中心必须采用专用的精密空调。本期我们就来看一看数据中心的环境特点和气流组织形式。

数据中心对环境要求

要了解数据中心对环境的要求，我们最先要了解的是由ASHRAE TC9.9委员会发布的《数据处理设备热指南》。这项指南一共进行了4次修改发布，最初发布是2004年版的。

2008年版本：扩大了温湿度的建议范围。

（1）从温度的角度分析，温度过低会造成过度冷却，不仅增加了冷却设备的能耗，而且容易产生凝露，造成元器件腐蚀或短路；温度过高会造成电子设备过热而发生运行故障的概率增大。

（2）从湿度的角度分析，湿度过低容易产生静电，湿度过高会产生凝露，这些现象都会给元器件造成损坏。

当前主流厂家的电子信息设备均能够在进风温度18～27 ℃下良好运行。正是基于电子信息设备自身运行环境日渐宽松，其本身耐热耐燥能力逐渐增强，因此，当前主流厂家的电子信息设备均能够在进风温度18~27 ℃下良好运行。

表1  ASHRAE TC9.9数据中心温湿度的建议范围

2011年版本：更新了服务器进风温度的分级等级。

（1）增加了温湿度建议范围。

2011版《数据处理设备热指南》的温湿度建议范围在焓-湿图上的温湿度包络区域如图1所示，最里面的包络区域为ASHRAE TC9.9委员会推荐的温湿度区域，其他包络区域由内向外逐步扩大，依次分别为A1，A2，A3和A4四个等级区域。

图1  ASHRAE TC9.9（2011版）温湿度建议范围在焓-湿图上的表示

（2）2011版分级的温湿度推荐范围与2008年版保持一致，温湿度允许范围有些变化。

表2  ASHRAE TC9.9（2011版）数据中心温湿度推荐范围和允许范围

（3）将2008版的数据中心温湿度范围（分为1级和2级）调整为2011版的A1，A2，A3和A4四个等级。

表3 ASHRAE TC9.9的2008版和2011版数据中心环境分级

2015版本：温湿度推荐范围的湿度要求有所变化。

2015版本数据中心温湿度建议范围如表4所示。相比2011版，变化主要在于统一了A1，A2，A3和A4等级的温湿度推荐范围的湿度下限，如图2所示。

表4  ASHRAE TC9.9（2015版）数据中心温湿度推荐范围和允许范围

图2  ASHRAE TC9.9 的2011版和2015版数据中心温湿度推荐范围的比较

      这意味着将来对数据中心的加湿要求有所降低，数据中心可以容忍的最低相对湿度为8％，数据中心几乎不用加湿。这个变化会直接影响今后机房精密空调的研发设计与加工生产，并且为节能提供了一定空间。

数据中心的气流组织形式

1、 电子信息设备的气流组织  

电子信息设备的气流组织形式主要3种，如图3所示。

图3  电子信息设备的气流组织

第一种：F-R形式

它是当前电子信息设备的主流气流组织，是服务器等设备的典型进出风方式，服务器的这种进出风方式也是目前最易对服务器进行冷却的一种气流组织，且常见于冷或热通道封闭的方案中；

第二种：F-T形式

它是传输设备（比如交换器等）的典型进出风方式。

第三种：F-T/R形式

也是传输设备（比如交换器等）的典型进出风方式，常见于运营商的传输机房，并且该气流组织不易进行冷却方案的实施，容易造成冷热气流混合。

如前文所述，电子信息设备的主流气流组织形式为前进风-后出风方式，因此，电子信息设备的主流冷却方案是基于该方式设计的。

常见的电子信息设备冷却方案（这里不讨论芯片级液冷，因为其还未成主流）包括机柜级主动式冷却（图4）、机柜级被动式冷却方案（图5）、行级冷却方案（图6）。

图4  机柜级主动式冷却方案

图5  机柜级被动式冷却方案

图6  行级冷却方案

机柜级主动式冷却方案就是业内常说的水冷机柜，可以近似认为是一个“冰柜”，将IT设备直接放在水冷机柜内进行冷却，一般常见于超级计算机中心这类高性能计算场所，其冷却介质一般是水。

机柜级被动式冷却方案是近几年中国移动主推的冷却方案，业内称之为水冷背板或热管背板，其冷却介质既可以是水，也可以是制冷剂。之所以称为被动式冷却，原因是冷却单元只有换热盘管，没有风机，完全依赖服务器自身的风机提供风压。

行级冷却方案是目前行业客户和运营商常用的方案。它采用封闭通道的方式，一般情况下是封闭冷通道形成冷池，对整列服务器机柜进行封闭式集中冷却，并且很多运营商在当前节能减排的背景下，纷纷采用这种方案对老旧机房进行节能改造，以达到降低机房PUE的目的。

2、  数据中心机房级气流组织    

数据中心机房级气流组织形式是与数据中心行业的发展密不可分的。

数据中心发展的早期，气流组织形式就是如图7所示的风帽送风方式，现在很多老旧的运营商机房里还能见到这种传统的送风方式，其实还是摆脱不了民用空调气流组织方式的影子。这种风帽送风的气流组织形式提供的送风距离较短，一般在机外余压200 Pa的情况下，送风距离为15 m。

图7  风帽送风方式

随着信息技术的发展，电子信息设备的集成度越来越高，发热量越来越大，导致单机柜功率密度达到3~5 kW。如果继续采用风帽送风方式，就会导致数据中心出现局部热点。

因此，如图8所示的地板下送风方式应运而生，并且在相当长的一段时间内成为气流组织的主流形式，直到现在这种方式在数据中心依然随处可见。地板下既是送风静压箱，也是线缆布放空间。当采用地板下送风且地板下同时布防线缆时，地板下静压箱高度不宜低于500 mm，数据中心的层高不宜低于3 000 mm。

图8  地板下送风方式

当电子信息设备的功率密度进一步提高后，即使采用地板下送风也会产生局部热点。需要对数据中心局部过热的机柜进行精确送风冷却。

图9所示的风管送风方式是最直接的精确送风方式之一。风管送风方式送风距离远，并且对过热设备定点精确冷却，很好地解决了局部热点问题。但是，风管送风要求精密空调的机外余压足够大，以保证足够的送风距离和风量。另外，这种气流组织形式对风管的设计和施工工艺要求较高。

图9  风管送风方式

当前数据中心的单机柜功率密度一般设计在5~10 kW之间。如此高的散热量除了采用封闭通道方式对机柜列进行冷却，还需要对机柜就近送风冷却。图10所示的水平送风方式是这一方案的典型代表。

将精密空调直接部署在机柜列间，最短距离的靠近冷却对象，从而对机柜就近送风冷却。这种气流组织的好处是便于机柜和精密空调以模块方式部署，使得数据中心的业务与投资根据实际需求按需扩展和平滑过渡。

图10  水平送风方式

还有2种就近送风的气流组织形式，分别是图11所示的通道顶部送风方式和图12所示的机柜顶部送风方式。

图11  通道顶部送风方式

图12  机柜顶部送风方式

      这2种气流组织常见于高热密度数据中心场景中，既可以作为主用的气流组织形式，也可以作为其他气流组织形式的补充，对高热密度机柜进行辅助就近送风冷却。其实这2种气流组织形式最符合冷气流下沉、热气流上升的热力学原理，但其缺点是在工程实施上不容易进行通道封闭。

      如果不对通道进行封闭，就会出现图13所示的环流现象和图14所示的旁流现象。这2种恶劣的气流现象都会造成气流组织混乱，出现冷热气流混合，导致冷量流失和浪费。常见的评价数据中心气流组织的指标有机架冷却指数（RCI）、回风温度指数（RTI）、供热指数（SHI）和回热指数（RHI）。

图13  环流现象

图14  旁流现象

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