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数据机房气流组织的发展趋势
添加时间:2017-07-11
        所有传输至数据中心内IT负载的电能最终都将转化为热能,必须被排出去,以避免过热。事实上所有IT设备均借助气流冷却,即每一台IT设备都从机房环境中吸入冷空气,再将热空气排放到房间中。由于一个数据中心可能包含数千台IT设备,其结果是数据中心内有数千条热气流路径,它们的总和构成数据中心总的热气流输出;热量必须被移除。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。
        房间级制冷是实现数据中心冷却的传统方法。在这种方式中,通过一台或多台并行工作的空调系统将冷空气输送到数据中心内,并吸取机房环境中较热的空气。这种方式的基本原理是空调机不仅提供原始制冷量,还要充当一个大型混合器,在机房内不断搅拌和混合空气,使之达到均匀的平均温度,防止热点出现。这种方式只有在混合空气所需功耗仅占数据中心总功消很小一部分时才有效。数据模拟和实验表明,当数据中心的平均功率密度为每台机柜1~2kW量级时房间级制冷才有效,换算为单位面积功率密度为323~753W/㎡(30~70W/ft2)。可以采用各种各样的方法提高房间级制冷系统所支持的功率密度,但是始终会遇到极限。然而,现代∏设备的功率密度正在将峰值功率密度推高至每台机柜20kW或更高,其数据模拟和实验表明,依靠空气混合的房间级制冷已不再能有效地起作用。
        为解决这一问题,出现了新的关注于行级或机柜级制冷的设计方式。在这些新设计方式中,特别将空调系统与机柜行或单独的机柜集成。这样可以使可预测性大大提升,并可解决更高密度的散热问题,提升效率,另外还有许多其他优点。接下来,将对各种不同的制冷方式进行介绍和对比。结果将显示,这三种方式各有其相应的应用,总体而言,对于更高密度的应用场所,预期将出现从机房级制冷转向行级制冷的趋势。
 
1、房间级、行级和机柜级制冷架构
        每一套数据中心制冷系统均有两项主要功能:提供总制冷量,并将冷空气分配至IT负载。第一项提供总的制冷容量的功能对所有制冷体系结构均相同,即空调系统的总制冷量(以kW为单位)必须大于IT设备总功率负载的容量(kW)。不管制冷系统是在房间级、行级还是机柜级的设计,都需要满足这一功能。各种制冷体系架构之间的主要差异在于它们如何执行第二项关键功能,即向负载分配冷空气。与电流分配不同,电流被约束在线缆内且作为设计组成部分清晰可见,气流只是大体受机房设计的约束,实际气流在实施过程中并不可见,并且在不同设施上会有相当大的区别。对气流的掌控是不同的制冷系统设计方式的主要目标。
        机房空调机组的实际物理布局可能有所不同。在房间级制冷架构中,机房空调机组与机房相关联;在行级制冷架构中,CRAC机组与机柜行相关联,而在机柜级制冷中,CRAC机组则被分配至单个机柜。
 
2、房级制冷架构
        在房间级制冷架构中,CRAC机组与机房相关联,并行工作以应对机房的总体热负载。房间级制冷架构可能由一台或多台机房空调组成,机房空调提供完全不受管道、风门、通风口等约束的冷空气,或者供风和/或回风可能受到高架机房地板或顶部压力回风系统的部分约束。
        在设计中,对气流的关注通常有很大的不同。对于较小的机房,机柜有时会随意摆放,气流系统因此没有系统规划。对于较大、较为复杂的数据中心,可利用机房高架地板将冷空气分配到经过周密规划的机柜冷通道,其目的很明确,即引导气流并使之与IT机柜对应。
        房间级制冷架构的设计受机房物理特性的影响很大,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。其结果是可预测性和均一性较差,特别是在功率密度增大时更是如此。因此,可能需要利用流体动力学计算模型(CFD)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。特别地,确保机房空调的冗余性将变得非常复杂并难以验证。
        房间级制冷体系架构的另一个明显缺点是,在大部分情况下机房空调的制冷量并未完全得以利用。这种状况通常由机房设计造成,机房空调送出的冷空气有相当一部分绕过IT负载直接返回机房空调,这部分短路循环的气流并没有对IT负载实施冷却,实质上是降低了机房空调的总制冷量。将导致即使在机房空调的附加制冷(kW)尚未完全利用,IT设备的制冷要求也可能超出CRAC的制冷容量。
 
3、行级制冷架构
        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机柜之同,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的布局。
        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。这不是一个小优点,因为对于许多负载较低的数据中心,机房空调风机功率损耗这一项的功耗就会超过总IT负载功耗。
        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TT设备,如交换机。此外,对具体行可针对性地采用N+1或2N式冗余设计。
        行级制冷架构可以应用于无高架地板的环境。这样可以提高地板的承载能力,降低安装成本,不再需要入口坡道,并使得数据中心可以设在没有足够净空来安装高架地板的建筑物内。这一点对高密度数据中心尤为重要,因为其机房高架地板的高度可能需要1m或更高。

        服务器排出的热空气可通过三种方式被传送到空调:无气流遏制系统、热通道气流遏制系统及机柜气流遏制系统。这些方法均采用行级制冷概念(将空调机置于距IT机柜几步范围内)。下面分别以介绍。
        1. 无气流遏制系统
        无遏制区域采用热通道和冷通道的标准布局和标准宽度来防止冷热气流的混合。为此,开放区域取决于一行内的多台机柜,对独立制冷IT机柜不起作用。由各行机柜(在某些情况下还包括墙壁)形成的冷、热通道对冷、热气流进行隔离。IT设备机距离行级空调越近,热空气的捕获量和被制冷的量也越大。随着IT机柜与行级空调机之间距离的增加,数据中心内热空气与周围空气的混合也就越多。
        何种情况下采用本方法:
        (1)IT机柜处于经常会移动和重新定位的区域。
        (2)使用的IT机柜来自多个不同的厂商。
        需要权衡的因素:即便是在较低密度下仍需要更多的行级空调,以便很好地收集来自所有IT机柜的热废气。
        2. 热通道气流遏制系统
        热透道气流遏制区域与无气流遏制区域基本相同,只是每两行之间的热通道均被遏制。热透道通过天花板及通道两端的门加以封闭,成为废热排放通道。此外,机柜的后门被去除。废热被遏制系统隔离,不能与数据中心环境空气相混合。需要一面墙壁成另一排机柜来构成冷通道,以隔离冷空气供应。
        何种情况下使用本方法:
        (1)在必须节约占地面积的情况下此方法被普遍采用,因为它与两行低密度机框的占地面积相同。
        (2)在采用热通道、冷通道布局的数据中心。
        需要权衡的因素:
        (1)热通道遏制挡板会提高基建成本。
        (2)热通道遏制可能因为热通道内高温而超出工作环境规定限制。
        (3)与某些类型的电缆、配电条、标签及其他并非针对高温设计的材料不兼容。
        (4)不能对单行机柜使用。
        (5)法规监管机构可能要求热通道内有灭火设施。
        3. 机柜气流遏制系统
        机柜遏制系统(也称为“机柜气流遏制系统”)与热通道气流遏制类似,只是利用设备机柜的后框架和一系列挡板形成后部气流通道将热空气加以遇制。此通道可被连接至一台IT机柜或一排机柜。用于构建热空气通道的挡板会使常规机柜的深度增加20cm(8 in)。在必要时,可选用一系列的前挡板将冷、热气流完全遏制。这种可选的前部遏制将使机柜深度再增加20cm(8 in)。
        何种情况下使用本方法:
        (1)在热通道气流遏制系统为优选方法的情况下,只剩一个奇数行为无气流遏制系统。
        (2)要求经常操作且便于管理通信电缆时。
        (3)在独立开放式数据中心环境或混合式布局等情况下需要实现完全隔离时——仅当可选的前部气流遇制系统应用时。
        (4)在缺乏任何形式的制冷、高密度设备放置于高温下的布线室内——仅当可选的前部气流遏制系统应用时。
        (5)高要消音时——仅当可选的前部气流遏制系统应用时。
        需要权衡的因素:
        (1)前方和后方密封挡板会增加基建成本。
        (2)在单一机柜配置中,当需要制冷冗余时,成本会大幅增加。
 
4、机柜级制冷架构
        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(每台机柜最高50kW)。
        与行级制冷类似,除具有高密度能力之外,机柜级制冷架构还有其他独有的特性。气流路径缩短可降低风机功耗,提高效率。如前所述,这并不是一个小优点,因为对于许多负载密度较低的数据中心,机房空调风机功率损耗这一项就会超过总的IT负载功耗。
        机柜级制冷设计可以针对目标机柜的实际需求确定制冷量和冗余度。例如,对刀片式服务器和网络交换机可采用不同的功率密度。此外,对具体机柜可针对性地采用N+1或2N式冗余。相比之下,行级制冷架构只能在机柜行这一层级规定这些特性,而房间级制冷架构仅允许在机房级指定这些特性。
        由于机柜级制冷架构特定的物理形状使制冷性能可以预测,因此完全可由制造商加以表征说明,而且完全不受机房几何形状或其他机房约束条件的影响。这使功率密度范围及设计都得以简化。
        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。
 
5、混合型制冷架构
        房间级、行级和机柜级制冷架构可以在同一数据中心中不受限制地任意组合使用。事实上,很多数据中心都适合采用湿合型制冷架构。

        (1)房间级制冷:向机房送风,但主要服务于布局诸如通信设备、低密度服务器及存储器的低密度区域。目标密度为每台机相1~3kW,323~861W/㎡(30~80w/ft2)。
        (2)行级制冷:向配备刀片式服务器或IU服务器的高密度或超高密度区域供风。
        (3)机柜级制冷:向独立的高密度机柜或超高密度机柜供风。行级和机柜级制冷架构的另一有效应用是,将现有采用房间级制冷的低密度数据中心的功率密度提升。在此情况下,现有数据中心内机柜的小群组配备行级或机框级制冷系统。行级或机柜级制冷设备可有效地隔离新的高密度机柜,使其事实上与现有房间级制冷系统“没有热关联”。通过这种方式,高密度负载可被叠加到现有低密度数据中心内,而不需要改动现有房间级制冷系统。
        对上述总结和分析将得出以下结论:
        (1)房间级制冷架构灵活性差、布局困难,且在高密度条件下运行效果差,但在较低密度应用方面具有投资成本低和简便等优势。
        (2)模块化行级制冷架构在灵活性、布局速度和解决高密度方面具有许多优势,但投资成本上却与房间级制冷架构类似。
        (3)模块化机柜级制冷架构最为灵活、布局迅速,并可解决极高的负载密度,但是投资成本最大。
        以上介绍的数据机房实际的气流组织非常复杂,气流组织的好坏还与空调的布置、机柜的布置方式、地板的高度选择、风管的截面和制作等因素相关。
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