數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的演進(jìn)

　　全世界包含規(guī)模較小的數(shù)據(jù)中心總量有大約850萬個，其中300萬個座落于美國，幾乎是每100個人就有一座數(shù)據(jù)中心，而它們占美國所有用電量的近2%。

　　這些數(shù)據(jù)中心所使用的IT硬設(shè)備，將所消耗的電力100%的轉(zhuǎn)化為熱能。因此，需要強(qiáng)大且高效的冷卻系統(tǒng)，但通過傳統(tǒng)的冷卻方法冷卻也需要電力，冷卻系統(tǒng)的電力需求也占數(shù)據(jù)中心總電力的50%以上，整體能源的需求是如此龐大。

　　這使數(shù)據(jù)中心成為巨大的電加熱器，而現(xiàn)今趨勢不斷地建設(shè)更多數(shù)據(jù)中心，這有可能使企業(yè)甚至國家的永續(xù)性發(fā)展變得更加困難，幸運(yùn)的是，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的冷卻模式有更高效的替代方案。用于檢測數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)運(yùn)行效率的測量標(biāo)準(zhǔn)，稱為能源使用效率或PUE。它是數(shù)據(jù)中心的總用電量與提供給IT設(shè)備的總用電量的效率比，PUE數(shù)值越低越好，標(biāo)準(zhǔn)的評級為2.0，1.4是好的，而1.0是您可以達(dá)到的最佳PUE評級。

　　傳統(tǒng)的方式：高架地板冷卻

　　在過去的半個世紀(jì)中，大多數(shù)據(jù)中心都是使用高架地板輸送加壓空氣來冷卻的方式。CRAC(機(jī)房精密空調(diào))或CRAH(機(jī)房空調(diào)處理裝置)由定速風(fēng)扇送出冷氣來冷卻，當(dāng)機(jī)柜密度較低時，這種類型的系統(tǒng)運(yùn)行良好，而且效率并不被大家列為優(yōu)先重視項(xiàng)目。但隨著時間的推移，缺點(diǎn)就被凸顯出來，舉例來說，超過2.0的PUE在這里變得很常見。

　　這種冷卻方式的最大問題是從機(jī)架底部到頂部的溫度梯度，這被稱為溫度分層?？拷匕宓姆?wù)器獲得最冷的空氣，機(jī)架頂部的服務(wù)器通常是吸入較熱溫度的空氣。如果增加氣流去緩解此問題，效率則會降低，因?yàn)槔淇諝鈺缌鬟^服務(wù)器機(jī)架的表面并與熱回流空氣混合。因此，開發(fā)了諸如冷熱信道封閉配置的策略。這些配置還可減少再循環(huán)，這種情況發(fā)生在服務(wù)器后方排出的熱空氣再被服務(wù)器前方吸入時，可能會產(chǎn)生危險的設(shè)備溫度。

　　現(xiàn)代精密空調(diào)解決方案

　　自從使用定速風(fēng)扇將空氣吹入高架地板以來，冷卻技術(shù)已經(jīng)走過了漫長的道路，機(jī)柜密度的增加使這些進(jìn)步成為必要。通過冷空氣封閉和熱空氣封閉設(shè)計，很大程度上克服了分層和旁路的局限性，機(jī)柜式空調(diào)可實(shí)現(xiàn)更高的效率。在這里，變速風(fēng)扇安裝在冷卻系統(tǒng)里且整合在同排機(jī)柜中，使數(shù)據(jù)中心操作員能夠更精密的控制溫度和能耗，這些變速風(fēng)扇消耗的能耗明顯低于使用定速風(fēng)扇的系統(tǒng)。

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　　節(jié)能空調(diào)的使用正在增加

　　經(jīng)過數(shù)十年的數(shù)據(jù)中心建設(shè)，很難去想象冷卻系統(tǒng)還有很大的發(fā)展應(yīng)用空間。物理學(xué)的基礎(chǔ)并沒有被改變, 但應(yīng)用的方式有很大的差異。部分原因可以解釋為全球地理位置的氣候差異，最有前景的數(shù)據(jù)中心冷卻節(jié)能方式之一被稱為自然冷卻或節(jié)能空調(diào)。在這種方法中，外部空氣被用于冷卻水塔或帶走冰水機(jī)的熱能，該方法當(dāng)然取決于數(shù)據(jù)中心外的空氣溫度是否足夠低以提供必要的冷卻，較涼爽的氣候在這里具有決定性的優(yōu)勢。

　　電力不是機(jī)房消耗的唯一資源

　　使用冷卻水塔做為冷卻數(shù)據(jù)中心的解決方案會消耗大量的水。 然而，許多數(shù)據(jù)中心位于世界干旱地區(qū)。即使不是，水也是一種寶貴的自然資源，我們必須努力保護(hù)它。從表面上看，這至少對于干式冷卻系統(tǒng)來說似乎是有利的，但從更全面的角度來看，我們還必須考慮石化燃料發(fā)電廠的蒸汽階段也消耗水，如此多的水，干式冷卻系統(tǒng)所需的額外能耗導(dǎo)致干式冷卻的耗水量高于現(xiàn)行冰水機(jī)。

　　具有低PUE的外氣冷卻方式

　　有一件事是確定的導(dǎo)入新的方法將是必要的! 最有希望但也有問題的方法之一是使用新鮮的外部空氣來冷卻數(shù)據(jù)中心，有了外部空氣，PUE可以達(dá)到非常接近1.0，正如Yahoo用“雞舍”設(shè)計所證明的那樣。其實(shí)，為機(jī)房導(dǎo)入外部空氣涉及多個挑戰(zhàn)，室外溫度需要足夠冷，以便為IT設(shè)備提供安全的溫度，否則必須使用備用冷卻系統(tǒng)，但濕度和灰塵也是難以解決的問題。

　　如果機(jī)房的濕度太低，則靜電放電的風(fēng)險會增加。 然而，最近的研究低估了IT設(shè)備的ESD風(fēng)險，特別是當(dāng)服務(wù)器安裝在機(jī)柜中時，損壞的風(fēng)險很低，當(dāng)技術(shù)人員正在接觸機(jī)房設(shè)備時，最好先佩戴防靜電腕帶。

　　另一方面，過高的濕度可能會帶來更大的風(fēng)險，外部空氣變得更加潮濕時，它會收集更多的灰塵顆粒聚集在IT設(shè)備上，隨著灰塵顆粒的聚集，它們使機(jī)房組件絕緣并使冷卻更加困難。鋅顆粒也會透過潮濕空氣沉積在電路上，最終導(dǎo)致短路。 因此，太潮濕的空氣需要除濕，這反過來會消耗功率并使低PUE指數(shù)降低。

　　外氣冷卻的另一個重要問題是灰塵和煙霧，根據(jù)空氣中的懸浮微粒，外氣冷卻可能需要昂貴的空氣過濾器。即使有良好的過濾，現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心極其敏感的滅火系統(tǒng)也可能受到外氣冷卻帶來的空氣污染物的影響。

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　　液浸式冷卻

　　電線桿變壓器使用比空氣冷卻能力還要高的冷卻方法，這是通過將電路浸沒在介電流體(通常是礦物油)中來達(dá)成的，由于油導(dǎo)熱但不導(dǎo)電，因此不會損壞部件。液浸式冷卻也可用于服務(wù)器，使用這種方法與外氣冷卻相比，將熱量從電子設(shè)備中移除的效率更高，現(xiàn)在已有供貨商為數(shù)據(jù)中心應(yīng)用提供液浸式冷卻解決方案。

　　IT設(shè)備根據(jù)美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(ASHRAE)技術(shù)委員會定義的等級進(jìn)行評級，這些評級類別(A1到A4)是ASHRAE開發(fā)的一套指南標(biāo)準(zhǔn)，用于確定機(jī)房硬件的最佳溫度和濕度水平，其中A1具有最小的允許溫度范圍。

　　但是現(xiàn)在許多IT硬件制造商生產(chǎn)A2級甚至A3級設(shè)備，這可以為數(shù)據(jù)中心冷卻方式提供更大的選擇靈活性，因此，仔細(xì)檢查設(shè)備的冷卻要求是明智的，而不是僅僅遵循A1-A4類標(biāo)準(zhǔn)的ASHRAE建議。當(dāng)然，您的設(shè)備運(yùn)行溫度越高，它的可靠性就越低，但是硬件故障的成本是可以計算的。通過預(yù)測隨溫度升高而增加的故障風(fēng)險，可以計算出冷卻所帶來的節(jié)省量與增加故障率的成本之間的差異。許多公司在短短三年之后就更換了他們的IT設(shè)備，在這種情況下，較高溫度的對硬件影響可能不顯著。

　　實(shí)驗(yàn)帶來更好的效率

　　最有效的冷卻設(shè)計采用某種形式的自然冷卻或外氣冷卻，通常當(dāng)戶外條件(炎熱，潮濕的夏季)無法提供足夠的冷卻以滿足數(shù)據(jù)中心的要求時，機(jī)房精密空調(diào)需要作為備援。然而，我們在一些開創(chuàng)性設(shè)計中看到的關(guān)鍵之一是，建筑結(jié)構(gòu)總是有著不可或缺的角色。規(guī)劃建筑工程的期間，如果要盡可能地將IT設(shè)備塞入空白區(qū)域中，就須考慮之后冷卻能力是否足夠，新的數(shù)據(jù)中心概念需要從一開始就考慮到冷卻系統(tǒng)。

　　例如，一家荷蘭公司已經(jīng)實(shí)施了一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用稱為京都圓盤的巨型旋轉(zhuǎn)鋁盤從建筑物中移除熱量。圓盤的一半在建筑物內(nèi)，一半在外面，當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時，它會在建筑物內(nèi)部變暖，并在返回時將其收集的熱量傳遞到室外空氣中。但是圓盤本身相當(dāng)大，并且需要相當(dāng)大的空間用于圓盤旋轉(zhuǎn)通過的內(nèi)部和外部區(qū)域，所以這是需要是先規(guī)劃的。

　　另一種選擇是，不是簡單地將廢熱傾倒到環(huán)境中，而是充分利用它。已經(jīng)有將數(shù)據(jù)中心與區(qū)域供熱和供冷系統(tǒng)整體結(jié)合在一起的案例，通過這種方式，來自機(jī)房的廢熱被用于提供家庭所需的熱能，這是個可持續(xù)性發(fā)展的例子，區(qū)域供冷系統(tǒng)也是一種非常有效的冷卻數(shù)據(jù)中心方法，通過實(shí)現(xiàn)高冷卻效率可以獲得巨大的競爭優(yōu)勢，但如何最好地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)仍然是個未決的問題。