高热密度机房空调的两种设计方法

华嵩

【摘 要】随着计算机网络机房的热密度逐渐增大,空调制冷系统也必须做出相应的改变.本文介绍了两种针对高热密度机房的空调制冷系统的设计方法,并结合工程实例总结了设计特点及需要注意的问题等. 【期刊名称】《发电技术》 【年(卷),期】2010(031)002 【总页数】5页(P30-34)

【关键词】精密空调;云计算;高热密度;刀片服务器 【作 者】华嵩

【作者单位】华东建筑设计研究院有限公司,上海,200002 【正文语种】中 文 【中图分类】TU83 0 引言

当今社会，PC依然是我们日常工作生活中的核心工具—我们用PC处理文档、存储资料，通过电子邮件或U盘与他人分享信息。但是如果PC硬盘发生故障，我们会因为资料丢失而束手无策甚至造成重大损失。而在“云计算”时代，“云”会替我们做存储和计算的工作，可以像使用水或电那样使用IT基础设施。“云”是一些可以自我维护和管理的虚拟计算资源，通常为一些大型服务器集群，包括计算

服务器、存储服务器、宽带资源等。云计算将所有的计算资源集中起来，并由软件实现自动管理，无需人为参与，如图1所示。这使得应用、提供者无需为繁琐的细节而烦恼，能够更加专注于自己的业务，有利于创新和降低成本。

通过把新的硬件和软件结合起来实现所谓的云计算式的基础设施，刀片式服务器与虚拟化的结合正在迅速发展。而高功率密度机架服务器、刀片服务器等高热密度设备的应用，造成机房的单个机柜功耗不断提高，单位面积热量急剧上升，因此高热密度的机房一些问题逐渐涌现出来。 1 现今高密度机房存在的问题

经过大量的实验验证发现，当单个机柜（服务器）的热负荷接近或超过5kW时，如果还是采用传统方式的机房专用空调来解决，就会造成以下问题：

（1）机房环境温度控制得不理想，会有局部“热点”存在；来自美国的服务器故障统计数据：“在机架顶部的服务器经常过热；2/3的故障发生在机架的最顶部的1/3 处”[1]。

（2）由于设备需要通过大量的循环风来带走如此多的热量，采用传统的机房空调系统会占用大量的机房空间。上送风机组需要采用风管的截面积尺寸非常巨大，下送风机组的架空地板的高度需要提高很多，会造成很多已经运行的机房将无法继续使用。同时机房专用机组必须加大送风风机的功率来保证送风风量，因而造成整个制冷系统的效率大大降低。对于改建工程的供配电来说也相当棘手。 2 解决方法

目前，专业的数据机房设备供应商及IT经理最关心的问题转移到机房的高热密度的处理上来了。因为如果不能有效地处理机房高热密度，对于机房的容量扩张以及数据的安全性都是致命性的。为此各大厂商提出了各种解决方案。 2.1 方案A：直接式机柜精密制冷系统

这种系统主要分两种：1）直接膨胀型，即配置风冷冷凝器，通过冷媒管连接到机房内，机组直接放置在数据机柜的旁边或者背部，直接处理机柜散热，需要考虑外置风冷冷凝器的摆放位置；2）冷水型，配置室外冷水机组，通过冷水连接，室内机组同样直接放置在数据机柜的旁边或者背部，或者是一体化的数据机柜，直接处理机柜散热。

系统特点在于直接对数据机柜进行制冷，适合高热密度服务器的堆积，减少房间面积和架空地板高度，可以针对负荷的满载情况调节制冷量，效率较高。 2.2 方案B：水冷机房精密空调柜机+柜背装抽风单元

系统如图2所示，机房精密空调柜机通过地板送风系统将处理过的风送入机房内，背式抽风单元与服务器柜机结合，通过顶部的排风管从数据中心中移出热空气，避免产生热风短路循环和避免冷、热空气的混合，热空气通过机房精密空调柜机的回风管系统返回主机。通过控制抽风风机的转速来处理设备的热量变化。

这种系统的特点是：1）内置的风机可以变频运行，根据机组发热量的大小调节风机转速；2）布置简洁，装配于机柜背面，占用机房面积小；3）数据机房内无任何水管道，杜绝水患；4）风扇风量有备用，如发生故障，剩余风扇可提高风量以维持设计的散热能力；5）实时监控，通过网络管理了解设备实时发热量，当服务器发热量较大时，相应排风量较大。

2.3 方案C：水冷机房精密空调柜机+柜式或顶置制冷末端

系统如图3所示，设备间通过制冷剂管道连接，机房空调解决空间温湿度，制冷末端解决高热密度局部及区域制冷。通过制冷剂相变吸收大量机房显热，100%输出显冷量，既可防止产生冷凝水，又可避免潜冷量输出而产生的能量损耗，设备末端贴近负载机架，可大大减少送风所消耗的能量，与传统空调远距离送风相比，可使风机能耗降低65%，整机节能30%。节能效果显著。

这种系统的特点是：1）变冷量设计，可以随机房设备热量变化自动调节制冷量大小，安装灵活，不占用机房宝贵空间；2）根据机房需求变化增减制冷末端设备；3）冷媒管布置灵活性高、可扩展性强，便于机房布置变动或机组升级且无水患的隐患；4）干盘管技术，100%显热比，无冷凝水，无除湿损耗。 后两种方式是本文针对本工程实例着重介绍的两种系统。 3 工程实例

本工程为北京华为科技园区F楼一层的数据机房，机房的面积约为855m2（包括机电设备机房和服务器机房），其中有效的“服务器机房”面积约为612m2。各类用途的机柜主要由刀片式服务器机柜、小服务器机柜、NAS机柜、网络机柜等组成。由于整个园区采用冷水机组加锅炉的冷热源系统，所以精密空调冷源采用冷水系统。业主不允许水管进入数据机房内部，所以方案A被排除。现就方案B和方案C进行比较。 3.1 机房服务器布置

机房服务器布置如图4所示。 3.2 机房发热量计算

数据机房配电的发热为1426kW，详见表1。围护结构发热取60W/m2，总发热为36kW；照明取为15W/m2，总照明发热为9kW。故数据机房的总发热功率约为1471kW。

表1 服务器功率kW服务器类型 单机柜功率 整列机柜功率刀片服务器机柜-18柜（2列） 9 324刀片服务器机柜-21柜（2列） 9 378小服务器机柜-57柜（2列） 4 456网络机柜+连NAS小服务器机柜-16柜（2列） 2.5/4 83 NAS机柜-18柜（2列） 5 185合计 1426

3.3 设备配置

（1）配置采用“地板下送风精密空调+刀片式服务器机柜气流强排单元”。所有发热量由精密空调处理，配置精密空调15台，其中2台备用，每台148.2kW（显冷量115.2kW）。设备总冷量满足要求。考虑云计算需求中“刀片式服务器机柜”数量（78个），需要配置78台SX（ARU）机柜气流强排单元；每个机柜气流强排单元配有4个无刷直流电机驱动风扇，风扇转速（抽风量）可以根据总抽气温度进行控制。由于每个刀片式服务器机柜按照9kW/台发热考虑，根据强排单元技术资料，此时对应的抽风量约为1200m3/h。当刀片机柜内安装设备（刀片服务器）不满时，如只安装一半，发热量也只有一半，则对应的抽风量约为600m3/h。刀片式服务器机柜内部在满配和部分配置时应考虑气流组织问题，加装适当隔板防止气流短路（机柜前面进入的气流未经过“刀片服务器电路板”而直接被吸入回风管）。

刀片式服务器机柜前面冷通道地板的开孔率（有效开孔面积）应与克服刀片式服务器机柜最大发热量所需要的最大抽风量相匹配。按照出风风速小于3m/s计算，至少应有0.12m2的净出风面积。

刀片式服务器机柜的“机柜气流强排单元”的总抽气风量（对应78个机柜全部工作在9kW发热）应与所选择配置“精密空调（约4台）”的总风量相匹配（平衡）。

（2）配置采用“地板下送风精密空调+“一拖多顶置制冷末端”方式。刀片服务器区域采用一拖多顶置制冷末端方式，单柜机发热量的2/3，即6kW由顶置制冷末端处理，配置主机5台，每台制冷量140kW；每台主机可以带16台顶置末端，最多可带80个顶置空调末端（实际刀片式服务器柜78个）。其余设备发热量由精密空调处理，配置精密空调9台，其中2台备用，每台148.2kW（显冷量115.2kW）。设备总冷量满足要求。

（3）“机柜气流强排单元”每台的最大功耗为1200W，配置刀片式服务器的正常功耗为820W（与机柜发热量有关系）。“一拖多”（1台主机带16台XDV末端）系统中，每个制冷末端的功耗为220W。精密空调主机（115.2kW显冷量）功耗分两种情况：1）有加湿加热功能时，最大耗电为20.6kW（风机和加湿都工作）；2）没有加湿加热功能时（如柴油发电机应急电源供电时，可以禁止加湿加热功能），最大耗电为8.6kW（只有风机和控制器工作）。“一拖多”主机（140kW冷量）的功耗为1.5kW。

对于数据机房的两种空调配置方式，在柴油发电机应急电源供电情况下，空调主机功耗分别为：

13×8.6kW=111.8kW （全部为精密空调）；

9×8.6kW+5×1.5kW=84.9kW（为精密空调和“一拖多“空调主机）。 两种空调配置方式末端的耗电如下：

78×1.20kW=93.60kW（78台刀片服务器采用“背装强力抽气单元”，由UPS供电）；

78×0.22kW=17.16kW（78台刀片服务器采用“机柜顶装空调末端”，由UPS供电）。

这些末端都是使用UPS供电，1a为365d，1d为24h，前者比后者一年至少多耗电约90万kWh。

（4）新风按每人40m3/h计算，机房最大工作人员数按135人计（业主提供），总新风量为00m3/h，配置新风机组处理新风，相应排风量为3400m3/h，其余风量维持室内正压。

（5）本工程实例为改建项目，原来设计的机房发热量未考虑刀片式服务器的存在，现设备发热量远超当初的设计容量，预留空调机房面积不足。如果采用方案B的话，精密空调机组较多，摆放位置有限，虽然其初投资占优，但是设备运行时耗电

量巨大，在用电费用日益高涨的今天，显然是不合时宜的。所以经比较研究决定采用方案C“地板下送风精密空调”+“一拖多顶置制冷末端”的配置方式。

3.4 平面布置简图

平面布置简图如图5和图6所示。 3.5 设计注意问题及具体措施

（1）为了更有效组织气流，每两排机柜应面对面（或背靠背）摆放，间隔形成冷通道（面对面之间）和热通道（背靠背之间），如图7所示[2]；每个有源设备机柜前配置一块通风地板（通风面积应足够）。每个机柜前、后门带通风网孔，通风率60%以上。

（2）地板送风管的布置由于送风量较大，采用风管进入地板空间内部的方式将导致其它管线的安装困难，以及风管支架的安装，故采用送风管只安装到机房出口的方式，不进入数据机房内部地板空间。尽可能地将精密空调机组面对热气流通道布置，因为冷气流通道下气流需要最小的动压，动压小静压大以保证地板送风口的最大流量。

（3）数据机房内需要新风，要保证室内正压不小于4.9Pa（与其它房间），与室外静压差不小于9.8Pa，新风要有过滤措施。新风量为下列两项中的最大值：1）工作人员每人40m3/h；2）维持室内正压所需风量。

（4）通风地板的开孔率至少需满足40%要求，集中布置在冷通道之间。满足出风口风速不大于3m/s的要求，如果流速过大将影响冷却效果。

（5）玻璃隔墙可封到顶（天花处），服务器机房的热风从天花上方回风到空调，需在机柜“热通道”上方加栅格天花，精密空调回风处加导风管至隔墙。天花板吊顶的高度尺寸应保证热气流自然分层，能有效地被机组回风管吸入。

（6）空调系统宜设初、中效两级空气过滤器，中效过滤器计数效率应大于80%，

末级过滤器宜设在正压端或送风口部位。

（7）精密空调机组的布置应保证机房内冷量分布均衡，避免出现局部热点。 （8）精密空调机组至少应为“N＋1模式”运行，设备应有15%～20%的余量。 （9）在柴油发电机应急供电时，精密空调应能自动关闭加湿和加热功能，及顺序启动功能，以减少精密空调集中启动对柴油发电机的冲击和容量要求。 （10）空调系统制冷主机及控制系统（包括电动蝶阀）需由双路市电供电，并有柴油发电机提供应急备用电源。

（11）应进行漏水检测。冷水管道要加维修阀门；机房地板下的地面铺设保温棉，防止下层办公室天花凝露。

（12）为了确保机房的安全，采用双回路冷水管道，并在各分支点设置阀门，在服务器机房内冷水管道要分段设置阀门，便于故障时不停机维修。冷水管道不允许经过用电设备的上方。

（13）空调机房内的精密空调下方设置15cm高的挡水坎，并做防水处理，挡水墙内修建一条低于地面的排水沟，地面往排水沟倾斜，地漏位于最低处，避免水渗漏到服务器区域。 4 结语

随着当今计算机网络技术的迅猛发展，以往一个机房的设备现在被紧凑到一个机架中，极大地提高了设备的热密度。机房空调制冷系统也必须做出相应的改进，因此高热密度制冷系统在解决机房内局部过热方面，成为机房制冷系统的重要组成部分。 参考文献：

[1]爱默生网络能源解决方案[Z].2009.

[2]DON BEATY.ASHRAE’s role in optimization&high density cooling[Z].Dec，2003.