伴随著(zhe)電價和IT能(néng)耗的持續上升，IT相關的能(néng)源成(chéng)本正受到越來越嚴格的審查。在一處精心設計的數據中心，冷卻耗電成(chéng)本大約占到總的耗電量的37%。換言之，其實這(zhè)在許多情況下，意味著(zhe)通過(guò)提高冷卻效率來降低IT能(néng)源成(chéng)本帶來了機會(huì)。

本文中，我們將(jiāng)爲廣大讀者諸君介紹關于提高數據中心冷卻效率的五大戰略：

1、适當密封的數據中心環境

一款蒸汽密封在控制相對(duì)濕度，從而減少了不必要的加濕和除濕方面(miàn)發(fā)揮了至關重要的作用。

2、優化氣流

機架布置、機房空調布局和線纜管理都(dōu)會(huì)影響到在關鍵設施内空氣流通的能(néng)量消耗量。

3、在适當的地方使用節能(néng)器

在寒冷的季節，節能(néng)器允許使用外部空氣以支持數據中心的冷卻，從而創造了無需耗能(néng)實現冷卻的機會(huì)。

4、提高冷卻系統效率

諸如可變容量系統和改進(jìn)的控制等新興技術的使用，正推動室内空氣調節系統效率的提升。

5、使冷卻更接近熱源

補充冷卻系統使得冷卻更靠近熱源，從而減少了空氣流動所需的能(néng)量。總之，上述這(zhè)些方法有助于將(jiāng)冷卻系統的能(néng)源成(chéng)本減少30%至45%，并帶來顯著的、經(jīng)常性的成(chéng)本節約。再加上新興技術的采用，如效率更高的處理器和新的基于芯片的冷卻技術，這(zhè)些措施可以有助于保持能(néng)源成(chéng)本與服務器密度和能(néng)源價格的持續上漲步調一緻。

直到最近，仍然很少有人注意到IT系統所耗費的能(néng)量成(chéng)本。但是，随著(zhe)能(néng)耗和電價的持續上漲，能(néng)源成(chéng)本日漸受到來自企業高層管理人員們更加嚴格的審查，以便進(jìn)行成(chéng)本的管理。事(shì)實上，能(néng)源成(chéng)本現在已成(chéng)爲了企業數據中心的選址和設計的決定因素之一。

最近，根據由Data Center Users' Group所進(jìn)行的一項調查顯示，數據中心的能(néng)源效率正在迅速成(chéng)爲業内最爲關注的優先事(shì)項。42%的調查受訪者表示，他們所在企業已經(jīng)對(duì)能(néng)源效率進(jìn)行了分析或目前正在進(jìn)行分析。受訪者們普遍認爲，顯著的能(néng)源效率提升機會(huì)存在于冷卻設備(49%)、服務器(46%)、電力設備(39%)和和存儲(21%)的領域。

EYP Mission Critical Facilities Inc. 公司分析了數據中心的能(néng)源使用情況，并估計數據中心50%的能(néng)源消耗是由信息技術系統所消耗的。據了解，随著(zhe)冷卻和配電負載的降低，IT設備節省10%的能(néng)源消耗將(jiāng)帶來一個額外的7%到10%的能(néng)耗減少。因此，在這(zhè)方面(miàn)的能(néng)源消耗減少對(duì)下遊的節省影響或將(jiāng)達到兩(liǎng)倍。

有一系列的策略可以用來評估IT系統能(néng)耗的降低，最值得注意的是服務器整合和虛拟化。使用虛拟化技術和數字控制技術，以提高數據中心的運行效率。

而在本文中，我們將(jiāng)把關注重點放在由必要的基本支持系統所消耗的剩餘的50%能(néng)耗方面(miàn)，如電源，制冷和照明(圖1)的能(néng)耗。除技術系統本身之外，在數據中心消耗最多能(néng)源的就(jiù)數冷卻系統了，其能(néng)耗占到了數據中心用電量的37%。

最近幾年，随著(zhe)服務器密度上升到了前所未有的水平，數據中心對(duì)于冷卻系統的需求大幅上升。這(zhè)種(zhǒng)變化不僅帶來了制冷系統容量需求的增加，同時(shí)也暴露了數據中心現有冷卻方法的效率低下。其結果是，冷卻現在已然成(chéng)爲了許多數據中心(并也僅僅隻是減少了IT設備負載)節省IT能(néng)源成(chéng)本的第二大機會(huì)。

這(zhè)方面(miàn)的節省可以說(shuō)是相當顯著的。例如，假設支持系統所消耗的能(néng)源量與IT系統大約相同的話，那麼(me)一處3兆瓦的數據中心設施將(jiāng)需要6兆瓦的電力。而如果電力成(chéng)本爲每小時(shí)10美元，這(zhè)一數據中心設施的年度總能(néng)源成(chéng)本將(jiāng)達到525萬美元(600美元/小時(shí)×8765小時(shí))。而IT負載降低10%，就(jiù)將(jiāng)會(huì)節省105萬美元，而冷卻系統效率提高30%會(huì)節省約58萬美元的開(kāi)支。

1、适當密封的數據中心環境

冷卻通過(guò)數據中心的地闆、牆壁和天花闆損失，或通過(guò)外部的關鍵設施所帶來的濕度降低了冷卻系統的效率。因此，數據中心應盡可能(néng)地與一般建築和外部環境隔離開(kāi)來。

在任何時(shí)候，保持門的關閉，并使用蒸氣密封來隔離數據中心的空氣。蒸汽密封是控制數據中心環境的最廉價且最重要的方法之一，同時(shí)對(duì)于保持适當的濕度水平是特别重要的。

如果數據中心的濕度太高，就(jiù)可能(néng)出現導電性陽極故障(CAF)、吸濕性粉塵失敗(HDF)、磁帶介質錯誤和過(guò)度磨損和腐蝕。而如若相對(duì)濕度的增加超過(guò)55%以上，這(zhè)些風險將(jiāng)成(chéng)倍增加。

而如果濕度太低，則將(jiāng)增加靜電放電(ESD)的幅度和傾向(xiàng)，其可能(néng)會(huì)損壞設備或對(duì)操作運營帶來不利影響。此外，當暴露于相對(duì)濕度較低的環境下，磁帶産品和介質可能(néng)會(huì)發(fā)生過(guò)多的錯誤。

ASHRAE已經(jīng)將(jiāng)數據中心環境最佳的相對(duì)濕度定義爲40%至55%。機房精密空調(CRAC)根據需求，通過(guò)加濕或除濕進(jìn)行濕度控制，加濕或除濕兩(liǎng)者均需要消耗能(néng)量。而采取有效的蒸汽密封可以在加濕或除濕過(guò)程中降低能(néng)量消耗的量。

蒸汽密封通常是通過(guò)結合使用塑料薄膜、汽阻塗料、乙烯基牆紙和乙烯基地闆系統所打造的。所有門、窗和線纜的入口也應密封。

這(zhè)是任何提高效率計劃的第一步。如果操作房間沒(méi)有被(bèi)妥善密封，那麼(me)随後(hòu)所采取的所有其他的提高效率的措施都(dōu)將(jiāng)是事(shì)倍功半的。您企業可以通過(guò)各種(zhǒng)工程咨詢公司或您企業的冷卻系統供應商來對(duì)數據中心進(jìn)行評估，以幫助您查明和确定外部空氣從何處進(jìn)入您數據中心的控制環境，并就(jiù)适當的密封策略提出建議。

2、優化氣流

一旦操作環境的密封工作完成(chéng)之後(hòu)，下一步工作便是确保高效的空氣流通。其目标是利用最小的能(néng)耗量將(jiāng)最大量的熱量從設備移走。而優化空氣流通需要評估和優化機架的配置、空調的布局和線纜的管理。

機架布局

目前所生産制造的大多數設備都(dōu)是被(bèi)設計爲從正面(miàn)吸入空氣，并從後(hòu) 面(miàn)排出。這(zhè)使得設備機架可以被(bèi)安排爲創造熱通道(dào)和冷通道(dào)。這(zhè)種(zhǒng)機架安置方法，使一排排的機架面(miàn)對(duì)面(miàn)，每排機架的正面(miàn)都(dōu)能(néng)夠從同一過(guò)道(dào)吸入冷空氣(“冷”過(guò)道(dào))。兩(liǎng)排機架排出的熱空氣形成(chéng)一個“熱”通道(dào)，提高了返回CRAC的空氣的溫度，并使得CRAC得以更有效地運作(圖2)。

冷、熱空氣不混合，這(zhè)種(zhǒng)方法是最有效的。因此，穿孔地闆應該從熱通道(dào)中移除，并隻在冷通道(dào)使用。沖裁闆應該被(bèi)用來填補機架的開(kāi)放空間，以防止熱空氣通過(guò)機架被(bèi)吸入。

某些類型的電纜管也可用于防止冷空氣通過(guò)電纜開(kāi)口進(jìn)入操作空間，其通常在機架後(hòu)部。

其他額外的步驟，包括諸如使用返回天花闆通風室以吸取空氣返回機房空調，在冷通道(dào)盡頭的物理窗簾對(duì)于減少冷空氣和熱空氣的混合也被(bèi)證明是非常有效的。

CRAC布局

使用熱通道(dào)/冷通道(dào)的方法的時(shí)候，CRAC單元應始終垂直于熱通道(dào)，以減少空氣流動，并防止熱空氣因返回空調被(bèi)拉到冷通道(dào)(圖2)。 一個返回天花闆通風室，可有效地減少熱空氣和冷空氣的混合。

線纜管理

數據中心所必須支持的服務器數量的爆炸似增長(cháng)已經(jīng)爲許多數據中心設施帶來了線纜管理方面(miàn)的挑戰。如果管理不當，線纜可通過(guò)堵住穿孔地磚而阻礙空氣流通，并妨礙熱空氣從機架後(hòu)部排出。故而檢查地闆下的通風狀況，以确定電纜或管道(dào)是否被(bèi)阻塞，而妨礙了空氣的流通。架空電纜正變得越來越流行，從而消除了阻塞的可能(néng)性。更深層次的機架現在可以增加的空氣流動。有時(shí)現有的機架可以配備擴展通道(dào)，以增加電纜和空氣流的深度。使用電纜管理的時(shí)候要謹慎，因爲它們并不兼容所有IT設備的空氣流動模式。

最後(hòu)，但也許是最重要的，調查將(jiāng)高電壓三相電源盡量靠近IT設備，并且增加IT設備的電壓。這(zhè)些步驟將(jiāng)最大限度地減少地闆下的電源電纜的數量和大小。有時(shí)這(zhè)可以通過(guò)在機架内使用高電壓三相管理電源插排來完成(chéng)，但也可能(néng)需要使用多極配電盤或IT設備機架行内的PDU。

可以添加風扇到機架的後(hòu)部，以便從機架吸走熱空氣，但要知道(dào)，這(zhè)些風扇也同樣(yàng)需要消耗能(néng)源，并産生額外的熱量，必須從操作空間移除。

3、使用節能(néng)器以實現無需耗能(néng)的冷卻

在許多地方，外界的冷空氣可被(bèi)用來補充數據中心的冷卻，并能(néng)夠在寒冷的季節提供“免費的冷卻”。這(zhè)是通過(guò)使用節能(néng)器系統來實現的。根據巴特爾實驗室(Battelle Laboratories)的一項樓宇控制系統調研發(fā)現，平均而言，那些采用了節能(néng)器的數據中心建築的加熱和冷卻的能(néng)源使用強度(EUI)要比那些沒(méi)有的低13%。

節能(néng)器系統有兩(liǎng)種(zhǒng)基本類型：空氣節能(néng)器和流體節能(néng)器。而爲一個特定的項目選擇一款合适的節能(néng)器類型應該是由氣候、代碼、性能(néng)和功能(néng)偏好(hǎo)綜合考慮的結果。

空氣節能(néng)器

空氣節能(néng)器使用一款由傳感器、管道(dào)和阻尼器所組成(chéng)的系統，以允許适量的外部空氣進(jìn)入，以滿足設備的冷卻要求。空氣節能(néng)有兩(liǎng)種(zhǒng)類型，即“幹燥空氣”系統和“蒸發(fā)式空調”空氣系統。前者是最常見的，但是其使用被(bèi)嚴格限制到極少的地理位置，因爲當環境空氣的露點溫度(Dew point temperature)低于35 F時(shí)，添加濕氣到操作空間所需的能(néng)量成(chéng)本會(huì)相當高。而蒸發(fā)條件解決方案則是用于在外部空氣進(jìn)入數據中心之前，進(jìn)行有效調節的一種(zhǒng)經(jīng)濟的方法，但其可靠性和高維護方面(miàn)的要求通常也使得這(zhè)種(zhǒng)方法對(duì)于大多數數據中心運營商而言沒(méi)有多大的吸引力。

這(zhè)兩(liǎng)種(zhǒng)解決方案的關鍵在于适當的控制。控制應基于熱含量(enthalpy)的比較，而不僅僅隻是幹球溫度計(dry bulb

)的溫度。同樣(yàng)，相關的這(zhè)些方法還(hái)必須實施對(duì)于花粉、灰塵或其他外來污染物的檢測，并有效地在發(fā)生這(zhè)些情況時(shí)鎖定節能(néng)器。

流體節能(néng)器

流體節能(néng)器系統一般被(bèi)劃歸爲一款冷凍水或基于乙二醇的冷卻系統，并與一款由冷卻塔或蒸發(fā)冷卻器又或幹冷器組成(chéng)的散熱環路配合工作。CRAC單元采用了傳統的乙二醇冷卻單元和一款輔助冷卻線圈，控制閥和溫度監控器。在寒冷的季節，乙二醇溶液從室外幹式冷卻器或冷卻塔返回到輔助冷卻線圈，成(chéng)爲操作空間主要的冷卻來源。隻要“免費的冷卻流體”是8 F ，低于CRAC返回的溫度，運行“免費的冷卻”就(jiù)能(néng)夠帶來益處，因爲其最大限度地減少了對(duì)于主要冷卻方式的負載。

流體節能(néng)是大多數數據中心環境系統的首選，因爲它們不會(huì)受到室外濕度水平的影響，故而對(duì)于較寬的溫度/濕度範圍都(dōu)是有效的。他們也不會(huì)給數據中心增加任何額外的空氣過(guò)濾要求。

4、提高操作空間空調的效率

對(duì)于優化CRAC單元的效率而言，有三大至關重要的因素：

· 部分負載的情況下運轉效率如何。

· 當CRAC單元在移除顯熱(sensible heat)時(shí)，較之潛熱(latent heat)的運轉效率如何。

· 多單元一起(qǐ)工作的效率如何。

在部分負荷提高效率

數據中心均設計了某種(zhǒng)程度的冷卻系統冗餘。此外，随著(zhe)室外環境溫度下降到低于設計的峰值條件(通常爲 95 F)，一個直接擴展的實際容量或空氣冷卻的CRAC單元將(jiāng)增加。

這(zhè)意味著(zhe)設備始終在低于100%的負載水平操作，由此帶來了在正常操作條件下設計系統以更有效地操作運營的機會(huì)。因爲操作條件是不穩定的，這(zhè)需要能(néng)夠根據操作條件變化而進(jìn)行相應的容量變化的一些方法。

有幾種(zhǒng)方法可以在一款直接擴展的CRAC單元提供可變容量。而最常見的兩(liǎng)種(zhǒng)是四步壓縮機卸載(four-step compressor unloading)和數字化渦旋壓縮機技術(Digital Scroll compressor technology)。

四步壓縮機卸載的概念适用于通過(guò)在系統内關閉一些氣缸制冷劑;從而最小化循環壓縮機開(kāi)啓和關閉的需要，以控制容量能(néng)力。因爲卸載本質上改變了壓縮機的操作點，使得冷卻系統以更低的容量能(néng)力更有效地運作。例如，一款有著(zhe)兩(liǎng)個壓縮機“卸載”的系統所消耗的能(néng)量大約爲滿載系統的50%，但將(jiāng)提供76%的容量，因爲在冷凝器和蒸發(fā)器的規模爲滿負荷。下圖3顯示出了通過(guò)壓縮機卸載所能(néng)夠實現的效率改進(jìn)。

數字渦旋式壓縮機技術提供了一種(zhǒng)新的方法，以便爲所需的負荷精确地匹配容量和功率消耗，并且可以比标準的“固定容量”壓縮機提供顯著較低的能(néng)量消耗。

傳統的調制技術(循環單位和關閉匹配的負載條件)往往消耗了接近滿負荷的能(néng)量，而不是實際所需的容量。在一款高可靠性設計的系統中，壓縮機不隻是打開(kāi)和關閉。在壓縮機實際運行時(shí)，會(huì)有一個開(kāi)啓延遲期和關閉泵的停機時(shí)間，确保在斷電之前适當的潤滑油進(jìn)入壓縮機軸承。

數碼渦旋技術讓壓縮機不會(huì)循環。其可以線性地降低功耗，因爲其容量調節能(néng)力，從而帶來了最佳的系統性能(néng)和控制。

這(zhè)種(zhǒng)技術是通過(guò)與艾默生環境優化技術公司的一項獨家協議應用到數據中心的，後(hòu)者研發(fā)了谷輪數碼渦旋壓縮機，而艾默生網絡能(néng)源公司則開(kāi)發(fā)了Liebert DS精密冷卻系統。整合谷輪數碼渦旋壓縮機到Liebert DS系統使得Liebert DS系統的容量調制從10%達到100%。如圖4所示，以一個簡單、可靠的方式實現了精确的溫度控制。

改善顯熱/潛熱移除功能(néng)

IT設備産生顯(幹)熱。潛熱來自于人員及滲透室外濕度(可通過(guò)上文所讨論的蒸汽密封實現最小化)。

随著(zhe)服務器的密度或容量的增加，帶來了一個相應的顯熱負荷的增加。潛在熱負荷不受影響。因此，使用冷卻解決方案，可以在一個100%的顯容量能(néng)力運行，除了當要求除濕時(shí)，將(jiāng)導緻能(néng)源消耗的減少。在較低的容量下操作可變容量的壓縮機，提高蒸發(fā)器盤管的溫度。這(zhè)意味著(zhe)更少的潛在冷卻發(fā)生。在絕大多數負載條件下，蒸發(fā)器盤管溫度足夠高，達到100%的顯冷。因此，添加被(bèi)意外去除的濕度無需消耗能(néng)源。

跨多個單位改善協調

随著(zhe)較新的高密度服務器被(bèi)部署在舊系統旁邊，數據中心環境變得更加多樣(yàng)化了。由此所導緻的一個結果便是，如果操作空間冷卻單元之間沒(méi)有進(jìn)行适當的協調，空調可能(néng)會(huì)在不同的溫度和濕度控制模式下運行。例如，在房間北側的一台空調可能(néng)會(huì)感測到相對(duì)較低的濕度條件故而會(huì)增加濕度，而在房間南側的一台空調則檢測相對(duì)較高的濕度，因而會(huì)去除空氣中的水分。 空氣中的實際濕度是相等的，但由于這(zhè)些測量都(dōu)是一個相對(duì)的測量，溫度越高，相對(duì)濕度越低。先進(jìn)的控制系統可以在一個操作空間内跨所有的CRAC單元進(jìn)行部署，使得各台空調設備能(néng)夠進(jìn)行溝通和協調，防止“戰鬥模式”。

5、部署補充冷卻

補充冷卻是一種(zhǒng)相對(duì)較新的數據中心冷卻方法，是由艾默生網絡能(néng)源憑借其Liebert XD系統率先開(kāi)發(fā)的方法(如圖5)。其在2002年首次推出，而随著(zhe)數據中心管理人員尋求解決方案，以幫助他們實現以下需求，使得這(zhè)種(zhǒng)方法獲得了快速的普及。

· 克服高架地闆系統在高密度應用中的冷卻容量能(néng)力限制。

· 提高冷卻系統的效率和靈活性。

高架地闆冷卻被(bèi)證明是管理數據中心環境的一種(zhǒng)有效的方式;然而，随著(zhe)機架密度超過(guò)5千瓦，以及跨操作空間的多樣(yàng)性負載的增加，應當對(duì)補充冷卻對(duì)冷卻系統的性能(néng)和效率所造成(chéng)的影響進(jìn)行評估。

在更高的密度情況下，在機架底部的設備可能(néng)消耗了太多的冷空氣，進(jìn)而造成(chéng)剩餘的冷空氣量不足以供給機架頂部的設備。活動地闆的高度造成(chéng)了被(bèi)分配到整個操作房間的空氣量的物理限制，所以，添加額外的空調可能(néng)無法解決上述問題。

國(guó)際正常運行時(shí)間協會(huì)(The Uptime Institute)的研究報告稱，位于數據中心機架頂部的三分之一的設備發(fā)生故障失敗的頻率往往是同一機架底部的三分之二的設備的兩(liǎng)倍。該組織還(hái)估計，當操作溫度超過(guò)70 F時(shí)，每提升18 F，設備長(cháng)期的可靠性將(jiāng)下降50%。

提升機架密度和高空間多樣(yàng)性的解決方案被(bèi)證明是一種(zhǒng)泵制冷的冷卻基礎設施，支持冷卻模塊直接放置在高密度機架的上面(miàn)或旁邊，以補充通過(guò)地闆的空氣。該解決方案具有許多優點，包括增加冷卻系統的可擴展性，帶來更大的靈活性和能(néng)源效率的改進(jìn)。

有兩(liǎng)個因素有助于提高能(néng)源效率：冷卻模塊的位置和所使用制冷劑。