数据中心制冷方案的选择

计划在数据中心添加新IT设备的决策者应该注意到哪种类型的制冷系统在当前和未来都能够满足要求。最近高密度IT设备增加了，但机房制冷系统如果无法相应增加，就会导致制冷系统效率低下、制冷能力不可预测，在有些情况下根本无法满足冷却要求。为了解决这个问题，人们提出了面向排列结构和面向机架结构的制冷系统。

空调的功能

在数据中心里，所有的空调都具有两个功能：一是产生冷空气（也就是能提供数千瓦的制冷容量）并输送到需要冷却的关键设备上。有多种方式可以产生大量的冷空气，如低温水、低温乙二醇，以及任何可以使用的媒质而无须考虑它们的结构。

空调的第二个功能就是将冷空气输送到各个机房，这里有三种不同的方式，如图1所示。在面向机房形式的结构中（图1左），计算机机房空调（CRAC）单元与机房本身融为一体；在面向排列形式的结构中（图1中），CRAC单元是成排布置的；在面向机架形式的结构中（图1右），CRAC单元被放置在单独的机架上。

图1 楼层平面图说明了面向机房形式（左）、面向排列形式（中）和面向机架形式（右）的空调布置结构间的差别

面向机房形式的制冷系统由一台或多台空调组成，其中任何一台空调都可以完全不受约束地（没有通风管道、风门调节器、通风口或其他方式进行风量控制）给需要冷却的设备提供冷风，它们只有非常有限的能力来控制出风或不出风，或者说是通过地板提升系统或顶棚送气回路来调节的。

对于许多使用面向机房形式制冷系统的小型计算机机房，人们很少注意到空调出风的情况，安置机架式空调也只是计划外的方案。对于大型或复杂的数据中心，地板提升系统可以用于将冷空气导向到经过详细规划、发热量大的机架通道，或调整冷却过度使温度较低的通道。

但是，即使经过了精心设计，这种面向机房形式的制冷系统也在很大程度上依赖机房的一些固有限制，例如机房空间形状、地板上障碍物的分布、空调的位置，以及IT设备在机房中的放置方式等。在这么多实际条件的限制下，特别是大多数数据中心在增加和重新放置IT设备方面的一些教训也证明，面向机房形式制冷系统冷却能力的可预见性会成为问题，特别是当机房内的设备功率密度增加时。

面向机架形式和面向排列形式结构的空调布置方案

当采用面向排列形式的制冷系统时，冷却系统可以和成排的机架设备离得更近，每一排设备就好像是有了专用的空调一样。与面向机房形式的制冷系统相比，通过将空调放置在IT机架之间，或者放在冷却通道上方，气流的通路会变得更短，风向也更加容易确定，如图2所示。气流的冷却能力更加容易预测，也就更容易达到更高的功率密度。此外，这样的结构无须花费安装地板提升系统的费用就可以实现。

图2面向排列形式的制冷系统可以按排布置（左），或者在顶棚上布置（右）

在面向机架形式的制冷系统中，CRAC单元对每个IT机架而言都是专用的。气流的通路甚至比面向排列形式的制冷系统更短，而且气流完全不受机房本身结构的限制。这种制冷系统可以使机架的功率密度高达50kW，而且具有针对特定冷却容量进行调节的灵活性，以及满足特殊机架实际需求的冗余冷却。不过，与其他制冷系统相比，这种制冷系统的一个主要缺点就是需要大量的空调。

在许多实际应用中，没有必要只采用这些制冷系统中的一种，而不考虑使用组合结构的优点。当数据中心有宽范围功率密度和系统可用性需求时，组合结构的优点就更具有说服力。

采用多种制冷系统的一个典型例子就是低密度数据中心的升级。增加面向排列形式或面向机架形式的制冷系统来弥补面向机房形式制冷系统的不足，这使得数据中心可以使用高功率密度的IT设备，而不用改变现存的制冷系统。

制冷系统的比较

在评估制冷系统时，有五个必须考虑的关键系统特征：灵活性、可用性、生命周期成本（TCO）、可维修性和可管理性。

随着需求的不断变化，例如功率密度的增加和不可预见性，系统的灵活性变得日益重要。面向机房形式的制冷系统通常是事先就建造好的，并且没有经过复杂的CFD分析，不具有制冷能力的可预见性，因此，这种结构的升级是非常复杂的。此外，机房的任何改动都可能导致某些关键负载的冷却不足，为了解决这个问题，就需要大范围的工程改造。

另一方面，在数据中心里，面向排列形式和面向机架形式的制冷系统本身就是模块化的，因此可以为具有特殊功率密度的个别负载提供可预见的冷却能力，并通过按排列或按机架的形式来调配。当数据中心改造或扩容时，新增加的冷却负载就可以完全和已有的制冷系统隔离。

面向机房形式的制冷系统也面临着可用性的挑战。在数据中心里，制冷系统离热源（冷却负载）越近，系统就越能消除冷热气流的混合，从而避免出现无法冷却的热岛。面向排列形式和面向机架形式的制冷系统可以满足这样的要求，所以比面向机房形式制冷系统的效率更高。

此外，数据中心普遍采用N+1冗余的冷却方式，以此来替代出现故障的个别空调，但对于三种不同形式制冷系统所采取的冗余策略是不同的。在面向机架形式的制冷系统中，制冷系统基本上对每个机架是专用的，N+1冗余的唯一方式就是为每个机架增加另外一个CRAC或双通路CRAC系统，而所付出的代价就是整个数据中心都采用N+1冗余系统的高昂价格，但对于隔离超高功率密度的机架是非常有效的。

对于面向机房形式的制冷系统，通常的思想是在机房周围增加一套CRAC系统就可以提供需要的冗余级别。然而，在高密度的机房内，特殊的CRAC系统可以弥补另一套CRAC系统的能力却是极大地受机房几何形状的影响。产生故障的空调单元距离备份空调单元越远，备份单元就越不可能给受影响的机架提供同样的风量。

面向排列形式的制冷系统允许按排列提供冗余，这只需要为每排机架提供一套额外的CRAC就可以了。但是这种冗余形式对于低功率密度的机房是没有什么成本优势的，比如每个机架1～2kW的功率密度；而如果在高功率密度的机房，比如每个机架高达25kW的时候，这种冗余形式的优势就比较明显了。

目前，降低生命周期成本或总体拥有成本（TCO）是人们的主要目标。当功率密度和用电量持续上升的时候，电力成本就成为了TCO中很大的一部分。功率密度驱使了电力成本的上升，这是由于它降低了传统面向机房形式制冷系统的效率。面向机架形式制冷系统的电力成本始终是比较低的，这是由于CRAC系统是按尺寸分布的，而且与热负载源的距离非常近，因此就不致使冷气流被浪费，如图3所示。

图3 依赖于冷却结构的类型，电力成本随着机架功率密度的不同而变化

与面向机房形式的制冷系统相比，面向排列形式制冷系统的电力成本在非常低的功率密度下是很低的。在冷却负载比较轻的情况下确是如此，这是由于面向排列形式的冷却系统需要更多的CRAC，因为每一排都必须一套CRAC。

然而，当功率密度增加的时候，面向排列形式制冷系统的电力成本始终是最低的。气流的通路越短，就表明越容易通过小型的高效率鼓风机来满足所需要的大量气流。而在面向机房形式的制冷系统中，如果希望送出更高的风量，就需要更大功率的鼓风机将冷风吹得更远，而且还要克服更高的风道阻力。

当考虑维修性和可管理性的时候，面向机房形式的制冷系统通常是非常独特的工程方案，这包括多家供应商提供的子系统、独特的地板结构，以及维护的复杂性。而面向排列形式和面向机架形式的制冷系统却使用标准的模块化部件，从而减少了停机时间，并且简化了维修程序。另外，面向排列形式和面向机架形式的制冷系统也提供了当前或未来性能方面的近实时模型，这样就避免了冷却容量和管理方式改变所进行的预测工作。