数据中心冷却系统的6种绿色节能应用

在业务高速发展的现有数据中心中，服务器计算能力通常随着业务的增加，电力和冷却系统需要也在增加。所以数据中心运营商面临的严峻挑战是如何提供足够的电力及冷却资源来支持服务器运行，或如何对系统进行相应的调整及优化，实现它未来的使命，同时让数据中心达到能源使用最小化。那么如何应对诸多挑战？

数据中心冷却的优化

随着业务的增加，服务器的负载及其发热量也随着增加，如需高效的去除这些服务器散出的热量，将需要一个有效的方法来改善这个高发热问题。有效的方法是对高热区进行定位并安装冷却装置进行针对性冷却，调节优化系统，从而降低整体数据中心能耗。
已经应用的数据中心冷却方式有传统房间级、机架级、行级冷却，还有针对服务器本身冷却，后三种冷却方式在某种程度上是要比传统的冷却效率高。

数据中心冷却方式介绍

1、传统房间级冷却

混合制冷方式是传统机房常用的方式(俗称冰柜式制冷方式)，传统的机房空调很少考虑机柜内部的温度，它仅仅能保证机房内温度符合要求。传统混合制冷方式布局以整个房间作为冷却对象，造成冷、热气流混流运行，即前面的机柜排出的热风很容易进入后排机柜的进风口，由于冷、热风气流混合，从而造成精密空调制冷及机柜热交换效率降低。

2、机架级冷却的应用

机柜的局部过热可以通过加装散热单元，增加风的流速和流量；也可通过在本柜内加装制冷设备；还可以能过增加机柜进口冷风的进风量。解决机柜内部的局部过热问题的装置，我们姑且称为机柜冷却器，该制冷系统是能够根据实际需要，灵活放置在最靠近主设备的位置，配合主设备机架按照冷、热通道隔离的布置方式，向主设备机架的冷通道注入高热密度设备所需的冷量的，即是说，能够将冷量直接送到机房最需要制冷的“热点”。

相对于传统机房制冷系统的“远距离送风循环系统”，这种方式大幅度降低了冷、热空气的交叉损耗，提高了制冷效率。此外，机架级冷却系统的制冷末端单元与传统机房制冷系统配合使用，可以解决单个机架高发热的制冷问题，非常适合配置了高热密度机架的机房，机架级系统的制冷末端单元安装在机柜附件，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；该系统随机房设备热量变化自动调节制冷量大小的特点也能大大提升节能效果。其次，该系统的制冷主机可以放置在其他房间，节省宝贵的机房空间等优势。

3、行级冷却的应用

调整机柜布局，实现冷热通道隔离，实施冷（热）通道封闭。服务器机柜采用背对背的方式进行安装，冷风从服务器前面进入，热风从服务器后面排出，这样可以保障相邻两排机柜的进风口温度较低,有利于服务器内部散热，同时能有效利用冷却循环，达到机柜内服务器的最佳冷却效果。

对于高密度机房，由于热气回流冷通道，会造成冷通道多处中断，出现热点时还需做吊顶，并实施冷（或热）通道封闭。若采用冷通道封闭，机柜正面进风温度控制较好，但是机房周围环境普遍较热，人员操作环境不如热通道封闭好。建议在高密度机房中，可采用双侧送风+做吊顶+热通道封闭的设计模式。

冷却器是作为一个装置，直接放在邻近服务器机架。要么安装在两个或以上的服务器机架行间对吹。冷却器回收服务器排出的热空气，热空气被吸入冷却装置并冷却（可以使用空气水或空气制冷剂进行热交换器），交换后的冷空气再提供到服务器的进气口。一些机房安装这种装置并结合附加密封结构系统，减少混合热排气和低温空气流的供给，在某种程度上达到了绿色节能。这种类型的冷却设备在进行了测试后，建议对冷热通道隔离，可进一步的提供冷却效果及节能效率。

4、机架级/行级冷却新应用

行级和机架式设备大多为了适用于大功率及高热度服务器。在此介绍一种新型的冷却方案和装置，机架和行级安装此类型设备适合年久的数据中心进行升级改造以及新数据中心的应用。机架级、行级安装冷却设备可以代替或补充传统的冷却系统和能源储蓄（冰蓄冷技术）。传统数据中心的冷却是通过计算机机房空调(CRAC)或计算机机房空气处理装置，这些空气处理装置通常安装在数据中心之上的高层用于冷却空气分布，这样不需要加强空气分布的机架级及行级设备的安装。

冷却器作为一个装置，所述系统可包括一个机架，通常一个或两个，机柜同方向摆放，冷热通道顶部全部封闭，从而阻止热空气进入机房。冷却器包含风机和热交换器，原理是风机提供克服空气流的压力，穿过机架和穿过热交换器，空气冷却后冷气流通过分流器导入屏柜内的发热部位，同时在柜内形成正压，使外界空气不能进入，对机柜进行有效的冷却和净化。

作为直接针对机柜内服务器冷却的冷却装置，类似汽车散热器，是放置在服务器机架的热气流出口，冷却装置对服务器散出的热空气进行冷交换后循环。一般来说，一个冷却装置热循环冷冻交换水可以来自冷水机组或冷却塔，这样可减少了服务器产生的热空气排放进入数据中心，影响机房整体冷却效果及环境温度。

在试运行期间，测试了一些在行内和机架的服务器风扇电源，服务器入口处温度提高从22.2°C到26.6°C和32.2°C。这些设备会随着服务器温度来改变服务器散热风扇的转速控制，数据中心运营商可以选择使用此变速装置，进行减少不必要的高温气流进入到服务器内。

5、服务器冷却技术与冷却装置

体现为直接针对服务器芯片进行冷却，冷却装置为一个直接接触冷却器，冷却设备的冷却液和服务器芯片及元器件紧密接触进行冷热传导交换，达到冷却效果。此冷却技术的关键是要让服务器制造商提供与此冷却技术一体化的平台。然而事实上，转向芯片冷却技术的速度比大多数人所认为的要快。美国加热、冷却及空调工程师协会的工作委员会去年就出版了关于据中心里采用液体冷却设备的指导方针。
芯片冷却的益处是很显而易见的，行业的研究小组测试了用水作为散热剂、散热功率密度达370W/cm2的散热技术，散热能力是目前75W/cm2空气散热技术极限的6倍。同时称，与其它的散热系统相比，这一系统的能耗大大减少。然而，这一系统的行业应用还要等上几年，这一趋势需要至少由一个服务器生产商采用此技术来引领。

服务器风扇根据服务器温度传感器进行变速运转，此功能根据不同厂家可能有区别。在一定程度上，服务器入口处的空气温度高时，服务器风扇将会加速运转来对服务器内部进行加大空气换气次数，通常随着服务器温度增加，风扇加速运转，功耗也将跟着上涨。经测试增加服务器进气温度22.2°C到26.6°C，服务器的平均功率将会增加6.2%。此外，如果冷冻水温度增加，就会导致服务器进气温度更高，将会导致增加服务器风扇的电力使用。因此，当提高机房冷却水温度时措施时，将会增加总用电量及缩短服务器的使用寿命，需要进行全面的分析。

6、自由冷却（Free Cooling）

自由冷却大多数在晚上及者在低温的冬季环境条件下（或者纬度越高的地区，遵循“高低高低”的法则），自由冷却是一种经济节能的方法，为数据中心室外冷却系统节省成本，当周围空气温度下降到设定的温度，调节阀，使全部或部分冷冻水由通过现有的冷却器，并通过自然冷却的系统，它使用更少的功率，并使用较低的环境空气的温度来冷却运行在系统中的冷冻水。

自由冷却可以与任何现有的冷水机组或自行安装的冷却器结合应用。在低环境温度下，处理器可以通过现有的冷水机，节能效果可达75％，不损害冷却要求。

在实际实践中，自由冷却并不是完全免费的，因为系统的水泵、风扇和其他空气/水处理设备是必要运行的，设备也需要定期的进行维修和维护。

根据系统设计，冷冻水分配泵功率不是一个大型组件的整体能源效率，此外，仔细规划的冷冻水分配系统使用变速设备和双向调节阀门可以提高能源效率，操作稳定，对现有设备节约能源。

结语

当我们开始设计新的数据中心的冷却系统和设备选型时，需要我们考虑数据中心初期和后期不断的扩大及和未来热负荷的增长，本文分析了房间级、机架级、行级、服务器冷却及自由冷却的冷却效果，目前很多厂商推出的解决方案还是以行间级冷却系统为主流，随着机房热负荷的高速增长，冷却系统装置的应用会进入一个新阶段——按需部署，机架级、行级冷却系统及自由冷却系统的进一步优化改进。