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协和林带你认识机房隔离冷(热)通道的两个基本原理

来源: 发布日期: 2020.01.10

  大家都知道,隔离冷()通道是来源于TIA942《数据申心通信基础架构标准》中要求机房内计算机设备及机架采用 冷热通道的安装方式,其核心指导思想就是我们在上节所阐述的合理规划数据中心气流组织 ,那么在现实的设计与实施过程中,遇到了问题怎么办?要以什么为基准来进行分析与处理呢? 这也就是我下面要跟大家分享的两个基本原理。

1、 容器原理

a)名称定义

  把数据中心中的静电地板以下的部分静压仓定义为容器体积(M);

  把经过气流组织规划后的冷通道区域定义为容器体积(M1);

  把精密空调送出的冷风量定义为(Q);

  把单台机架所需的冷风量定义为(Q1);

  把静电地板下静压仓的送风速度定义为(S);

b)原理阐述

  当在机房中布置了冷()通道后,单台机架所需的冷风量(Q1)是不变的,由于精密空调送出的冷风经过了 MM1不同的两个静压仓,这时我们假设容器M及其送风速度 S 为恒定不变,那么容器M1的压力Pa1是否足够就取决于容器 M1 的大小了,也就是Pa1是与M1的大小成反比的 ; 而当我们假设精密空调的送风量 Q为恒定不变,那么容器M1如果增加,就会得不到足够的压力,也就不能快速给机架散热。

c)结论得出

  通过以上的问题分析,我们不难看出冷通道容器体积M1如果增加,那么机架就不能得到足够的冷风风量Q1,也就可以这么说,在机柜高度相同的情况下,1200mm 宽的冷通道要比1800mm宽的冷通道所得到的效果要好。

  说到这里了,似乎有人会问,那为什么我们的静压仓的高度会越来越高呢?其实静电地板的净空高度增加,是为了减小送风的压力对IT设备所产生的影响,因为压力越大,其送风速度也就快了很多,它们经过 IT设备后,只是简单把把热量带走,而并没有对IT设备进行足够的冷却,还是没有达到满意的效果。

2、 混合原理

a)名称定义

  把经过气流组织规划后的冷通道区域的冷气定义为(C1);

  把经过气流组织规划后的热通道区域的热气定义为(H1);

  把由于地板下开孔后流窜到热通道区域的冷气定义为(C2)

  把由于未在机架前面安装挡风板从冷通道流窜到热区域的冷气定义为(C3)

  把由于未在机架前面安装挡风板从热通道流窜到冷区域的热气定义为(H3)

b)原理阐述

  我们大家都知道一个原理,就是在热水中加入冷水或者在冷水中加入热水,其水温都会变化成其二者的综合温度。那么针对数据中心气流变化也是一样的道理,当C1H1与混合后,其CH1 的温度值就小于C1,为保证设备得到同样的冷量,那制冷量在原来已经送出的基础上还需要增加,这势必要增加空调的压缩机功耗。同理当C2流窜到 H2 C3流窜到H3 H3 流窜到 C3后都会出现这种情况。

c)结论得出

  合理的组织规划,主要是为了让冷、热空气气流回归到属于自己的区域,防止冷热空气混合后,机房整体温度上升,同时为了降低数据中心的温度,而需要增加空调的制冷功耗。同时也为后面的论规划冷通道应该注意些什么问题提供了很好的理论依据。

一、 论如何选择布置隔离冷通道还是热通道

  关于冷热通道系统业界谈论最多的当属:是布置隔离冷通道,还是布置隔离热通道?”。那么实际案例当中,我们应该如何来正确的选择呢? 现在我们姑且不讨论怎样来做出选择,首先我们来看看这两种方案分别有什么不同。

1、 选择冷()通道的前提条件

  并不是所有的数据中心机房都适合布置隔离冷通道与热通道,主要还是看其数据中心的发热量是否大,如果发热量不是很大(一般是以单机架发热量不超过 4KVA为基准) ,那这个时候是即可以选择冷通道,又可以选择热通道布置方案。其它情况笔者认为还是选择布置隔离冷通道为最佳。为什么这么说呢?

1)选择布置隔离热通道后,我们把机房中除机架外当成是一个密闭的容器(M1),单台机架的发热量(Q1) 是不变的,那么要散去这些热量,是不是精密空调送出的冷气风量要更加多呢?也就是说当发热量恒定时,容器的大小与送风量是成反比的。从这一点来说,布置隔离热通道会增加空调的功耗。

2)选择布置隔离冷通道后,我们也把冷通道区域当成是一个密闭的容器(M2),单台机架的发热量(Q2) 是不变的,那么要散去这些热量,是不是精密空调送出的冷气风量要比布置隔离热通道小些呢?因为M2比较小。

2、 布置隔离冷()通道后机房的环境

  布置隔离热通道后,机房剩余空间即处于一个冷空气区域,经常出入机房的人会感觉到机房很冷,但设备却不一定得到足够压力的冷气。

  布置隔离冷通道后,机房剩余空间即处于一个热空气区域,经常出入机房的人可能会感觉到有些温度适应,但设备却得到了足够压力的冷气。

3、 布置隔离冷()通道先决条件

1)布置隔离热通道的先决条件是:除了要求精密空调为下送风、上回风的条件外,还特别要求数据中心机房必须具备良好的回风、新风系统。所以从这一点来说针对改造机房是不适合布置隔离热通道的。因为老的机房不一定具备良好的回风系统。

2)布置隔离冷通道的先决条件是:要求精密空调为下送风、上回风的系统,同时为保证送风量,静电地板的净空间至少为450mm

4、 布置隔离冷()通道的施工难易程度

  从布置隔离冷()通道的先决条件来看,布置隔离热通道的施工难度明显比布置隔离冷通道要大很多。

1)它所涉及到的回风管道安装与布置,是需要布置天花(而目前大多数大型数据中心是不需要布置天花的)

2)布置回风管道需要增加隔热材料及排风设备,这样才能有效的将热气排出。

3)接下来的工作就是封闭热通道或者冷通道,它们两者的材料及工作量差不多。

5、 布置隔离冷()通道的后期维护

1)布置隔离热通道后,热气有可能不是很快排出,所以需要增加排气风扇,这也给后期维护带来了很多的麻烦,风机是一直都在运行,不可能不会出现故障,那就需要更换排风风机,工作量也会增加

2)布置隔离冷通道后,其后期基本上没有维护的成本,就算是需要对机房内的照明更换,其也可以很方便的将冷通道顶棚移开。

6、 布置隔离冷()通道后的节能数据

  在允许布置隔离热通道的情况下,其布置隔离冷()通道后的节能效率数据是相差还是有的,其冷通道约可以节能30% ,而热通道由于需要加装回风风机,所以其节能效率明显要低于30%,有的地方可能还达不到10%。从下图中可以看到,在每台 ( )机柜后顶部都有可能需要安装一台回风风机。

7、 布置隔离冷()通道与消防联动

  消防一直是数据中心最为关注的、不可缺少、却又很少用到的预防综合性安全系统。在这里我们不是要谈消防怎样,而是要说当单个机房遇到火灾后会是怎么样的情形?因为所有的IT设备电源、机柜电源都是布置在机架的后部,即使 IT设备的电路板会有一部分在前端,当设备发生着火时,也是从机架的后部开始着火,本着遇到火灾先灭火的原则,应该在热空气区域安装有主要消防喷头,也可以在冷空气区域安装辅助喷头。

  由此,不然看出如下结论:布置隔离冷通道与消防联动似乎关系不是很大,而如果要布置隔离热通道,那就与联防联动有莫大的关系。

  也就是说,我们在布置冷通道的时候为了能与消防进行联动,而采用磁力锁封闭顶板的做法是不妥的。这样不仅对消防起不到什么关键性的作用,而且还增加了能量的损耗。

  当然具体的我们还会在下一期的文章中进行详细的阐述。

二、 论规划冷通道应该注意些什么问题

  前面的三个章节分别讲述了有关冷通道的相关问题,那么从这一章节开始,我们来讲讲一些实际项目中会面临到的一些问题。也可以说,我们在设计及布置隔离冷通道时应该考虑、注意的一些细节性问题。

  下面我会分别从方案的两种不同角度来阐述这些我们需要注意的问题。

Ø 未布置冷/热通道之前

  传统机房冷气得不到有效控制,冷气乱窜,所以有了机柜机房如冬,机柜如夏的感觉。传统机房散热示意图


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Ø 布置冷热通道之后,未隔离冷通道之前

  当数据中心按照气流组织的方式进行机柜摆放时,其冷通道与热通道的气流就会有互相流窜的可能性发生,而影响空调机组的制冷效率,更为严重的热空气流窜到机柜的正面与冷空气混合后再给IT设备制冷,这样一来,本应该是冷空气制冷,现在却变成了冷热混合空气给IT设备制冷,明显满足不了当今高负荷下的制冷要求。左边是出现这种情况的气流组织图:


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Ø 隔离冷通道之后

  冷通道机柜将输送到机柜内部的冷气以最节约有效的方式全部输送给散热设备,机柜内的热量延指定方向输送出机柜。设备间空隙使用封板盖住,不会引起热气回流。


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Ø 隔离冷通道之后,未安装机柜盲板

  当机柜的正面没有在未安装服务器的U立柱上安装满足的盲板或者前面与后面有相通的孔位,其机柜前面从地板下送上来的冷风就有会从缝隙中或者未安装盲板处流向热通道,与热空气发生混合,增加空气制冷负担,降低冷气利用率。以下两副图说明了有或者没有安装盲板的气流组织情况。


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Ø 隔离冷通道之后,又采用下走线的方式

  数据中心采用地板下送风,机柜下的高架地板开有出线孔时,由于地板出线孔的不密封将导致大量的冷风泄漏。在地板下静压为0.075吋水柱压力的情况下(20Pa) ,一个240 x 170mm开孔漏风量 410 CFM, 2.56kW 的制冷能力。而一个 25%开孔率的地板出风口,在20Pa的静压下,最大送风量约500CFM 3.125KW 制冷能力。假设每只机柜前面有一块地板送风口,每只机柜下有一只240 x 170mm出线孔,这样空调的送风有 45% 的冷风漏到了机房,只有55% 的冷风送到了机柜的前面,而送到机柜前面的冷风也没有完全进入服务器机柜,有一部分冷风又直接被空调机组吸回,这样实际进入到机柜的有效冷风就小于 50% ,空调有送风利用率很低,而造成数据中心效率低。


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  除了以上所讲述的冷热气流乱窜的问题,还有以下的这些注意事情需要业内人士多留意,以免冷通道是做的隔离,但是实际上效果却不怎么显著。

Ø 静电地板的净空高度应该根据数据中心内部的IT设备密集的大小来定义,一般按照450mm以上布置最为妥当 ;

Ø 静电地板下的送风速度应该保证在1.5m/S2.5m/S之间 (这个用风速测试仪可以测试的出来);

Ø 静电地板下面不能有走线线槽,即使有少数几根线缆需要走,也要处理好走线孔;

Ø 机架必须按照背靠背,面对面的摆放方式,并且采用上走线的网格桥架便于散热及气流组织 ;

Ø 隔离冷通道后,IT设备的布局应该是按照发热量的大小从下往上进行布置,因为机柜下端得到的风量比上端更加高些,这样更加有利于合理利用冷气资源。降低空调利用率,节能减耗。

Ø 机架的摆放位置距离精密空调的距离至少为1800mm,主要是为了减少列头机架的空气倒吸入到静压仓中。

Ø 为加快机架内冷热气体快速进入与流出,可以考虑增加机柜门的开孔尺寸,但机柜尾部的线不能增加到机柜门的开孔区域,特别是不能阻挡住IT设备的出风口,这点非常关键。

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