数据中心冷却系统基础设施包含哪些？

数据中心冷却系统中的关键因素。 这些因素如何在数据中心中结合在一起。 如何给客户描述工厂冷却系统的优劣。

 机房空调（CRAC）

a) 什么是机房空调（CRAC）

计算机机房空调Computer Room Air Conditioner(CRAC)是用于从数据中心转移出大量热量，并将大量冷空气送回数据中心的大型空调设备。机房冷却是通过将空气吹过充满制冷剂的冷却盘管来完成的。一般来说，CRAC单元是独立的，因此允许单个单元故障而不影响设施中的其他CRAC。独立单元也使得容量很容易增加，但是，CRAC缺乏许多大型统一冷却系统所具备的规模效率。所以，使用CRAC的数据中心的PUE通常更高。

图1：CRAC工作示意图

b) 机房空调的原理

CRAC由室内机与室外机组成，室内机中的主要器件是电子膨胀阀、蒸发器、压缩机、室内风机；室外机中的主要器件是冷凝器、室外风机。蒸发器内的制冷剂温度较低，室内风机抽来的来自服务器高温热空气与蒸发器发生换热，成为适合服务器入口的低温空气，吸热后的制冷剂通过压缩机的压缩排到室外冷凝器，将吸收的热量散到环境中去，散热后的制冷剂回流到室内机，经过膨胀阀的节流作用，变成低温的制冷剂，继续吸收来自服务的热风，从而完成CRAC的制冷循环。在这个制冷过程中，通过给压缩机、风机等部件提供电能，实现服务器散热量从室内侧搬移到室外侧的目的，但是这部分的能量消耗使得CRAC数据中心有更高的PUE值。此外，为了提高制冷系统的可靠性，通常会配置N+1或N+2的冗余方案。

c) 机房空调的其他考虑事项

然而，CRAC的制冷能力，有可能将空气中的水蒸气冷凝成水。因此，利用CRAC的数据中心必须在机组下安装泄漏检测系统，以检测从冷却方法中释放出来的任何液体。这一点经常被忽视，这也是为什么湿度控制功能也应该被考虑。

机房空气处理器（CRAH）

a) 什么是机房空气处理器

机房空气处理装置Computer Room Air Handler(CRAH)与CRAC装置的用途相同。然而，CRAH只使用风扇和冷却盘管。他们通常使用来自一个更大的统一冷却系统的冷水循环系统，使用与CRAC相同的压缩机和制冷剂系统，但具有更好的规模经济效益，以更低的成本将热量从数据中心楼层转移到大楼外面。CRAH系统利用冷水，允许多种冷却方法冷却水循环。能量转移不是直接在数据中心地板上完成的，这就是为什么CRAH被称为间接系统。此外，CRAH的不同设计显著影响了制冷范围，比如，一种设计只能降低空气温度12度，而另一种设计可以降低空气温度23度。通常来说，室外温度越高，就需要更强大的设备。

图2：CRAH工作示意图

b) CRAH的其他考虑事项

CRAH系统通常不配置超冷设施，因此，它们有助于消除实际数据大厅中CRAC冷凝的一些问题。但CRAH需要更大的供配网络，这可能意味着大型水管必须流经数据中心。如果水管破裂或漏水，这会造成水溢出的风险。这是数据中心需要包含泄漏检测系统的一个重要原因。

机房冷却结构

在大型机房和数据中心的早期建设中，几乎所有的机房都有加高楼层。地板下的升高空间是气流分布的重要通道。冷却设备将冷空气送入地板下，将冷空气均匀分布到设备间的机架上。此外，数据电缆和电源线也可以放置在升高的地板空间中。然而，近年来，越来越多的数据中心铺设平板地板，而将冷却通道和电力电缆架空在机架上方。

a) 架空地板

下图显示了一个升高的地板环境，CRAC/CRAH装置连同电力和网络直接集成在数据中心地板下面。因此，冷空气通过放置在每个机柜或一排机柜前面的通风地板，从地板下上升，来完成制冷。

图3：架空地板例图

然而，如果通风地板太靠近冷却装置，这些通风地板可能会产生文丘里效应，产生低压吸附效应，降低冷却效果。此时由于靠近CRAC或CRAH单元，通风地板上方的空气速度增加了地板上方的压力，并逆转了气口的空气流动。

在大多情况下，架空地板都不需要很大的深度。然而，安装一个架空地板系统要用到成本非常高的硬地板。因此，数据中心的设计人员和构建人员应该仔细评估升高地板的使用环境。

b) 平板地板

一些数据中心采用混凝土地板，冷却系统架在数据中心上方，采用自上而下的制冷方式。一些少量的研究表明，在高密度环境中(每平方英尺超过250瓦)，平板地板比架空地板能给机柜带来更多的冷却效果。

平板式地板设计可以用于所有类型的数据存储设施和服务器房间。目前来看，更适合使用的硬地板的情况包括：

超大型数据中心：具有高密度，大功率的特点。 高密度数据中心：可以使用新的新风系统和热通道控制策略。 在紧凑的空间中：地板不能升高，很难达到所需的功率密度。

图4：平板地板例图

c) 结构总结

大多数研究表明，在两种设计之间没有真正可证明的低成本或节能；然而，在实际使用过程中，我们会发现一种设计比另一种要好得多。这可能是由于不同的设施管理者在不同的环境中经历了不同的优化设计。事实上，没有研究确切地表明任何一种设计都绝对优于另一种。

冷热通道封闭

尽管存在架空地板与平板地板的争论，但毫无疑问，将冷却传递到服务器机柜的最有效方式是通过某种形式的热或冷通道容器。机房的封闭冷却系统为CRAC或者CRAH单元构建了预定通道，在服务器处精准制冷，不引入外部环境的热量。

图5：冷热通道封闭的制冷系统

封闭的冷热通道显著地降低了PUE，因为没有既不冷却也不加热的无效空间，因此，数据中心无需控制额外的环境温度，只需要精准控制机架温度即可。从本质上来说，我们需要制冷的空气变少了，制冷工作量也就会大大减少，从而提供更低的PUE。这样的系统，在优化之后，能使设施提供更高的功率密度。

图6：封闭通道气流示意图

散热端的经济化

空气侧制冷机将室外空气带入建筑物，并将其分配到数据中心楼层。服务器排出的空气没有被循环和冷却，而是直接送到外面。这也被称为“外部空气冷却”或“环境空气冷却”。这种方法通常与普通的冷却器一起工作，将空气从建筑物外部带进建筑物。较新的数据中心建在平均气温保持在18到27度之间的地区趋向于使用周围的空气来满足大部分的冷却需求。利用这种冷却方法的主要目的是节省资金。如果外面的空气特别冷，制冷机可以将外面的空气与排出的空气混合，从而排风的温度和湿度将落在设备所需的范围内。

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