《数据中心制冷知识汇编》之制冷设计、安装部署摘要

第四章:数据中心制冷的设计介绍

4.1制冷量单位回顾

所有热/冷相关问题都坚持一个测量单位:

Watt/sqmtr 瓦特/平方米

RLU (Rack Location Unit)- 每机架瓦特

空气冷却能力:

制冷量(Q)= 0.5764 * Δ𝑇 * 𝐶𝐹𝑀

CFM = 1.75 * Q(瓦特)/ Δ𝑇

4.2制冷规划的目标

制冷规划的目标要满足以下几个方面的要求:

4.3制冷设计规划

整体热负荷 – Watts:确定关键负荷,始于识别主要部署的设备。设备热负荷可以通过确定每件设备的额定功率来获得。出于预算目的,可以将UPS功率容量以kW为单位并增加10~20%。通常,冷却系统设计早于占用空间的设备部署计划。在这种情况下,设计师的经验至关重要。了解各种应用和设备部署的典型负载配置文件。以及对未来增长因素的考虑,可能更容易定义特定区域在预期标准下的热负载。

整体热负荷 – CMF:除了冷却能力的kW额定值之外,我们还需要评估基于CFM / CHM的空气流量位移能力。作为一项快速规则,我们可以使用平均每千瓦160 CFM的假设,假设计算机房中的大多数设备是传统设备,其delta-T约为10-15摄氏度(取值为11摄氏度)。冷却能力kW基于显热负荷能力。

RLU功率密度:一个明确的趋势是RLU功率密度每年都在增加。典型的服务器部署,每RLU为3000-5000瓦;1U服务器部署,每RLU可达 5000-8000瓦;刀片服务器部署每个RLU甚至超过30000瓦;90%的服务器环境的机架密度在3000到6000瓦之间。

CMF和RLU:有效的冷却是通过给负载提供温度适当和体积足够的空气来实现的。美国采暖,制冷和空调工程师协会(ASHRAE)标准是将20°C至24°C的温度范围内的空气输送到IT设备入口。

关于风量CMF,制冷负荷每1 kW需要160立方英尺/分钟(CFM)。5,000瓦的1U服务器机柜需要800 CFM。

计算机流体动力学(CFD)建模:可以对地板下空气区域以及地板上方区域执行CFD建模。

许多软件还允许将地板下的和顶部的气流障碍物映射到模型里,更准确地代表环境。气流建模为工程师提供了参考,在最短的时间内提供多种设计选择。因而,最终设计不是基于试验性的考虑,而是通过专业的设计过程,得到几个选项并选择最佳解决方案。这可以节省资金和运行成本,节省纠正设计错误的时间,和调试的时间。

确定房间配电策略:制定房间配电策略的两个主要决策是配电单元(PDU)的放置位置,以及是否在头顶或地板下运行电源线。

确定机柜配电策略:理想情况下,分支电源来自不同的PDU,UPS,发电机/ ATS,变电站,以及真正的2N(系统+系统)或2(N + 1)冗余。

配电对冷却的影响:选择如何管理RLU中的电源线首先要确定安装电源板的位置。如果它们垂直安装,则应安装在后部和侧面。如果使用水平电源板,根据设备布局,它们可以安装在任何方便的机架U位置。

确定数据电缆的部署策略:数据线分布对冷却的影响:电缆管理策略的有效性对冷却性能有直接的影响。服务器打包得越密集,那电缆越多。关键是利用具有充足电缆管理空间的RLU,以避免阻塞空气流动。虽然服务器电缆管理臂非常实用,不应使用那些严重阻碍空气流动的电缆管理臂。

确定冷却区策略

有效的计算机房冷却就是除去热量和增加冷量 – 排除热空气,增加冷空气。三种设备冷却方法及其典型的冷却能力:

  • 室内冷却:上流式CRAC空调,作为冷空气输送源,与排热源相反,向室内输送冷空气以使其与负载产生的热量混合。
  • 行冷却:是一种受欢迎的由活动地板,热通道/冷通道组成的冷却配置。冷空气通过冷通道中的多孔地板传送。热通道在热通道中积聚,并使用天花板高度作为返回CRAC单元的通道。
  • 机柜冷却:空调在独立的RLU中交付。这类似于带有服务器的冰箱。对机柜冷却的告诫是它需要连接到远程散热源,如冷冻水。
  • 高密度冷却:当今数据中心的一个共同主题是不断增加负载密度。冷却密度大于 4 kW / RLU,但小于8 kW / RLU可以通过行内部署空调的解决方案实现。
  • 确定冷却策略:制冷系统有多种选择。

很多时候,使用什么类型的空调的选择取决于现有的设施服务。如果一个计算机房位于高层建筑里,由冷凝器水回路提供服务,那么显而易见的选择是水冷系统。

确定冗余策略:在选择合适的冷却解决方案时,考虑冗余因素非常重要。冗余意味着提供额外的容量,使得如果系统的一部分发生故障,则剩余的工作组件可以提供设计要求的容量。为所有空调子系统提供冗余,包括CRAC单元,排热设备,管道,泵等。

精密空调:精密空调是通常用在计算机房,非精密或舒适的冷空调通常用于住宅和商业办公室建筑。有较高的显热比(SHR)。计算机房等级(精密)空调设备和舒适的冷空调设备都能消除显热和潜热,它们的比率被称为显热比。精密空调可以提供高达95%的显热制冷,舒适的冷空调可以提供低至30%的显热散热。

冷空气的输送:高架地板的高度直接影响CRAC单元的冷却性能。CFD分析表明,60cm是大多数高架地板冷却应用的理想高度。如果活动地板太低,则空气移动太快,靠近CRAC的机架CMF不足。

吊顶的高度也直接影响CRAC设备的冷却性能。如果天花板太低,则热量无法及时回到CRAC设备,以便被排到室外。根据经验,吊顶高度一般30cm到60cm。

4.4冷却性能监控

环境监测系统必须能够监控每个房间,行和机柜冷却区。即使针对特定负载曲线建立了有效的冷却性能,它也将快速变化。为站点的所有环境参数编译趋势数据非常重要,这样可以快速执行移动,添加和更改。

独立的基于IP的GUI监控系统:

  • 监控冷水机组和其它室外设备
  • 监控CRAC/CRAH和热交换设备
  • 监控每个冷却区的实际设备入口温度。

设定特定条件,产生告警。

4.5制冷量单位回顾

本章介绍了数据中心制冷规划所需要考虑的事项,每一项都可以用表格表现出来,这里只讲了概念。

 

第五章:数据中心制冷的安装部署

在第四章我们了解了制冷的设计规划,在这一章我们再详细了解一下制冷系统的选择。

5.1制冷系统选择

从项目规范到日常运营,冷却系统的效率将影响项目的各个方面。为了使系统所有者获得最佳价值,应仔细分析散热方法,以确定冷却系统的使用寿命。

水冷方法具有更高的性能和更低的运营成本,提供最佳的长期投资。采用水冷散热方法的系统比其空气冷却方式节能约35%。具有水冷散热系统可提供最佳性能,最小占地面积,最大容量和最理想的操作考虑因素。

具有流体散热功能的系统介于空气和水冷方法之间。虽然没有像水冷技术那样节省相同的能源成本,但它们确实提供了比空气冷却技术更好的投资,特别是在水的可用性有限或干球和湿球之间存在较大差距的地方。因而,基于流体的冷却系统是对空气冷却方法的技术改进,包括效率,噪音,总体拥有成本以及用最少的水操作的能力。

当绝对没有水时,使用风冷散热的传统系统将满足设计规范; 但是,这些系统需要最大的空间,最大的运营预算,并在运行期间保持最高水平的声音。

随着时间的推移,冷却方法的节能将非常重要。对于冷却系统而言,这意味着总体拥有成本将更加依赖于其效率。安装成本,即使对于最初更昂贵的系统,也会被水冷技术等高效方法迅速抵消,从长远来看可以节省资金。

除了直接的能源成本,冷却系统的选择还会受到许多地方和国家实体的影响,这些实体越来越关注节能和环境责任。

5.2制冷设备占地面积

高密度数据中心需要冷却装置能够以尽可能小的占地面积提供最高的冷却能力。主要制造商提供的占地面积最小的高功率CRAC可提供约90 kW的净显热制冷量,但需要3×1米(深度x宽度)的占地面积。

然而在实践中,由于CRAC气流抛掷距离的实际限制,一个CRAC将难以有效地将空气均匀地输送到所有90个机柜; 在大多数情况下,距离CRAC最远的机柜可能会比靠近CRAC的机柜收到的冷空气少 – 假设高架地板高度满足实际要求和对地板下影响气流的障碍物最少。

5.3空调安装考虑

服务走廊:有的机房部署服务走廊,把制冷设施和IT机柜隔离,用于减少机房出入。

当在服务走廊打开门时,CRAC会从办公区吸入空气,这意味着灰尘颗粒和其他污染物会进入空调,不同的温度和湿度也会导致入口波动。由于空调需要补偿这些不规则性,这可能导致功耗增加。应对空调器的顶部进行管道处理,以避免额外空气进入。

漏水检测:当空调器出现泄漏或结露时,为了避免或减少水流入计算机房区域的风险,在空调或带有排水点的滴水盘周围安装斜坡。当使用滴水盘时,需要确保斜坡直立不会太高,因为这可能会产生冷空气湍流。

空调与消防控制面板/ EPO相连:有些国家规定,需要将空调器连接到消防控制面板,以便在发生火灾时便于自动关闭空调。

 

空调安装考虑:

  • 使用落地支架/框架/底座。由于空调机组的重量,建议在使用高架地板基础设施时使用空调地板框架,这将允许无振动传导到机柜。
  • 确保采取防振措施。在高架地板和空调之间填充橡胶减少震动传导。
  • 尽可能使用服务走廊。理想情况下将空调放置在服务走廊中,以便在计算机房内提供额外的安全和降噪。
  • 保持制冷剂/水管道尽可能短地离开计算机房。对于DX类型的冷却基础设施,确保不超过允许的最大管道运行距离。尽可能不要超过距离限制,如果超过,可增大管道直径来补偿流速损失。管道的上升和下降弯曲会降低制冷容量。
  • 使用适当的过滤网。

空调开通运行:数据中心建成后,需要测试和调试空调基础设施。进行热注入测试以确保冷却系统按照设计工作,可以通过在机架内安装加热器风扇来完成。可安装在机架上的加热器风扇优于独立加热器单元,因为独立单元通常不能很好地代表实际的热负荷分布。

确保正确配置所有冷却装置,需要配置冷却单元,使得所有温度和湿度设定点相等。包括设定点的阈值。需要确保空调中的传感器得到校准,因为湿度传感器设置往往会随时间漂移。

风量处于指定水平,在空调能够调节空气流量的地方,需要确保空气压力处于平衡状态。

各种供应商都提供控制单元,将所有冷却装置连接到中央监控单元,确保单元同步。

5.4加湿策略

渗透,冷凝和通风会导致IT环境湿度的变化。加湿器添加水蒸气和除湿器去除水蒸气。它们共同维持IT环境的湿度。

5.5本章小结

本章介绍了大中小数据中心的制冷系统的选择,以及安装部署上的注意事项,后面还讨论了湿度管理问题。

本文首先介绍了数据中心制冷的基础知识,然后介绍了制冷系统,以及和机房密切相关的制冷知识,然后是制冷的设计规划以及安装部署,所有想学习数据中心制冷的运维人员或者相关人员,基本上花费两个小时就可以了解所有相关知识,这是这一篇文章的目的所在。

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