淺談微模塊數(shù)據(jù)中心的建設(shè)與發(fā)展

The Construction and Development of Micro Module Data Center

閆偉

YAN Wei

（江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司）

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淺談微模塊數(shù)據(jù)中心的建設(shè)與發(fā)展

The Construction and Development of Micro Module Data Center

閆偉

YAN Wei

（江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司）

1 微模塊數(shù)據(jù)中心概念

微模塊數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)是集成化、產(chǎn)品化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)柜系統(tǒng)，它是將傳統(tǒng)機(jī)房的機(jī)架、空調(diào)、消防、布線、配電、監(jiān)控、照明等系統(tǒng)集成為一體化的綜合產(chǎn)品方案，具有快速、靈活、簡便、可預(yù)測等明顯優(yōu)點。它是以若干機(jī)架為基本單位，包含制冷模塊、供配電模塊、后備電源以及網(wǎng)絡(luò)、布線、監(jiān)控、消防等系統(tǒng)在內(nèi)的獨(dú)立的運(yùn)行單元。該模塊全部組件可在工廠預(yù)制，并可方便拆卸，快速組裝，以實現(xiàn)系統(tǒng)的快速、靈活部署，這不僅可以大幅降低建設(shè)成本，而且能夠大幅縮短數(shù)據(jù)中心的建設(shè)周期。如圖1所示。

1.1 傳統(tǒng)機(jī)房存在的問題

傳統(tǒng)機(jī)房建設(shè)由于技術(shù)的限制，以及以前對于機(jī)房管理需求的不同，存在以下諸多問題。

圖1　微模塊數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)示意

1) 投入大，見效慢，可擴(kuò)展性差

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計容量一步到位而IT負(fù)荷逐年增加，一次性投入巨大，大量投入多年不能產(chǎn)生效益；更為重要的是可擴(kuò)展性差。

2) 建設(shè)與業(yè)務(wù)脫節(jié)

數(shù)據(jù)中心建設(shè)周期長，跟不上業(yè)務(wù)發(fā)展速度，機(jī)房建設(shè)時間少則半年，多則2年。

3) 能耗高

機(jī)房能耗大，能源利用效率低；房間級制冷，大量無效空間浪費(fèi)了冷量；冷流短路，降低了制冷效率；國內(nèi)大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心的PUE值在2.6以上。

4) 機(jī)房利用率低

單位建筑面積承載的計算能力有限，基礎(chǔ)建設(shè)投入利用率不高；機(jī)柜功率容量低，無法放置高密度服務(wù)器；傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心單機(jī)柜功率不到2kW。

5) 資產(chǎn)管理難

數(shù)以萬計的IT資產(chǎn)盤點困難，更不清楚什么設(shè)備在什么位置；資產(chǎn)人工盤點，開銷大、效率低、易出錯。

6) IT設(shè)備空轉(zhuǎn)

經(jīng)過一段時間運(yùn)行的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心存在大量幽靈（空轉(zhuǎn)）服務(wù)器，數(shù)量可達(dá)15%以上。浪費(fèi)能源，浪費(fèi)機(jī)房容量。

7) 設(shè)備部署或變更的煩惱、設(shè)計容量浪費(fèi)

一次規(guī)模部署或變更，事前花大量人力確定方案；什么設(shè)備放在什么位置，空間、電源、冷量、網(wǎng)口夠嗎？如果不小心錯誤部署或變更，則會引發(fā)事故；非智能設(shè)備部署導(dǎo)致設(shè)計容量浪費(fèi)。

1.2 微模塊機(jī)房與傳統(tǒng)機(jī)房對比的優(yōu)勢

1）快速

模塊化結(jié)構(gòu)可以大大減少與設(shè)計、安裝、調(diào)試有關(guān)的時間，進(jìn)而更快地部署數(shù)據(jù)中心，總體來說可以縮短整體部署時間的50%（見表1）。

表1　部署時間對比

2）靈活

模塊化結(jié)構(gòu)使得客戶可以在很短的時間內(nèi)選擇不同的基礎(chǔ)設(shè)施組合，把它們放置在普通房間內(nèi)，就構(gòu)建成了數(shù)據(jù)中心。另外，我們還可以利用模塊化方式對現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心非常容易地進(jìn)行改造、擴(kuò)容，且可以節(jié)省大量的初期投資成本（分期部署時）。部署的靈活性對比如表2所示。

表2　部署的靈活性對比

3）簡單

模塊化結(jié)構(gòu)在工廠經(jīng)過預(yù)設(shè)計和調(diào)試，在現(xiàn)場可以簡單地部署，所需要的建設(shè)規(guī)模和復(fù)雜程度是最小的，設(shè)計時預(yù)留了供配電接口、制冷接口、網(wǎng)絡(luò)接口等，因此可以做到即插即用。這種預(yù)生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化、外觀的統(tǒng)一性便于客戶非常簡便地采購、部署和調(diào)試（見表3）。

表3　部署的簡便性對比

4）可預(yù)測

模塊化結(jié)構(gòu)可以強(qiáng)化數(shù)據(jù)中心建設(shè)的可預(yù)測性，大大降低了數(shù)據(jù)中心建設(shè)中的風(fēng)險。由于模塊化結(jié)構(gòu)是預(yù)設(shè)計、預(yù)測試、預(yù)安裝的系統(tǒng)，預(yù)先要經(jīng)過工廠驗證，預(yù)先調(diào)試到其最佳性能，因此具有很好的質(zhì)量保障，而且交付期也非常短，一般為7～8周（見表4）。

表4　部署的可預(yù)測性對比

5）節(jié)能

兩種部署方式的節(jié)能效果如表5所示。

表5　節(jié)能效果對比

微模塊機(jī)房相對于傳統(tǒng)的機(jī)房具有的優(yōu)勢和特點如表6所示。

表6　兩種機(jī)房的優(yōu)劣對比

2 微模塊中心機(jī)房的建設(shè)

2.1 微模塊整體組成

該微模塊由底座、服務(wù)器機(jī)柜、電源柜、電池柜、列間空調(diào)、天窗、頂部線槽和端門等部件組成。從系統(tǒng)來看，可劃分為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、綜合布線系統(tǒng)等子系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用雙排機(jī)柜冷通道密封形式，提供1.2m寬的冷通道空間；采用若干定制機(jī)柜，單機(jī)柜提供42U安裝空間，可分別提供3kW功率支持。供配電系統(tǒng)采用雙路市電輸入方案。對于服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)的IT負(fù)載，提供雙UPS電源供電。制冷系統(tǒng)采用列間精密空調(diào)，靠近機(jī)柜設(shè)備進(jìn)行制冷。消防系統(tǒng)主要由煙感、天窗磁力鎖和消防門禁控制箱等組成，需要依賴于數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)已有的消防系統(tǒng)完成消防滅火動作。綜合布線系統(tǒng)采用機(jī)柜上走線，實現(xiàn)強(qiáng)弱電分離；監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)動環(huán)監(jiān)控、動態(tài)能耗顯示、資產(chǎn)自動檢測、實時容量檢測等多種功能，并與上層云管理服務(wù)系統(tǒng)智能聯(lián)動。同時提供門禁、紅外入侵、視頻監(jiān)控、水浸、機(jī)柜門磁、聲光報警、煙感等全面保護(hù)。

2.2 微模塊電氣系統(tǒng)

2.2.1 配電系統(tǒng)

為了保證微模塊的高可用性，配電系統(tǒng)采用雙路市電輸入方案，經(jīng)ATS自動切換后到UPS，再經(jīng)過UPS后到IT機(jī)柜；另外引一路市電直接到IT機(jī)柜。

所有服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)的IT負(fù)載，提供1路UPS電源供電,1路市電保證其供電需求。

為了保證微模塊的高可用性和高節(jié)能性，不間斷電源采用模塊化UPS配置。

為了保證監(jiān)控及安防、消防系統(tǒng)各種傳感器不間斷工作，可單獨(dú)配備一臺小型UPS為其供電。

精密配電柜系統(tǒng)配備智能電量儀，將采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)（包括但不限于總電壓、總電流、總功率、用電量、功率因數(shù)、諧波、各支路電壓、各支路電流、告警信息等）納入到監(jiān)控系統(tǒng)中。

精密配電柜系統(tǒng)對所有空開、電池維護(hù)開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，配置防雷模塊與維修開關(guān)。防雷模塊為C級防雷以上。市電直供交流配電的交流輸入配置防電壓浪涌器。

2.2.2 PDU

PDU安裝在服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)，為IT負(fù)載進(jìn)行供電。一般配置3kW功率段的PDU，每個服務(wù)器配機(jī)柜交流PDU 2個。

交流PDU外觀如圖2所示。

圖2　交流PDU外觀

2.2.3 接地微模塊接地系統(tǒng)滿足人身安全及運(yùn)營設(shè)備正常運(yùn)行的要求。微模塊內(nèi)電源、列間空調(diào)等設(shè)備的金屬導(dǎo)體、底座、柜體、天窗等金屬結(jié)構(gòu)部件均做等電位聯(lián)結(jié)。

微模塊對外接地時，其底座接地點與機(jī)房接地分匯集排之間，用16mm2黃綠相間色單芯絕緣阻燃軟電纜可靠連接。

機(jī)柜內(nèi)所有電纜均符合YD/T 1173的要求。電纜和母線的絕緣層或外護(hù)套顏色符合GB 7947的要求。

2.2.4 照明及維護(hù)插座

微模塊內(nèi)安裝有平板LED照明燈具，安裝于冷通道內(nèi)頂部。照明系統(tǒng)照度達(dá)到500lx以上，并實現(xiàn)人員進(jìn)出時的燈光自動控制。

2.3 微模塊制冷系統(tǒng)

2.3.1 氣流組織

微模塊內(nèi)，空調(diào)同微模塊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電源柜以及UPS柜，共同組成密閉的冷通道，實現(xiàn)冷熱空氣隔離，微模塊采用水平送風(fēng)的列間空調(diào)進(jìn)行制冷。列間空調(diào)采用前部雙側(cè)送風(fēng)，正面送風(fēng)方向小于90°，冷空氣直接靠近熱源，送風(fēng)距離大大縮短，減少了氣流沿程壓力損失和冷空氣的泄漏量，冷空氣利用率提高15%～20%。

微模塊的氣流循環(huán)示意圖如圖3所示，空調(diào)將服務(wù)器排出的熱風(fēng)從空調(diào)后部吸入進(jìn)行冷卻，然后從空調(diào)前部吹出，冷空氣在冷通道內(nèi)擴(kuò)散后，再被服務(wù)器吸入、排出，如此反復(fù)。

圖3　微模塊氣流循環(huán)圖

2.3.2 列間空調(diào)

列間空調(diào)滿足如下特性：

1) 空調(diào)正面水平送風(fēng)，背面回風(fēng)；正面送風(fēng)方向小于90°，雙側(cè)送風(fēng)；

2) 背面安裝便于更換的G4等級過濾器；

3) 可采用送風(fēng)/回風(fēng)溫度控制方式；

4) 配置獨(dú)立控制器，支持多行中文顯示，可顯示機(jī)組狀態(tài)、進(jìn)出風(fēng)溫度、風(fēng)量、進(jìn)出水溫度等參數(shù)；

5) 具備掉電記憶功能，異常掉電后，來電可自啟動，可恢復(fù)掉電前運(yùn)行狀態(tài)；

6) 具有組網(wǎng)功能，可實現(xiàn)微模塊內(nèi)多臺空調(diào)群控運(yùn)行，實現(xiàn)休眠、輪巡等群組功能；每臺機(jī)組配置相同控制器，均可作為主機(jī)運(yùn)行；標(biāo)配RS-485通訊接口；

7) 風(fēng)冷型列間空調(diào)支持交流雙電源供電；

8) 提供必要的告警信息，包括但不限于回風(fēng)高溫、高濕、異常掉電、通信故障、氣流丟失、風(fēng)機(jī)過載、進(jìn)水高溫等；

9) 采用R410A環(huán)保制冷劑的直流變頻EC壓縮機(jī)，動態(tài)制冷，適應(yīng)快速變化的機(jī)房負(fù)荷；可大大降低壓縮機(jī)啟停次數(shù)，提高系統(tǒng)可靠性；

10) 采用EC技術(shù)的可調(diào)速風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)在出風(fēng)口均勻布放，按制冷需求或風(fēng)壓自動調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；風(fēng)機(jī)N+1冗余配置；任意風(fēng)機(jī)故障，仍可確保全風(fēng)量運(yùn)行；

11) 采用電子膨脹閥，平滑調(diào)節(jié)節(jié)流開度，與變?nèi)萘繅嚎s機(jī)配合實現(xiàn)節(jié)能；調(diào)節(jié)范圍寬，降低過熱度，提高能效比。

2.4 微模塊消防系統(tǒng)

微模塊消防系統(tǒng)主要實現(xiàn)火災(zāi)探測、天窗和設(shè)備聯(lián)動、消防告警等功能。消防系統(tǒng)主要由煙感、天窗磁力鎖和消防門禁控制箱等組成。密閉冷通道內(nèi)頂部安裝有煙感；在活動天窗上安裝有天窗磁力鎖；在微模塊頂部安裝一個消防門禁控制箱，內(nèi)置天窗電磁鎖控制模塊；外接消防24V控制電源及220V交流電源，由數(shù)據(jù)中心機(jī)房總的消防控制器提供的干接點信號進(jìn)行聯(lián)動控制。

當(dāng)某個微模塊的煙感偵測到煙霧，向數(shù)據(jù)中心機(jī)房消防控制器上報告警信號；消防控制器控制該微模塊的消防門禁控制箱進(jìn)行動作。消防門禁控制箱向該微模塊的監(jiān)控系統(tǒng)輸出報警信號，微模塊產(chǎn)生聲光報警；切斷天窗磁力鎖電源，打開活動天窗；關(guān)閉列間空調(diào)。數(shù)據(jù)中心機(jī)房消防控制器，控制消防噴頭噴出消防氣體進(jìn)行滅火。

微模塊消防系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心機(jī)房消防控制器聯(lián)動原理如圖4所示。

圖4　消防聯(lián)動原理圖

微模塊對數(shù)據(jù)中心消防系統(tǒng)的要求如下：

1) 機(jī)房內(nèi)的消防采用房間級的氣體消防系統(tǒng)，由業(yè)主完成；

2) 多個微模塊集中部署時，采用集中式滅火系統(tǒng)。并與數(shù)據(jù)中心消防系統(tǒng)配合；

3) 消防系統(tǒng)的選型首先必須符合數(shù)據(jù)中心所在地消防局的相關(guān)規(guī)定并得到其認(rèn)可。

2.5 微模塊系統(tǒng)綜合布線

微模塊采用上走線的布線系統(tǒng)，在頂部安裝線槽，實現(xiàn)線纜的有序管理。

布線系統(tǒng)特性如下：

1) 微模塊頂部實現(xiàn)強(qiáng)電線槽和弱電線槽分離，分別用于電源線和信號線走線。紅色標(biāo)簽線槽走強(qiáng)電，藍(lán)色標(biāo)簽線槽走弱電；

2) 微模塊頂部提供橫向線槽和縱向線槽。橫向線槽位于微模塊每列機(jī)柜頂部，實現(xiàn)橫向走線；縱向線槽連通微模塊兩列機(jī)柜；

3) 微模塊頂部線槽內(nèi)有清晰的強(qiáng)弱電標(biāo)識；

4) 每個機(jī)柜內(nèi)后部左側(cè)安裝弱電線槽，右側(cè)安裝兩條豎裝的交流PDU和直流PDU；

5) 兩個微模塊之間通過機(jī)房走線架進(jìn)行連接，走線架分為電源線走線架和信號線走線架。

2.6 微模塊智能管理系統(tǒng)

微模塊內(nèi)設(shè)置24小時不間斷運(yùn)行的智能管理系統(tǒng)。

系統(tǒng)對機(jī)房微模塊內(nèi)的動力設(shè)備、環(huán)境設(shè)備、安防設(shè)備統(tǒng)一監(jiān)控，并實現(xiàn)對微模塊能耗、資產(chǎn)、容量等統(tǒng)一運(yùn)維管理，最終達(dá)到對微模塊基礎(chǔ)設(shè)施智能化監(jiān)控管理的要求。

系統(tǒng)體現(xiàn)“高科技、智能化、綠色節(jié)能”的建設(shè)理念。

圖5　微模塊監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

微模塊監(jiān)控系統(tǒng)作為云管理服務(wù)系統(tǒng)中的一個組成部分，通過交換機(jī)，將每個微模塊的信息統(tǒng)一與上層的云管理服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)互通。微模塊監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

各部分的主要作用如下。

現(xiàn)場設(shè)備：由各種智能設(shè)備、傳感器、I/O采集模塊，通訊轉(zhuǎn)換模塊等組成；現(xiàn)場設(shè)備是監(jiān)控數(shù)據(jù)的根源，現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)通過通訊轉(zhuǎn)換模塊或者直接接入現(xiàn)場監(jiān)控層。

處理層：由數(shù)據(jù)采集處理單元（GU）組成，負(fù)責(zé)收集與處理由現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送上來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集處理單元內(nèi)置在微模塊中，其具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、協(xié)議轉(zhuǎn)換、聯(lián)動控制、報警管理、視頻集成等功能，內(nèi)嵌WEB服務(wù)，支持遠(yuǎn)程IE訪問。該數(shù)據(jù)采集處理單元，可采集管理微模塊內(nèi)的各種動力設(shè)備、環(huán)境參數(shù)和安防系統(tǒng)以及IT設(shè)備參數(shù)。提供友好的人機(jī)界面，滿足用戶個性化需求。內(nèi)置WEB服務(wù)為系統(tǒng)管理人員提供遠(yuǎn)程設(shè)置、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)及遠(yuǎn)程報警等專業(yè)管理功能。網(wǎng)絡(luò)中斷時仍可獨(dú)立運(yùn)行、存儲數(shù)據(jù)及聯(lián)動控制。

當(dāng)機(jī)房僅有一個模塊時，微模塊內(nèi)置的監(jiān)控系統(tǒng)可以獨(dú)立完成該模塊的基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控能力，通過顯示層的各種展示終端和報警發(fā)送設(shè)備組成系統(tǒng)，實現(xiàn)微模塊監(jiān)控與用戶的人機(jī)交互。

在由多個微模塊組成的數(shù)據(jù)中心中，微模塊內(nèi)置的數(shù)據(jù)采集處理單元，將采集的數(shù)據(jù)和處理后的結(jié)果、報警信息等上傳至上級云管理服務(wù)系統(tǒng)。

3 微模塊中心機(jī)房的發(fā)展趨勢

在IT行業(yè)中，舉足輕重的政企市場正在快步進(jìn)入云計算時代，一方面，越來越多的中小企業(yè)，從自建小微數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)而向成熟的云計算服務(wù)提供商購買云服務(wù)；另一方面，政府也開始嘗試與專業(yè)IT廠商合作建立市級、省級的云計算數(shù)據(jù)中心，為二級單位提供云服務(wù)，云計算已經(jīng)從前幾年的概念炒作發(fā)展到今天在政企市場中的實用階段。數(shù)據(jù)中心作為支撐云計算服務(wù)的基礎(chǔ)單元，隨著云計算的快速發(fā)展，勢必會呈現(xiàn)集中化、大型化、專業(yè)化的趨勢，微模塊數(shù)據(jù)中心正是在這種背景下出現(xiàn)的一種新型數(shù)據(jù)中心部署形式。

云計算的重要特征之一就是彈性擴(kuò)容，而實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的彈性化部署則是其中尤為關(guān)鍵的一環(huán)。IT界的新技術(shù)往往最早出自更具創(chuàng)新力的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，在建設(shè)彈性數(shù)據(jù)中心的探索中，由于對數(shù)據(jù)中心的需求量更大，規(guī)模更集中，又更加看重成本，國內(nèi)外的大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)又一次走在了行業(yè)前列。以Google的比利時數(shù)據(jù)中心為例，配電和制冷分別位于機(jī)房兩側(cè)，采用類似集裝箱的模塊化單元，機(jī)房內(nèi)部也采用了冷、熱通道隔離的微模塊單元，成為真正的模塊化數(shù)據(jù)中心。但國外的成功經(jīng)驗并不一定適用于國內(nèi)，在土地資源尤其緊張的中國，容積率超低的單層廠房式數(shù)據(jù)中心無疑是奢侈的，所以更加適合多層數(shù)據(jù)中心的室內(nèi)微模塊，慢慢成為國內(nèi)彈性數(shù)據(jù)中心探索的主要方向。

參考文獻(xiàn)

[1]郭亮.淺析微模塊數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵技術(shù)[J].信息通信技術(shù), 2013（01）.

[2]陳廣成.中興微模塊數(shù)據(jù)中心 顛覆傳統(tǒng)的IDC新模式[R].中興通訊云數(shù)據(jù)中心峰會，2014.

【摘要】要 】微模塊數(shù)據(jù)中心是將傳統(tǒng)機(jī)房的機(jī)架、空調(diào)、消防、布線、配電、監(jiān)控、照明等系統(tǒng)集成為一體化的產(chǎn)品，充分發(fā)揮了模塊化設(shè)計的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的快速、靈活部署，這不僅可以大幅降低建設(shè)成本，而且能夠大幅縮短數(shù)據(jù)中心的建設(shè)周期。微模塊數(shù)據(jù)中心建設(shè)對機(jī)房的空間環(huán)境沒有特殊要求，不需抬高地板和其他機(jī)房的專門裝修。微模塊數(shù)據(jù)中心提高了數(shù)據(jù)中心的整體效率，既提高數(shù)據(jù)中心內(nèi)IT設(shè)備的效率，也提高能源的使用效率，它擁有先進(jìn)的列間空調(diào)制冷和冷熱通道隔離技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的綠色化。

(Jiangsu Province Post and Telecommunications Planning & Design Institute Co., Ltd.)

【Abstract】Micro Module Data Center is a integrated product. It contains the framework, air-conditioning, fire-fighting equipment, connection-up, power distribution, monitor, lighting and so on. It plays the advantage of the modular design sufficiently to implement the fast flexible deployment. It is not only for reducing expense, but also for shortening the construction period. Micro Module Data Center construction has no special requirement to the space environment of the computer room. It is not necessary to raise the special decoration of the floor and other rooms. Micro Module data center improves the efficiency of the data center, which includes the efficiency of IT equipment in the data center and the efficiency of energy. It has an advanced inter - column air conditioning refrigeration and hot-cold channel isolation technology which is useful for afforestation of data center.

【關(guān)鍵詞】微模塊；氣流組織；列間空調(diào)；冷熱通道隔離

【Keywords】micro module; air-flow organization; inter column air conditioning; hot and cold channel isolation