互聯(lián)網(wǎng)機房制冷效率提升性能研究

李大振 梁永寬

（1.中山大學 廣州 510275； 2.華為技術有限公司 深圳 518129）

引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，各行各業(yè)的多數(shù)業(yè)務的處理都越來越依賴互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的管理，而隨著各企業(yè)規(guī)模的不斷擴大，各互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)也隨之擴容，進而給互聯(lián)網(wǎng)機房的制冷系統(tǒng)以更大的壓力，即對機房的制冷能力提出了更高的要求。以金融行業(yè)為例，為了滿足公司處理龐大數(shù)據(jù)的需求，各金融機構都建立了完善的數(shù)據(jù)處理中心以及互聯(lián)網(wǎng)機房，大量的機房雖然滿足了企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的需求，但是機房制冷系統(tǒng)所消費的成本卻沒有引起相關企業(yè)的重視。一般來說，機房的用電總量中超過30 %都是耗費于制冷系統(tǒng)，因此提升互聯(lián)網(wǎng)機房制冷效率的性能將使得整個機房的成本得到有效管理，并進而降低企業(yè)的總成本。而當前互聯(lián)網(wǎng)機房在設計、配置和運行上都存在不同程度的問題，各企業(yè)應當根據(jù)自身的不同情況以及需求，找到其中能夠有效提升機房制冷性能的關鍵問題，對系統(tǒng)進行有效的優(yōu)化改良，避免在互聯(lián)網(wǎng)機房運行上不必要的浪費。

1 影響互聯(lián)網(wǎng)機房制冷效率提升的主要因素

1.1 機柜內(nèi)空氣流通路徑的不合理

當前絕對大部分機房機柜內(nèi)空氣流通缺乏合理的路徑，因而機房制冷需求沒有得到有效滿足。機柜內(nèi)空氣流通路徑的不合理主要體現(xiàn)在一種名為空氣的短路循環(huán)情況上，這種情況是指由于機柜內(nèi)最下層設備排出的熱空氣會上升并與冷空氣混合，致使設備進氣口吸入的是冷熱混合氣體，這種情況將直接降低制冷系統(tǒng)的回風溫度，影響制冷系統(tǒng)的使用效率。此外，空氣短路循環(huán)也直接提高了設備的運行溫度，機房維護人員經(jīng)常通過進一步降低制冷系統(tǒng)的輸出溫度來解決該問題，而輸出溫度設定的降低一方面將直接增加機房制冷效率損失，另一方面機房管理人員也將采取額外的除濕工作，機房用電量顯著增加，能源浪費問題突出。此外，一個機柜內(nèi)通常會被放置多臺設備，這些設備所排出的熱氣體將無法迅速排出進而在機柜產(chǎn)生局部高溫，而為了解決該問題，管理人員通常會加大機房的制冷量，這就進一步增加了用電量。

1.2 機柜布局不當

如今大部分企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)機房的機柜在布局時通常存在明顯的不合理，這種布局的不當也影響了機房制冷系統(tǒng)性能的充分發(fā)揮。企業(yè)在對機柜進行布局時，往往只考慮擺放的美觀性、使用的便捷性以及空間利用的有效性，而忽略了不恰當?shù)臋C柜布局對制冷系統(tǒng)送風口與回風口的影響。當前仍有大量機房的機柜是向同一方向擺放的（如圖1所示），以為機房管理人員的管理工作以及機房內(nèi)人員走動提供便利，但是這種機柜布局將必然在機柜內(nèi)出現(xiàn)“熱點”，并引發(fā)嚴重的短路循環(huán)。此外，面向統(tǒng)一方向的機柜布局也將導致冷熱空氣提前混合，這是因為這種布局將產(chǎn)生機柜與空氣進出風口錯位的問題，在空調(diào)的冷空氣進入IT設備進風口之前，設備排出的熱空氣因無法在傳輸過程中直接抵達制冷系統(tǒng)的回風口而與冷空氣混合，進而影響機房制冷性能發(fā)揮的有效性，機房用電量增加，增加了企業(yè)的能源耗費成本。

1.3 高密度機柜分布增加機房制冷壓力

互聯(lián)網(wǎng)機房在設計之初普遍存在的高密度機柜分布將引發(fā)機柜的散熱問題，在很大程度上增加了機房的制冷壓力。在互聯(lián)網(wǎng)機房的設計階段，為了增強管理的便捷性，通常按照設備的類型進行分組擺放，即大量高功率或高負載密度的服務器安裝在距離較近的機柜內(nèi)，而大量低功率的服務器也進行了集中安裝，但是這種管理方式卻忽略了機房的制冷需求。高負載密度設備群極易在機房內(nèi)產(chǎn)生熱點，而為了解決該問題，機房管理人員又會通過設置更低的空氣溫度來降低機房溫度，但是這類措施通常不能對有效提高高密度區(qū)域的制冷效果，反而會使得其他非高密度機柜區(qū)域產(chǎn)生多余溢出的制冷量，能源被大量浪費，機房的制冷效率降低。

1.4 互聯(lián)網(wǎng)機房內(nèi)不合適的濕度設置

互聯(lián)網(wǎng)機房不合適的濕度設置也將影響機房的制冷效率。如果機房內(nèi)設定高于合理的濕度，將對機房內(nèi)制冷系統(tǒng)產(chǎn)生一系列影響。首先，機房內(nèi)濕度降低，則需要利用加濕器來提高機房內(nèi)空氣的水含量，而相應的加濕器也將成為機房內(nèi)主要的散熱源，降低制冷系統(tǒng)的制冷效率；其次，如果機房內(nèi)存在冷熱空氣的混合，則不良的濕度設置可能導致機房內(nèi)水分凝結(jié)，不僅降低了制冷效率，也可能引發(fā)機房設備的故障甚至是損壞；最后，如在機房內(nèi)多臺制冷設備配有加濕器，不同的制冷系統(tǒng)存在的不同回流氣體的濕溫度將導致制冷系統(tǒng)的相互抵觸。

2 提升互聯(lián)網(wǎng)機房制冷性能的方法

2.1 安裝盲板以優(yōu)化機柜內(nèi)空氣流通路徑

圖1 機柜面向統(tǒng)一方向時冷熱空氣流動

圖2 安裝盲板前后機柜內(nèi)氣流循環(huán)示意圖

安裝盲板將直接優(yōu)化機柜內(nèi)空氣流通路徑，避免空氣短路循環(huán)的發(fā)生。這種做法是將盲板設置在機柜上下層服務器之間（如圖2所示），此時機柜下層服務器排出的熱空氣因擋板的阻礙而難以繼續(xù)上升，設備所排出的熱空氣不會與冷空氣混合，設備進氣口將吸入純冷空氣，機房制冷性能得到了顯著提升，機房管理人員也無需再采取額外的措施來解決空氣短路循環(huán)造成的各項問題，減少了用電量的消耗，充分提高了機房制冷效率。

2.2 優(yōu)化機房內(nèi)機柜布局

針對機柜布局不當產(chǎn)生的問題，可以通過優(yōu)化機房內(nèi)機構布局來解決，主要有兩種方法，一是改變機柜的排列布置方式，二是合理設置地板柵欄。在機柜的排列布置上，當機柜數(shù)量不多時，可以將機柜以行排列并背靠背放置（如圖3所示），從而形成冷熱通道，降低空氣短路循環(huán)發(fā)生的可能性，而如機柜數(shù)量較多，則宜交替排列機房內(nèi)熱通道機柜和冷通道機柜。而在地板柵欄的設置上，為達到熱空氣排放到熱通道中，則應當在冷通道內(nèi)放置地板柵欄，機柜服務器的空氣入口面朝冷通道。

2.3 互聯(lián)網(wǎng)機房應當考慮高密度機柜造成的散熱問題

為了緩解高密度機柜分布引發(fā)的機房制冷壓力，互聯(lián)網(wǎng)機房的管理人員應當在機房設計或擴容時充分考慮高密度機柜造成的散熱問題。要降低該問題對機房制冷效率的影響，可以考慮采取以下幾點措施：一是在設備的放置設計過程中根據(jù)機柜負載的平均值注意將高負載的設備合理分開，從而使得機房內(nèi)各機架空間的冷卻需要量得以平均；二是為功率密度較高的機柜設置必要的輔助散熱設備；三是在互聯(lián)網(wǎng)機房內(nèi)設置專門的高密度機柜區(qū)域，并為該區(qū)域提供其所需的散熱能力；四是計算機房內(nèi)各機柜的總散熱量，并提供相應的散熱能力。

圖3 機柜背靠背時冷熱空氣流動

2.4 對互聯(lián)網(wǎng)機房進行合理的濕度控制

對互聯(lián)網(wǎng)機房進行合理的濕度控制將有效解決機房內(nèi)不合理濕度引起的制冷系統(tǒng)制冷效率低下的問題。針對該方面，可以采取如下措施：一是只在機房內(nèi)設置一個加濕器，關閉其他加濕器，以防止制冷系統(tǒng)相互之間的抵觸；二是在機房安裝中央濕度控制系統(tǒng)，以有效保持機房恒定在一個濕度值；三是注意協(xié)調(diào)不同制冷設備相互不同的濕度值。

2.5 合理設計機柜內(nèi)風道

機柜內(nèi)的風道設計即機柜送風口和回風口的設置是否合理，將直接影響機柜內(nèi)冷熱空氣的路徑，因此要想提升機房制冷系統(tǒng)的效率就應該合理設計風道。為了提高機房制冷系統(tǒng)的工作效率，減少機房運行成本，在送風口和回風口的設置上就必須減少空氣短路循環(huán)的發(fā)生，前置進風后置出風是最常采用的機柜設計方式，因此縮短機柜送風口與進風口之間的距離能夠有效減少冷空氣穿越機柜的路徑，加快冷空氣帶走機柜熱負荷的速度，從而將冷空氣和熱空氣分別控制在冷通道和熱通道內(nèi)。

3 結(jié)束語

互聯(lián)網(wǎng)機房制冷效率提升性隨著信息化的快速發(fā)展也已經(jīng)得到越來越多企業(yè)或機構的重視，節(jié)能已經(jīng)成為了決定機房設計方式以及維護手段的重要因素，也開始作為企業(yè)運營成本的一項關鍵性來予以管理。合理互聯(lián)網(wǎng)機房以及機房設備的設計、規(guī)范機房內(nèi)的各項操作和管理行為，降低不合理設計以及減少錯誤的操作和維護措施對制冷系統(tǒng)性能發(fā)揮產(chǎn)生的負面影響，將在保證制冷系統(tǒng)良好使用的前提下降低互聯(lián)網(wǎng)機房的運行成本。