引言
隨著云計算時代的來臨，在互聯網時代已經大量釋放的計算需求進一步得到釋放，這導致全球數據中心呈爆炸式增長，而且服務器部署密度進一步提高。與此同時，全球能源危機卻日益臨近，對企業而言，信息化程度的日益提升意味著運營成本的飛速增長。因此提升密度、降低PUE，逐漸成為下一代數據中心的設計方向。
在下一代數據中心的技術研究和實踐上，以Google、Facebook、Yahoo為代表的互聯網公司走在了前列。
以Google為例，其核心業務搜索引擎的性能極度依賴數據中心的規模和效率�；ヂ摼W公司基本上都是技術型公司，有非常鮮明的技術導向；又由于創業時的艱難，他們非常熱衷于利用技術手段降低成本，特別是釆用廉價的部件搭建高性能、高可靠性的系統。在數據中心的建設上也是如此。與傳統數據中心相比，互聯網公司沒有采用傳統技術，摒棄了高冗余供電系統設計，少采用甚至不釆用空調系統，大大降低了基礎設施的建造成本。同時，互聯網公司又使用先進的軟件技術，使系統高度并行化，在應用層設置備份機制，用應用層的冗余代替了基礎設施的冗余，建立起了一整套高效、可靠、廉價的系統。
Google最為人熟知的3篇論文：GFS、MapReduce、Bigtable，是Google大規模分布式計算系統的基礎模型，GFS是Google的分布式文件系統，MapReduce是并行計算模型，Bigtable是分布式結構化數據布儲，它們合起來代表了Google的應用系統架構。這種架構對服務器、存儲的需求與傳統應用完全不同，它們不要求服務器的單機性能，但要求服務器的數量非常龐大，并且具有高速互聯能力，以及大量的本地存儲，另外少量服務器還需求大量內存。Google的數據中心必須提供這樣的IT基礎能力，再加之Google的服務器數量實在過于龐大，還必須考慮電力、水的消耗，所以Google采用了全新的數據中心設計理念，其它互聯網公司，如Facebook也類似。它們采用的理念主要包括：
1）數據中心選址：一般選擇高緯度地區，并兼顧氣候干燥、空氣潔凈、接近水源等條件。
2）服務器定制：放棄使用標準的機架服務器或刀片服務器，按自己的需要進行定制。如Google采用整機柜高速背板設計，每一臺服務器采用類似刀片服務器的設計方案，插入背板；再如Facebook采用1.5U的機架式服務器設計方案，并去除機箱頂蓋，更利于散熱；再如它們都使用特殊的電源設計，以接入高壓直流的數據中心電源系統。
3）自然冷源：多使用自然冷源可減少制冷機組的開機時間，而近期建設的一些數據中心已做全部使有然冷源，完全不使用冷機。在自然冷源的使用中，大部分是采用自然通風技術，還有少量采用了自然水源制冷。
4）高壓直流：除了制冷系統有全新設計外，它們在供配電系統設計上也與傳統方案截然不同，如放棄使用UPS，采用全直流供電，在供電備份上也有很多創新，如直流供電與市電互備等等。
所有這些技術的綜合運用，使用這些互聯網公司在低成本上構建了大規模、高效的系統。從近年來數據中心的PUE排名，可以看到互聯網公司的數據中心技術已經非常領先，Facebook的美國俄勒岡數據中心PUE達到1.07，Yahoo“雞窩”式數據中心達到1.08，Google的比利時數據中心達到1.16，而傳統數據中心一般在2.5以上。
1 制冷系統
IT設備對環境的要求是非常高的，如服務器一般要求工作溫度10℃-35℃，工作濕度RH10%-90%[4]，為了保持IT設備正常高效的運行，數據中心機房一般會設定溫度22℃±2℃，相對濕度RH50%±5%，并且7*24*365的保持這樣的機房環境。要保持這樣環境條件，精密空調系統一般是必不可少的。在數據中心的能耗分布，空調系統的電力消耗是除了IT設備之外最大的。
從上圖我們可以看到，在傳統數據中心中，用于制冷系統的能耗幾乎占到總能耗的35%-45%（Chiller+Humidifier+CRAC）。
在這里簡要介紹一下PUE的概念。PUE（Power Usage Effectiveness）是評價數據中心能源效率的指標，是數據中心消耗的所有能源與IT負載使用的能源之比，是DCiE（Data Center Infrastructure Efficiency）的反比。
Total Facility Power：數據中心總能耗
IT Equipment Power：IT設備總能耗
PUE值越低意味著除IT設備之外的能源消耗越少，也就是數據中心越節能。而除IT設備耗能之外的能耗主要是在制冷設備的能耗和供配電設備的損耗，因此減少制冷系統的能耗和供配電系統的損耗是綠色節能設計的主要方向。
當前先進的數據中心的設計中，無一例外的都采用了自然冷卻（Free Cooling）技術。按維基百科的解釋，自然冷卻的定義如下：
Free cooling is an economical method of using low external air temperatures to assist in chilling water,which can then be used for industrial process, or air conditioning systems.
制冷（Cooling）是指從空間或從對空間的送風中移走熱量，以抵消空間獲得的熱量。通俗的講，制冷并不是真的制造出了冷，而且把室內的熱量移到室外，一般采用的方法是通過對冷媒的壓縮、蒸發，人為的制造出冷源，再運用熱交換技術把室內熱量帶走。
而自然冷卻則不使用冷媒，無需人工制造冷源，直接把室外的冷源引入室內，達到冷卻的目的。目前廣泛采用的自然冷卻方法主要有水側自然冷卻和風側自然冷卻2種方式，而風側自然冷卻又分為自然通風(Natural Ventilation)和熱交換2種方式。本文毛要介紹自然通風方式。
下圖是一種典型的白然通風冷卻方案的結構，從中我們可以石一到自然冷卻方案的主要原理是:室外冷空氣導入室內，與室內熱氣混和，再經過一定的過濾處理，以調節溫度和濕度，最后通過風機把混和后的冷空氣送入機房內。通過散熱形成的熱空氣再與新的室外冷空氣混和，多余的熱氣直接排入室外。
Intel新墨西哥州數據中心Free Cooling示意圖
目前Google. Facebook, Yahoo以及Intel. Microsoft均建有類似方案的數據中心。Facebook的普賴恩維爾數據中心在俄勒岡州普賴恩維爾(Prineville, Oregon)到雷德蒙德（Redmond, Oregon)之間，它全年都采用了自然通風制冷的方案，完全不使用制冷機組，再加之其它方面的節能設計一，根據Facebook自己公布的數據，PUE可達到1. 07。
首先，從選址上看，普賴恩維爾屬于高緯度高原沙漠類型地貌，全年平均氣溫只有8. 2度，相對濕度呈現夏季低、冬季高的分布情況，這對采用數據中心采用自然通風提供非常有利的自然條件，降低了溫度、濕度控制的難度。除了極端天氣的情況，不論是夏季或冬季均可以采用自然通風。而假如出現夏季25℃以上情況，由于濕度低，也可通過水噴淋降濕的方法使室外空氣達到輸入機房的條件。OCP(Open Compute Project)公布了這個數據中心的設計規格，其中對室外空氣條件描述如下:
下圖展示了Facebook普賴恩維爾數據中心的氣流組織方向
首先該數據中心建筑有兩層，一層是數據中心機房及動力房，二層是完全用于空氣處理。室外新風首先通過一道百葉窗進入二樓的室外新風室，百葉窗可以阻擋樹枝等大的雜質進入室內， 同時新風室還有排水渠用于在雨天排水。
然后室外冷空氣會通過一個風閥導入下一個房間一一空氣混和室， 當然在這之前會進行一個初步過濾， 如砂子、灰塵等會在這一階段過濾掉。同時由機房排出的部分熱空氣也會通過另一個風閥導入空氣混和室，冷空氣、熱空氣充分混和后形成溫度、濕度合適的空氣。多余的機房熱空氣則會直接排出室外。
混和空氣再通過空氣過濾組(Filter Bank)進行空氣凈化，這個步驟主要解決2個問題，一是過濾掉一些微小的懸浮顆粒，二是化學處理掉對電子設備有腐蝕作用的成分， 如硫化物等。第二步根據當地空氣質量確定如何去做。如果當地空氣潔凈， 沒有污染， 則基本無需進行化學過濾。
接下來的環節是進行冷卻和加濕處理�；旌涂諝鈺M行蒸發冷卻/濕房， 通過噴水霧的方式， 利用蒸發的原理進行降溫， 同時也會增加濕度。
空氣處理的最后一步就比較簡單了，通過整面的風扇墻，把處理好的空氣送入一樓的機房。
2 關鍵技術分析
1)熱通道封閉
一般數據中心在制冷方面的能耗太高、容易出現局部溫度熱點， 主要是因為氣流組織不合理，機房內出現了冷空氣與熱空氣的直接對流混和，這會使得部分空調輸出的冷量沒有用于設備散熱。因此，不論是否采用自然通風方案，冷熱通道隔離都是必須的，如果進行冷或熱通道封閉，那隔離效果就更好了。
Facebook普賴恩維爾數據中心采用的是熱通道封閉，這主要是因為設備散熱后形成的熱空氣需要導入到二層的空氣混和室， 熱通道封閉后可以形成一個好的風道向空氣混和室排風。熱通道封閉也意味著冷空氣也密閉在獨立的空間中， 因此處理好的混和空氣吹入機房的冷空間， 形成靜壓箱后， 冷空氣就可以被服務器自動吸入進行散熱了。
2)自動控制系統
在空氣處理流程中，動力及環境監控系統是必須具備的重要系統， 該系統必須實時采集各環節的環境數據，包括室外及室內各房間的風速、溫度、濕度等數據， 以及各控制器、閥門的遙測、遙信數據，并能發出遙控、遙調指令，使得百葉窗的開度控制閥、冷空氣風閥、熱空氣風閥、水霧控制裝置、風扇墻的風機等控制器能根據事先設計好的動作邏輯進行自動聯動。
控制邏輯是這個系統的核心技術， 目前我們正在進行研究和實驗。
核心關注：拓步ERP系統平臺是覆蓋了眾多的業務領域、行業應用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業務管理理念，功能涉及供應鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業務領域的管理，全面涵蓋了企業關注ERP管理系統的核心領域，是眾多中小企業信息化建設首選的ERP管理軟件信賴品牌。
轉載請注明出處：拓步ERP資訊網http://m.vmgcyvh.cn/
本文標題：先進數據中心的制冷技術分析
相關文章
