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智慧百科

弱电工程数据中心密封的三种方案

前言:

在过去的十年中,许多企业都已经意识到:具备密闭系统的数据中心气流管理实践方案的相关优势。现在,人们对于“随着每台机柜的平均热负荷的增加,简单地将机柜安置在传统开放的热/冷通道中的配置方案并不是有效的方法”这一点也非常容易理解了。相关的行业协会已经推荐将间接和直接的液体冷却作为高密度应用程序的解决方案,但是,对于今天的平均机架密度和未来十年预期的机架密度而言,使用具有周边冷却的密闭系统仍然是非常有效的解决方案。此外,密闭系统还能够为热通道/冷通道、省煤器应用程序和免费的自然空气冷却方案的翻新改造提供相应的支持。

在本文中,来自Chatsworth Products公司(CPI)的相关专家将为我们对三款数据中心密闭系统分别进行分析和比较,并为我们具体分析其中一款系统较之其他系统的重要区别。希望本文能够为广大读者朋友们在确定符合贵公司数据中心要求和业务目标的最佳密闭选项时提供相关的参考借鉴。

 

数据中心密封的三种方案

关于数据中心完全的密闭,有三种基本的方法。如下,我们将为您分别介每种系统,并为您列出采用每种系统所需考虑的相关益处和挑战。

 

管道式排气机柜(立式排气管)                                                               

管道排气柜是带有垂直排气管的封闭式服务器机柜。

 

1:几台带有垂直排气管道的管道排气机柜剖视图,如图显示了通过机柜和服务器机房的气流情况。注意:热排气通过垂直排气管被隔离,并从服务器机房中排出。

如上图1所示,由服务器所排出的热排气被封闭在机柜内,完全与机房内的空气隔绝。热空气通过架空垂直排气管被排出机柜,该排气管将热空气引导至天花板吊顶上方的集气室,并返回到冷却单元(如图)或外部通风口。

关于管道式排气柜架构的相关考虑因素(立式排气管)

  优点:

  是基于机柜的最简单的部署和更改方案

  最具成本效益的部署方法

  排气管即热通道

  整个服务器机房是冷通道,并提供供气

  机柜可安置在机房的任何地方、任何方向,推荐为使用传统的热通道/冷通道配置,以便最好的利用空间,但并不需要严格的热过道/冷过道机架行

  无需额外的过道通道以部署管道式排气柜,数据中心建筑内的承重墙的位置和结构并不影响部署

  消除了对于活动高架地板的需求

  冷空气可以从机房的任何地方传送,无需实施严格的机柜前冷空气供应

  辅助设备可以安置在任何地方,并且仍然可以实现充分的冷却,因为机房很凉爽

  如果存在活动高架地板,通过瓷砖渗漏的大部分空气将进入冷通道,而不会浪费旁路空气

  消防灭火系统仅需要进行最少的更改或无需更改——喷淋头必须覆盖整个数据中心操作空间

  缺点:

  该系统需要一个高架空间,并且需要在空气处理器单元上额外增加一个套环来创建一个完全封闭的回路

  该系统要求将管道安置在每台机柜的上方;且管道还必须能够延伸到高架空间

  某些设备并不提供垂直排气管的选项,要求第三方提供送风管道;某些供应商可能会提供一款定制化的解决方案

  空气处理机上的风扇速度应调整至与设备的要求密切相符;而这可能需要关闭一些单位或升级变速风扇

  优化操作条件可能需要添加一些仪器或HVAC控制

        热通道密闭(HAC)

 

  热通道密闭(HAC)是数据中心业界目前所使用的最为普遍的密闭解决方案。该这种方法中,在热通道上设置管道的工作和挡板的配置,门的任一端都堵住通道入口。

 

 

 

    图2HAC解决方案的剖视图,在热通道上构建有管道,如图显示了通过容器通道和机房的气流。注意:排出的热空气被隔离,并通过热通道上的管道从机房中排出。

  如上图2所示,HAC解决方案包含并隔离了室内的热排气,防止其到达相邻的冷通道并与冷空气混合。然后,热通道中的热废气将返回到冷却单元,通常通过天花板吊顶的集气室。

  关于HAC架构的相关考虑因素:

 优点:

  密闭通道即热通道

  整个操作机房(除了密闭热通道外)冷通道,并提供供气

  消除了对高架活动地板的需求

  冷空气可以从操作机房的任何地方输送;无需严格实施在机柜前输送

  辅助设备可以放置在任何地方,并且仍然充分冷却,因为操作空间足够凉爽

  如果存在活动高架地板,通过瓷砖渗漏的大部分空气将进入冷通道,而不会浪费旁路空气

  消防灭火系统仅需要进行最少的更改或无需更改——喷淋头必须覆盖整个数据中心操作空间

  缺点:

  较之管道式排气柜(立式排气管),其配置和更换更为复杂

  较之管道式排气柜(立式排气管),其部署方法的成本更昂贵

  机柜必须放置在相邻的热通道/冷通道行中,并成对配置以形成热通道

  该系统可能需要长度均匀的机架行,平行且对齐的排列安置;

  每个通道两端的门可能需要额外的过道通道;

  该系统需要一个高架空间,并且需要在空气处理器单元上额外增加一个套环来创建一个完全封闭的回路

  该系统需要在热通道上建造一个通风管道;该管道必须能够延伸到顶部的通风道

  高架路径可能穿透HAC,需要做额外的工作来缓解气流泄漏

  数据中心所在当地的相关监管机构可能要求在管道和天花板之间要设置较大的间隙

  密闭的通道可能会给让操作运营的员工们感到室内温度不舒适

  根据数据中心内部温度的不同,数据中心所在当地的监管机构可能会认为密闭的热通道是危险位置,并且要求对其安装额外的安全设备或标牌

  空气处理机上的风扇速度应调整至与设备要求密切相符;而这可能需要关闭一些单位或升级变速风扇

  优化操作条件可能需要添加一些仪器或HVAC控制

冷通道密闭

  冷通道(CAC)配置通常用于改造已有高架地板冷却系统的数据中心环境。

 

 

3:一款CAC解决方案的剖视图,在冷通道上构建天花板,显示气流进入所密闭通道,通过机柜并通过操作机房返回到冷却单元。注:热排风在操作机房内由天花板被隔离在冷通道内。

 

如上图3所示,在冷通道上设置了一个屋顶和/或隔墙,两端都有门。这隔离了冷通道内的冷空气,使其与相邻热通道中的热空气隔离分开。热的排气在热通道中自由升起,并通过操作机房返回空气处理机。

 

  关于CAC架构的相关考虑因素:

 

  优点:

 

  对于现有的热通道/冷通道数据中心环境,该系统是一个简单翻新改造,特别是对于活动高架地板供气通风系统

 

  密闭过道即冷通道,并提供供气

 

  缺点:

 

  较之管道式排气柜(立式排气管),其配置和更换更为复杂;

 

  较之管道式排气柜(立式排气管),其部署方法的成本更昂贵;

 

  操作机房即是热通道”;

 

  机柜必须被安置在相邻的热通道/冷过道行中,并成对布置,以形成热通道”;

 

  该系统可能需要长度均匀的机架行,平行且对齐的排列安置;

 

  每个通道两端的门可能需要额外的过道通道;

 

  冷空气必须通过高架活动地板或高架管道被输送到密闭的冷通道

 

  该系统通常使用高架活动地板设计

 

  可用气流难以控制,无法很好满足设备的要求

 

  密闭冷通道上的防护天花板结构必须围绕数据中心建筑的承重立柱和其他承重的建筑构造

 

  可能需要移动架空通道,并将其提升至机柜上方,以便为密闭天花板结构提供足够的空间

 

  需要将消防灭火系统扩展到所密闭的操作空间(这些更改可能是需要花费很高成本的项目)

 

  操作环境的温度可能会让工作运营人员感到不舒服

 

  辅助设备将处于热通道空间,可能会降低性能

 

  如果存在高架活动地板,通过瓷砖渗漏的大部分气流将进入热通道,进而降低回流到冷却装置的空气的温度,这可能降低冷却机组的效率

 

  空气处理机上的风扇速度应调整至与设备要求密切相符; 这可能需要关闭一些单位或升级变速风扇

 

  优化操作条件可能需要添加一些仪器或HVAC控制

 

企业数据中心应选择使用哪种类型的密封方案?

 

英特尔和德国电信旗下的T-Systems公司曾于2010年在T-Systems公司位于慕尼黑Euro Industriepark的总部进行过一项实验(见注释1)。该实验表明,一种形式的密闭方案较之另一种并不存在明显的效率优势。所有三种系统的相对冷却性能都大致相同。然而,最近由CPI公司所建立的CFD模型则表明,在一定的条件下,管道式排气柜(立式排气管)HAC则具有效率优势。

 

  贵公司数据中心所选择的密闭系统的类型应该基于您企业自己的业务需求和数据中心建筑的架构。无论使用哪种方法,都必须充分隔离数据中心内的冷空气。在每种情况下,您都需要考虑以下几点。

 

  1、有效的密闭是至关重要的

 

  为了尽可能地实现冷送风和热废气之间的充分隔离,在密闭系统中使用良好的密封是非常重要的。这包括机柜内和机柜周围的密封,以及机柜和密闭系统组件之间的密封。

 

  有效的密封所带来的好处包括:

 

  防止机柜内的空气再循环和旁路气流;

 

  允许冷却系统空气处理程序进行调整,以支持操作机房内最小的压力变化,并保持开放空间和密闭空间之间的轻微压力差;

 

  最大限度地提高能源使用效率。密封越好,就越能更好的控制风扇的速度,使其与服务器的供气需求量密切相符。这样,返回的排气以较高的温度输送到冷却机组;

 

  提供节能方面的最低运营成本;

 

  企业数据中心在选择密闭制解决方案时,务必要考虑密封性。密闭解决方案供应商们通常会在气流的泄漏方面描述系统的密封性能,通常是基于在特定操作压力下对于每台机柜的特定气流量的百分比进行描述。比较这些值时,请注意条件可能不匹配的情况。在运行期间,气流量应该是整个机房在计划内的静态压力下的最大可持续容积。例如,CPI公司在测试时就将其密封遏制系统性能定义为:每台机柜0.05英寸水柱(0.01 kPa)的排气流量为3000 CFM(5097 CMH),泄漏量小于5%

 

  2、防止机柜内部及周围的气流再循环和旁路气流

 

  有效的气流管理和冷却成本的降低需要消除机柜内或机柜周围的旁路气流,我们推荐采用以下最佳实践方案,如下图4所示。

 

 

  图4:显示设备周围的旁路气流的机柜剖视图(左图);良好的气流管理指导通过设备,并阻止气流的再循环(右图)。利用机柜内的挡板和下料板密封空气旁路设备的开口是至关重要的。所有通过机柜的空气都应该通过设备,并将热量从设备中传出,排出机柜。

 

 

  使用适当的机架技术来阻止机架安装设备周围的气流;

 

  使用挡板密封所有未使用的机架安装空间,以阻止机架安装设备之间的气流;

 

  在机架安装设备周围使用空气挡板和密封件,以防止设备周围的热空气再循环;

 

  在机柜和高架活动地板的电缆开口周围使用密封件;

 

  使用机柜之间的密封来阻止机柜之间的空气流入所密封的空间;

 

  使用挡板阻止机柜下的气流进入所密封的空间

 

  在执行任何进一步的密闭制项目之前,应该采取上述这些步骤。阻止旁路通过机柜的气流(以及用于气流输送的高架入口地板的开口)是任何有效的气流管理解决方案的关键组成部分,其可以暂时解决散热问题,而无需额外的管道排气或通道密封。此外,在拆除设备时安装下档板和在新的地板开口形成时安装密封件也需要严格按照程序执行。

 

 3、压力管理

 

  在您数据中心的密闭系统中建立“良好的密封”不仅仅是密封以防止气流泄漏的问题。其还要求对密封环境进行全面的压力管理,特别是对于CAC而言。完整的密闭结构应包括一套有效的压差管理系统。这可能包括更新或引入HVAC控制。

 

  4、利用工程分析

 

  一旦实现了阻止机柜内旁路气流的基本步骤,并决定实施完整的密闭系统,就可以创建一个计算流体动力学(CFD)模型来演示添加密封方案的结果了。

 

  一些密封方案的供应商可以提供一些基本的分析,其中可能包括一个操作空间的CFD模型来描述条件变化前后的相对供应和返回温度。也可以用来估计冷却系统能量需求降低的一部分。

 

  或者,一项正式的工程研究将考虑整个冷却系统,单个部件的贡献以及该部分的节约所带来的年度具体影响。还可以考虑在各种条件下的性能,例如,在《ASHRAE数据通信系列:数据处理环境的热指导方针》RP-1499中所推荐和允许的范围(见注释2)。一项工程研究可以提供更详细的估计,以包括任何数据中心站点实施遏制解决方案时所需进行的升级或更改。

 

  密闭系统之间的主要差异

 

  下表列出了每种密闭系统的主要考虑事项清单,并总结了密封遏制系统之间的主要差异。基于上文所介绍的各自的优势和挑战,并对各自的相关性能,复杂性和成本差异进行了对比,对解决方案进行排名以满足您数据中心的要求。

 

 

 

            注释:
  1、个别密闭系统的气流泄漏情况取决于安装和修改时用于密封开口的护理程度的不同而有所差异。然而,任何系统都可以创建一套类似的密封。5%的方案被列为一套优秀的密封方案。这表明了密封遏制系统的基本概念具有类似的性能,正如T-Systems和英特尔的研究所提出的那样。但是,整体性能应该考虑通过活动高架地板或吊顶天花板充气室的额外泄漏情况,这对于每款系统是不同的,并且可能影响整体的成本。较高的泄漏需要增加空气量,这意味着要运行更多的冷却装置/空气处理机。
  2、当使用平板地板时,“良好的密封方案预计能够将气流泄漏”下降到0%。借助CAC,冷空气通过活动高架地板或高架管道输送到封闭空间。虽然高架管道的泄漏量会下降到0%,但管道需要非常大的空间来处理气流量,数据中心的建筑空间必须能够适应管道的物理尺寸和支撑结构。同样地,如果CAC用于机架行冷却,则泄漏将为0%,但是为行列式冷却机组部署和供电的首要成本以及冷却机组的操作成本通常将超过基于房间的周长的散热设计。
结论
您企业数据中心所选择的密封系统的类型应该基于您企业的业务需求和数据中心建筑架构的限制。正如本文中所介绍的,不同的系统包含不同的组件和相对成本的组合,故而您需要根据您企业数据中心所处的具体地点、具体的需求进行不同部署选择。而无论您选择哪种系统,您企业的数据中心站点所消耗的冷却能量的减少都可能会是相当显著的。

 

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