近年来,针对数据机房电子设备发热量的快速增加,越来越多的解决方案被提出,其中较可靠、应用最普遍、效果最好的是通道封闭措施。
所谓通道封闭技术是基于冷热空气分离有序流动的原理,冷空气由高架地板下吹出,进入密闭的冷通道,机柜前端设备吸入冷气给设备降温后,形成热空气从机柜后端排至热通道,热通道的气体迅速返回到空调回风口。
通道封闭技术可以分为冷通道封闭和热通道封闭两种方式,冷通道封闭是将中间设置送风地板且面对面布置的机柜封闭起来,也可采取机柜内直接送风,提供足量冷量给机架服务器;而热通道封闭是指将背靠背布置的机柜以及通向天花板排风口的路径进行封闭,这种做法后来发展为单一机柜热通道封闭,又称烟囱式通道封闭,是将机柜后部封闭起来,热量集中送至吊顶回风静压箱再回到空调回风口。这两种方案均有实施案例,分别如图1、2所示。
图1封闭冷通道
图2封闭热通道
1封闭冷热通道的节能分析
图3为机房空调和机柜之间的送、回风路径的示意图。CFD仿真研究表明,由路径1送出来的气流只有70%通过路径2进入了机柜,余下30%的气流直接由旁路回到了空调的回风口(忽略机房内环境空气和机柜背面的回风环流进入机柜的情形。这个问题涉及冷、热气流的混合,并且风量很小,故此处不予讨论。)
图3送回风路径示意图
为了和不封闭通道时的情形在同等状态下进行比较,并使比较具有实际意义,必须有一个前提条件:假定封闭通道后实现的是和没有封闭通道时一样的冷却效果。则在没有封闭通道时,机柜的进风量为70%,在封闭冷通道的情况下,室内风机的送风量为没有封闭通道时的70%时,即可达到与其相同的冷却效果。
机柜内设备的发热量是一定的,所以其所需冷量是一定的,为比较封闭热通道后室内风机送风量的变化,特作如下假设:(1)假定机柜的平均进风温度为16℃,没有封闭通道或者封闭冷通道时机柜的平均出风温度为26℃,封闭热通道时机柜的平均出风温度为31℃。(2)假设空调的蒸发器内制冷剂的蒸发温度为7℃,且蒸发器内的制冷剂在蒸发的过程中近似不发生相变,则制冷剂与翅片外空气的传热过程属于无相变的热交换过程。按逆流热交换型式计算蒸发器内制冷剂和空气热交换的对数平均温差的公式为:。
基于以上两点假设,可以得出不封闭通道的对数平均温差为13.38℃,封闭冷通道的对数平均温差为13.38℃。封闭热通道的对数平均温差为15.29℃。根据传热公式,在冷量一定的情况下,风量和温差成反比,则封闭热通道后由于回风温度的增加,热交换的对数平均温差也相应地增加,在冷量一定的情况下风机的送风有所减少,相对没有封闭通道时风量减少的幅度为:1-13.38/15.29=1-0.=0.,即封闭热通道时,要达到和没有封闭通道时相应的冷却效果,风机的送风量应减少为原来的87.5%。
根据泵与风机的理论,风机功率N与风量Q的三次方也成正比,在冷却效果相同的前提下,空调室内风机在封闭冷通道时的送风量是没有封闭通道时的70%,则其在封闭冷通道情况下的电功耗是没有封闭通道时的0.73,即34.3%。同理,在冷却效果相同的前提下,空调室内风机在封闭热通道时的送风量是没有封闭通道时87.5%,在封闭热通道情况下的电功耗是没有封闭通道时的0.3,即67%因此,可以说封闭冷通道时室内风机比没有封闭通道时省电约2/3,而封闭热通道时室内风机比没有封闭通道时省电1/3,并且有时封闭热通道需要加装回风风机,所以省电达不到1/3。
综上分析,封闭冷通道较封闭热通道风机的电功耗小,较为节能。
2封闭冷热通道的运维舒适程度
机房管理人员在机房操作时,采用冷通道封闭时,冷通道外部空间的温度过高将会导致作业环境温度过高,对经常在数据中心机房内作业的IT管理人员会感觉不舒适,而采用热道封闭,高温只存在于封闭的热通道之内,而不会影响到在机房内经常作业的人员。
封闭热通道机房视觉美观、参观效果明显。封闭冷通道视觉比较压抑。
在运维舒适性上,封闭热通道优于封闭冷通道。
3封闭冷热通道的施工难易程度
从布置隔离冷热通道的先决条件来看,布置隔离热通道的施工难度明显比布置隔离冷通道要大很多。
(1)它所涉及到的回风管道安装与布置,需要吊顶(而目前大多数大型数据中心是不需要吊顶的)。
(2)布置回风管道需要增加隔热材料及排风设备,这样才能有效的将热气排出。
(3)封闭热通道对综合布线有影响,封闭冷通道机房无需吊顶,适合上走线。
(4)封闭热通道或者冷通道,两者的材料及工作量差不多。
所以,在施工方面,封闭冷通道优于封闭热通道。
4封闭冷热通道的后期维护
(1)布置隔离热通道后,热气有可能不是很快排出,所以需要增加排气风扇,这也给后期维护带来了很多的麻烦,风机是一直都在运行,不可能不会出现故障,那就需要更换排风风机,工作量也会增加
(2)布置隔离冷通道后,其后期基本上没有维护的成本,就算是需要对机房内的照明更换,其也可以很方便的将冷通道顶棚移开。
在后期维护方面,封闭冷通道优于封闭热通道。
5其他方面对比
(1)机房内除了IT设备还有其他的设备时,冷通道封闭仍需要增加环境空调或通过定制的风管从密闭的冷通道获得冷气流来保证这些设备的良好运行。而热通道封闭则不需要。
(2)在忽略人员舒适性以及独立设备安全性的情况下。在机房面积较大时,若采用热通道封闭,由于空间较大,空调发出的冷气流部分流失大空间内,利用效率相对降低。此种情况冷通道封闭的效果优于热通道封闭。
(3)封闭热通道特别要求数据中心机房必须具备良好的回风、新风系统。所以从这一点来说针对改造机房是不适合布置隔离热通道的。因为老的机房不一定具备良好的回风系统。
(4)由于数据中心内运行的都是IT设备,所以通常机房消防会采用气体灭火。采用封闭冷通道,当冷通道封闭后,一旦冷通道内设备起火,消防气体无法在规定时间到达封闭区域内,势必造成较大的损失。鉴于此,通常在做冷通道封闭时,只做部分封闭,如在整个封闭的顶板中,有30%的区域敞开,或者不安装通道门,一旦发生火灾,可以从这些敞开区域进入机柜,达到灭火的目的。但是,这种不完全封闭的做法散热效果有限,不能满足一些高功率机柜及设备的散热需求。
综上对于冷热通道的对比分析,封闭冷热通道各有优势,但总体上封闭冷通道优势更明显,应用也更广泛。
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