冷热通道在数据中心中的优势

数据中心制冷是确保所有关键IT设备可靠运行的关键温度通道设置。从IT设备的趋势来看体积会变得越来越小，而耗电量则会变得相同甚至更高，于是数据中心内会有更多热量产生。精密空调就是用来收集热量并将其输送至室外大气中。而气流分配则是为了更好地分配数据机房内的气流以提高精密空调的使用效率。气流分配与电力分配不同，电力分配受线缆的约束并在设计过程中清晰可见，而气流分配则受到房间设计的模糊约束。数据中心制冷系统效率的不同归根到底还是取决于气流分配的不同。​

数据中心分配气流有以下三种基本方案：

自然送/回风：就是仅利用房间的墙壁，天花板以及地板对送回风气流进行限制温度通道设置。这导致了冷风和热风的严重混合。

精确送/回风：通过一套机械装置（如通风管道，穿孔地板砖，放置在机柜行的冷却装置）直接将送回/风控制在离IT 设备进出风口三米以内的距离温度通道设置。

气流遏制送/回风: IT 设备的送/回风气流被完全封闭并隔离，以此消除冷风和热风间的混合温度通道设置。 这三种形式中的任何一种：自然送回风，精确送回风或气流遏制送回风，都可以使用在送风路径或回风路径。根据送风和回风的不同组合就构成了3X3九种可能的组合。

下图描述的是在当今数据中心中使用比较普遍的非传统房间级制冷的9种运用温度通道设置。气流分配的实施以及气流管理的实际应用在以上九种气流分配方案中大大影响可机柜支持的功率密度。一般情况下，气流分配实现的成本，复杂性以及功率密度（kW/机柜）容量在表的左上角是最低的，随着向下和向右的方向逐渐增大。目前数据中心常用的热通道方案就是下图自然送风+气流遏制回风的方案，而冷通道方案则属于下图气流遏制送风+自然回风的方案。

数据中心气流分配系统的一个关键目标就是将IT设备的出风与进风隔离开以防止IT 设备过热温度通道设置。出风与进风的分离也大大提高了排热系统的效率与能力。制冷设备随着设备功率密度的增加，出风量与进风量也相应增加，这需要气流分配的方案能够减少送回风气流混合的这种趋势。因此，随着制冷设备功率密度的增加，采用精确送回风或气流遏制送回风是必要的。

根据所需平均功率密度设计气流分配系统，并使其制冷能力能够适应峰值功率温度通道设置。虽然高密度机柜一般只占总负载的一小部分，但事先无法准确预测他们在数据中心的位置。在传统设计方法的数据中心中，由于担心不能充分冷却潜在“热点”，而把制冷机组与气流分配系统设计的过度规划，这样不仅会导致资金和运行费用飙升，而往往仍达不到预期效果。气流遏制回风不仅能冷却高热密度区域，同时还可避免因制冷系统过度规划导致的额外成本。下图给出了新建数据中心中热通道气流遏制解决方案的案例。

之所以说新建数据中心推荐使用热通道的原因是考虑使用冷通道和热通道对作业环境的影响温度通道设置。如下图所示，当采用冷通道气流遏制系统时，冷风被遏制在封闭区域，开放的作业区域的温度就会和热通道的温度一样。而当采用热通道气流遏制系时，热风被遏制在封闭区域，开放的作业区域的温度就会和冷通道的温度相同。采用冷通道时，热通道内的温度过高便会导致作业环境温度同样过高，对长期在数据中心机房内作业的IT 人员产生不良影响。而采用热通道时，高温只存在于封闭的热通道之内，而不会影响到在机房内长时间作业的人员。

不仅如此，在使用冷通道时，必须为非成行排列的IT 设备（如下图的磁带库和存储设备）采取特殊的冷却措施温度通道设置。因为此时房间作为一个充满热空气的“热池”，这些设备将需要通过定制的风管从密闭的冷通道获得冷风。在热环境中部署打孔地板虽然可以有助于冷却这种设备，但是破坏了使用气流遏制系统来减少冷、热气流混合的初衷。此外，机房内的电源插排、照明、消防和其它系统将需要重新对温升后的可行性进行评估。

如果为了保证作业环境的舒适型温度通道设置，假设我们保证采用冷通道方案和热通道方案的作业区域温度都是保持恒定的24°C（75°F） – 标准的室内设计温度，那么对最终数据中心制冷能耗和整体的PUE会有怎样的影响呢？

由于为了保证冷通道方案的作业区域为24°C，那么势必机房内需大幅降低IT进风温度以保持未封闭区域的温度温度通道设置。而采用热通道时，IT设备的进风温度限制与未封闭的区域的温度相同，2008 年发布的ASHRAE 标准TC9.9 建议服务器进风温度区间为18-27°C。所以24°C的未封闭区域的温度即是IT进风温度。

当作业环境温度限制在24°C（75°F）时，可满足人员舒适性的要求温度通道设置。但是这个温度会导致需要设置冷通道相应的IT 进风温度变为10°C，有相关实验表明，此时冷通道方案的制冷年度节能冷却时间降低为0，数据中心总体PUE 值升高为1.98。而相同的作业环境温度下，热通道方案中制冷的节能冷却模式的运行时长可以达到5,319 小时，数据中心整体PUE 为1.69。与采用冷通道方案相比，热通道方案系统可以提供5,319 小时的年度节能冷却运行时间，以及PUE 优于采用冷通道方案时15%。

典型数据中心中，按50%负载率算，IT 能耗在总体能源成本中占有最大的比例，其次便是制冷系统的能源成本温度通道设置。在这种情况下，热通道方案可以减少43%的制冷能源成本。其中最大的节约是停用冷水机组运行，使其在节能冷却模式下运行贡献的，而对冷通道方案而言，为了确保作业环境温度24℃，那IT设备进风温度需调节为10℃，冷冻水供水温度则需要调节为（2.4°C/36°F），此时冷通道方案的冷水机组不会有任何节能冷却模式运行的时间。另外由于冷通道方案中冷水机额外运行时间造成的开关柜上的损耗也略有增加，造成在电力系统上能源消耗也会比热通道方案更多。

最后值得一提的是从冷热气流泄露方面考虑，冷通道的气体泄露要高于热通道系统温度通道设置。原因是冷通道一般部署在高架地板上，气体可能在高架底板的拼缝中泄露，而热通道则一般部署在硬地板上不存在高架地板空气泄露的情况。由于气体泄露的更多，自然采用冷通道时就需要CRAH 的风机提供比热通道更大的风量来弥补气体的泄露。更大的风量也会导致使用冷通道的能耗要高于热通道。

从以上分析可以看出，作为新建数据中心，热通道的方案应该是首选的温度通道设置。而冷通道方案因为它的便捷性的优势则被更多地使用在改建型的数据中心中。

以下几点因素是冷通道优先使用时需要考虑的：

室内净高

这个制约体现在室内净高不够，机柜顶部和天花板之间的距离不足508 毫米（20 英寸）无法安装吊顶来用作热通道的回风通道温度通道设置。冷通道则不存在此限制。

现有数据中心已采用高架地板精确送风

当数据中心采用高架地板送风和自然回风气流分配方式时，而且要求更快捷的部署气流遏制系统，冷通道因为他部署的便捷性成为首选温度通道设置。

采用列间空调的微模块

当数据中心采用模块化设计，使用列间空调紧靠热源的制冷方式时，冷通道则是更好的解决方案温度通道设置。

如果对IT基础设施中的机柜，配电，制冷，监控等设计感兴趣，请关注微信公众号"IT机柜设计"或扫下方二维码关注温度通道设置。