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浅谈空调制冷在数据中心的重要性

数据中心基础设施目前一般由四大系统组成,即电气系统、通风空调系统、消防系统以及智能化系统。其中通风空调系统主要包括了冷源和水系统、机房空调和风系统。

在以往的机房基础设施运维工作中,由于IT设备的电力供给直接决定着业务系统的可用性,一旦出现电力供应中断的情况,会立即造成设备宕机系统中断的情况,因此人们将更多的关注点放在电气系统中。目前所接触的数据中心尤其是IDC机房中,新建机房都会配置UPS不间断电源以及柴油发电机作为后备电源(一般采用N+1的配置结构),在配电线路上基本都可以做到2N或者说接近2N的供电结构(主要是市电是否真双路以及列头柜是否AB路隔离),很大程度上保证了IT设备电力的稳定供给。个人认为机房内电气系统中有计划地维护停机、人为操作失误、设备设施组件自发故障对于目前大多数的新建机房,尤其是IDC机房而言是能够达到至少一次容错的能力,不会导致数据中心业务的中断。

   反观传统运维观念中不是那么受重视的通风空调系统。早年间,机房规模不大、密度较小,一般单机柜的功率密度在2kW以内。即使空调系统出现故障,机房内的温度上升速度也不是很快,再辅以轴流风机加速空气流动、干冰(或水冰)临时补救等措施;亦或通过关闭非重要业务系统降低热负载的方法,尚可勉强对付。但目前的机房由于受到机房单机柜功率密度的不断提高,一般的IDC机房提供的基本单机柜功率密度为3kW左右,也可根据客户要求进行局部改造实现7kW或更高,而互联网公司自建的机房单机柜功率密度甚至可以达到30kW或更高。而据统计IT设备耗电量的90%以上会转化为显热,就直接导致一旦机房内空调制冷系统出现问题,IT设备温度会急剧上升,在很短时间内造成设备由于散热效率下降而出现高温报警、性能下降、保护关机甚至直接宕机的情况,对业务系统造成严重影响。某机构在实验室条件下,对不同负载条件下,制冷方式发生中断后,环境温度的变化过程进行了现场测试和统计,如下图所示:

根据上图中的数据可以看出当机房无空调制冷后,以机柜进风平均温度40℃/104℉为基准,4.8kW/rack需要大概25分钟达到,14.4kW/rack则只需要大概3分钟就可以达到40℃,两者相差8倍以上。从而可以确定由于单机柜功率密度的不断提升,机房内空调制冷系统的作用也是越来越重要,一旦出现制冷问题对设备运行、系统运行在很短的时间内就会造成严重的影响。

对于空调制冷系统而言,除了由于故障或其他原因造成的冷源中断导致设备进风温度上升而影响设备运行状态或性能下降外,与供电系统相比还存在一个很大的差异。供电系统在故障消除或问题解决后,对电能质量进行测试合格、判定电力供给稳定后,故障现象消除,设备即可逐台恢复。而空调制冷系统由于受到故障影响,已经对机房内现有空气产生影响,在故障消除后除各设备、管道阀门等系统自检外。机房内设备进风温度恢复到正常范围还需要一定的时间,在此过程中很可能出现设备进风温度依然较高的情况。此种情况对于未进行冷热通道封闭的机房尤其明显。

由此可见,空调制冷系统在机房中的作用,尤其是在高密度机房中越发凸显。如何提高空调制冷系统的可靠性与可用性,个人认为可以从如下几方面进行:

  • 根据机房业务重要性等级,适当在制冷系统中采用冗余设备,在冷机、冷塔等设备采用N+1冗余方式配置;

  • 对于机房末端空调可采用N+X冗余方式配置,对于特别重要的业务可采用2N方式配置;

  • 对于末端空调、冷冻泵、BA控制系统等设备采用双回路供电且其中至少一路使用UPS不间断电源供电的方式;

  • 对于双回路供电的设备严格采用以单个设备为单位的末端切换方式,避免由于切换失败导致影响整套或局部系统正常运行的情况;

  • 水管路系统采用环形或双回路设置,且在必要位置设置阀门,阀门具有自动与手动模式,在管路出现问题时可实现故障小范围隔离;

  • 设置蓄冷罐,蓄冷能力满足提供不少于UPS供电时间的最大热负荷所需冷量;

伴随技术的发展,诸如通过CFD技术、行间空调、背板制冷等,进一步缩短冷量传输距离、提高气流组织的可控性等方式,实现更加精准精确的制冷,机房内空调制冷系统的可靠性与效率还会有进一步的发展。而作为运维人,时刻保持持续学习的心态也是一项基本素质。

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