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数据中心运营商如何评估和计算冷却需求

2022/5/13    来源:e-works    作者:李源      
关键字:数据中心  冷却  
更好地了解影响冷却的因素可以让数据中心专业人员更加清楚地了解如何为组织的需求设计正确的冷却计划。
       数据中心的冷却要求受到多种因素影响,其中包括数据中心设备的热量输出、占地面积、设施设计,以及电气系统额定功率等。

       环境影响将会严重影响数据中心设备的工作寿命,过多的热量积聚会损坏服务器,导致它们自动关闭。经常上高温中工作会缩短这些设备的使用寿命,并导致更频繁的部件更换。

       不仅仅是高温是危险的,高湿度会导致冷凝、腐蚀和污染,例如数据中心设备上积尘。与此同时,低湿度也会导致静电放电,从而损坏设备。

       数据中心运营商经过适当校准的冷却系统可以防止这些问题,并使数据中心保持正确的温度和湿度。它最终降低了设备损坏造成的操作风险。以下是数据中心运营商如何确定数据中心所需的冷却标准。 

数据中心冷却标准

       美国采暖、制冷和空调工程师协会(ASHRAE)制定并发布了数据中心的温度和湿度指南。最新版本概述了数据运营商可以根据设备分类可靠运行数据中心的温度和湿度水平。

       在最新的指南中,美国采暖、制冷和空调工程师协会(ASHRAE)建议IT设备与以下设备一起使用:  

       ●温度在18℃到27℃;  

       ●露点-9℃到15℃; 

       ●60%的相对湿度。
  
       为IT设备确定合适的环境取决于其分类(A1-A4),分类基于设备的类型和运行方式,按敏感度降序排列。A1设备是指需要在最严格环境运行的企业服务器和其他存储设备。A4设备适用于电脑、存储产品、工作站和服务器,具有最广泛的允许温度和湿度范围。

       以前的版本侧重于可靠性和正常运行时间,而不是能源成本。随着数据中心运营商越来越意识到节能技术和效率,需要了解新的标准,美国采暖、制冷和空调工程师协会(ASHRAE)为此开发了更好地概述环境和能源影响的课程。

如何计算数据中心冷却需求

       要计算数据中心冷却需求需要获得一些数据:设备的总热量输出、以平方英尺为单位的建筑面积、数据中心设施设计和电气系统额定功率。

       要记住的一件事是,一些较旧的设备可能是按照以前版本的ASHRAE冷却标准设计的。因此,如果数据中心有多种设备,必须确定设施中所有设备的可接受温度和湿度范围。

       可以从以下计算开始,以获得标准英热单位(BTU)冷却尺寸:

       (房间面积×20)+(IT设备瓦特使用量×3.14)+(房间内人数×400)

       热量可以使用各种度量来表示,包括BTU、吨(t)和瓦特(W)。如果设备使用了多个单位,则必须将它们转换为通用格式以进行比较。

       一般来说,IT设备消耗的功率几乎全部转化为热量,而通过数据线发送的功率可以忽略不计。这意味着设备的热输出(以瓦特为单位)等于其功耗。

热输出特例

       由于某些设备产生的热量不同于“其功耗等于其热量输出”的通用规则,因此必须单独计算:

       ●照明。和IT设备一样,照明设备的功率输出大致等于热量输出。取这个数字乘以4.25,就是确定照明的BTU。如果采用LED照明设备,则热量将减少三分之一。

       ●窗户。如果数据中心设施有窗户,必须计算所有窗户的阳光会产生多少热量。一般计算是每平方英尺窗口60BTU/小时,但要获得确切数字,需要查看ASHRAE针对这些窗口计算的特定公式,这些公司将会考虑位置、日照时间、建筑材料、窗户材料、折射率等等。

       ●外部热量(墙壁、屋顶等)。外墙或屋顶会影响数据中心的总热量输出,尤其是大型数据中心。同样,需要参阅ASHRAE的指南以了解如何处理此问题。

       ●人员。将随时在数据中心设施中的最大人数乘以400,以确定总体BTU。

       ●不间断电源(UPS)。尽管UPS电源系统和装置通常不会以100%的容量运行,但在计算热量输出时使用它们的最大容量,因为如果它们在使用中,这可能是一个因素。

       ●配电系统。配电系统仅以热量的形式释放其规定的功率使用量,因此使用此公式计算其热量输出:(0.02×电力系统额定值)+(0.02×总IT负载功率)。

       ●IP语音(VoIP)路由器。多达三分之一的VoIP路由器功耗被发送到远程终端,因此将其最大功率输出除以三分之一用于冷却计算。

       ●HVAC和其他冷却系统。交流系统中的冷却风扇和压缩机会产生大量热量。但是,它几乎是在室外而不是在数据中心内产生的,因此可以忽略。

计算总热量输出

       现在数据中心运营商已经收集了所有数据,只需将它们相加即可确定数据中心的总体冷却需求。 

       而且,如果使用BTU作为基本单位,则必须将总数除以3412以确定所需的总冷却量(以kW为单位)。

其他环境因素

       除了前面提到的特殊环境因素之外,还有一些其他因素会影响数据中心的热量输出计算。忽略它们可能会导致冷却系统的参数不正确,并增加整体冷却投资。

       (1)空气湿度

       HVAC系统通常设计用于控制湿度和散热。在理想情况下,它们将保持恒定的湿度水平,但空气冷却功能通常会产生大量冷凝和湿度损失。因此,许多数据中心使用加湿设备来弥补这一损失,增加更多热量。

       具有大量空气混合的大型数据中心——来自数据中心设施内部区域的冷热空气混合,通常需要补充加湿主设备。冷却系统必须有助于补偿设施内较热空气的移动。因此,这些数据中心必须将其冷却系统的规模扩大多达30%。

       在规模较小的数据中心或配线柜中,冷凝并不总是一个主要问题,因此冷却系统可能能够通过已经安装的常规回流管道自行处理加湿。回流管道通过设计消除了冷凝风险,使HVAC系统能够以100%的冷却能力运行。

       (2)过度冷却

       数据中心的冷却需求会随着时间的推移而变化,因此应该考虑为未来的增长扩大冷却系统。如果冷却系统的一部分在某些时候出现故障,或者如果必须将其中的一部分停机进行维护,则超大规模还具有用于冗余的额外好处。一般来说,HVAC顾问建议在预算允许的范围内添加尽可能多的冗余,或者至少比计算所需的多增加一个单元。

       HVAC顾问通常将所有IT设备的热量输出乘以1.5,以实现未来的扩展。 

       以下是使用各种标准指标的几个示例冷却计算。

       (1)整体数据中心冷却计算 

       假设典型数据中心的示例信息如下:

数据中心冷却要求的示例计算

图1 数据中心冷却要求的示例计算

       这是如何在组件、系统、人员等之间分解的效果。这一图表显示了上述示例数据中心的热量输出百分比。  

       在这术的数据中心中,UPS供电系统产生的热量非常少,即使在满载使用时也是如此,甚至不到总热量输出的1%。其余的IT设备生成其中的大部分热量。

       (2)小型服务器机房或数据柜的计算

       在这个示例中,通常是办公大楼中运行的小型服务器机房、数据柜或小型边缘数据中心。这些计算确定了以瓦特为单位的冷却要求,并且任何以kVA为单位的电源系统额定值都可以大致视为与设备的总功率输出相同。

小型服务器机房或数据柜的计算

图2 小型服务器机房或数据柜的计算

       为了确定这样的数据柜未来的冷却需求,将IT总热量输出乘以1.5,因此12,036W×1.5=18,054W。将这个新数字添加到现有数据中,未来的总冷却需求为37,017.412W,增加了20%。

       随着现代数据中心的变化,从十年前的大型集中式数据中心发展到如今许多企业正在建设的小型、灵活的边缘计算数据中心,冷却需求往往保持不变。而将如此多的技术集中在一个地方,需要规划适用于当今和不久的将来的适当冷却策略。

       数据中心的冷却需求会受到这种影响以及更多因素的影响,例如机架密度的增加、设施中的技术部署以及在那里工作的员工数量。而更好地了解影响冷却的因素可以让数据中心专业人员更加清楚地了解如何为组织的需求设计正确的冷却计划。
责任编辑:程玥
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