數據中心行級制冷通常被認為是采用行級冷卻器進行“冷風供給”的架構。然而，行級制冷實際上是一種“熱風捕捉”的架構，它是在IT 設備的熱排風可能與機房內環境空氣混合前將其進行冷卻。本文討論了有關行級制冷的常見誤解，介紹了行級制冷的排熱方法，并描述了使該方法效率最大化的主要設計屬性。

什么是數據中心“IT區域”？

數據中心“IT 區域”是一組IT 機柜與供電和制冷物理基礎設施（作為一個整體部署）的結合體。IT 機房可事先規劃一定數量的IT 區域，但這些IT 區域可獨立部署，或在日后進行升級。通常，IT 區域在機房現場組裝成標準設計，但也可部分或整體預制。一般情況下，IT 區域是一對共用一個熱通道的機柜排?；贗T 區域的設計是針對大型數據中心推薦的最佳實踐。

緊靠熱源的行級制冷，以機柜行為基礎的制冷架構，以及行間制冷等名稱通常用于描述數據中心的行級制冷。本文通篇將使用行級冷卻器這一術語來描述此架構。此外，將使用術語“IT 區域”來描述行級冷卻器通常的部署方式（參見邊欄中的定義）。盡管行級制冷技術已應用了近十年，人們仍會對此類制冷技術的工作原理產生困惑。具體來說，人們對其工作原理和部署方式有三大誤解：

誤解1：行級冷卻器需要安裝導流板：通常認為，行級冷卻器需要安裝導流板以便將冷風直接送至機柜的正面。實際上，一些數據中心的設計人員、運行人員以及生產廠家會在行級冷卻器的出風口設計導流板，從而試圖將冷風直接吹入機柜。

誤解2：每一機柜排都需要安裝行級冷卻器：通常認為，數據中心的每一機柜排都需要安裝行級冷卻器。如果當所有行級冷卻器位于同一機柜排，也就是說另外一機柜排沒有行級冷卻器，則會直覺認為不可能冷卻整個IT 區域。

誤解3：行級冷卻器不能冷卻其IT 區域外的負荷：通常認為，行級冷卻器可冷卻其所處IT區域內的負荷。同樣，人們經常認為，一個IT 區域的額外行級制冷容量不能幫助冷卻另外一個IT 區域。

本文使用熱空氣捕獲的科學理論和核心原理解釋為何存在上述誤解， 并描述了三個可最大化熱空氣捕獲的主要行級制冷設計屬性。

熱空氣捕獲原理

任何數據中心制冷系統的目標均為排出IT 設備產生的廢熱。衡量制冷設備對IT 熱排風（或對IT送冷風）捕獲有效性的一個度量標準稱為捕獲指數。捕獲指數僅基于與機柜冷送風或排排風有關的氣流模式。捕獲指數通常是一個機柜級的度量標準，且數值介于0 和100%之間；該數值越大，表明制冷架構的制冷性能和可擴展性越好。

熱空氣捕獲指數是行級冷卻器在IT 設備所屬IT 區域內直接捕獲的IT 設備熱排風的比例。這是行級制冷有效性的量化準則。由圖1 可看出，78%的IT 熱排風被冷卻器所捕獲。圖2 給出一個使用行級冷卻器的數據中心溫度云圖CFD 仿真結果。

圖1 熱空氣捕獲指數示意圖

圖2 熱空氣捕獲CFD 仿真示意圖

（中間過道表示熱通道，藍色物體表示行級冷卻器）

熱空氣捕獲指數的一個有效應用是優化IT 區域內的機柜和制冷單元布置。設計目標是確保制冷單元捕獲到所有排出的熱空氣，從而使機房內無凈發熱量。這種情況下，機柜級捕獲指數可明確表明各機柜有多少氣流被捕獲到，從而實施適當的設計變更，直到找到可接受的解決方案。熱空氣捕獲指數的設計目標通常為至少90%，實現該目標表明IT 區域的布置是有效的。以下設計實踐可幫助實現或超出該數值。

使用盲板和毛刷 – 通過IT 機柜中開放的未使用“U”空間或機柜頂部和底部線纜穿入四周的開放區域，IT 熱排風會逃離熱通道。在開放的“U”空間安裝盲板以及在線纜穿入四周安裝毛刷對提高熱空氣捕獲指數非常有效。

優化行級冷卻器布置 – 行級冷卻器應布置在IT 機柜之間，且通常不布置在機柜排的末端，以最大化熱空氣的捕獲。對于機柜IT 負載均勻的情況，冷卻器應沿熱通道的長度方向均勻分布。對于機柜IT 負載不均勻的情況，冷卻器應盡量靠近負載較高的機柜布置。

使用側配風單元 – 多類交換機和路由器采用側向氣流模式。這種氣流配置通常是與IT 機柜典型的前進后出送風模式不兼容的。側配風單元允許交換機和路由器并排放置，且依然保持適當的氣流，因此占用較少地板空間。

避免采用風扇組 – 機柜中使用的風扇組或頂置風扇實際上會擾亂氣流管理，因為產生的氣流模式與IT 設備前進后出送風模式不兼容。

采用深度較深的IT 機柜 – 在過去的十年中，IT 設備深度趨于更深。對這類IT 設備使用深度較淺的機柜（如900mm/35 英寸）會限制熱空氣從機柜背部的排出。較深的機柜為布線提供更多的空間，從而降低氣流阻力。

采用氣流遏制系統 – 行級冷卻器離IT 機柜越遠，越難阻止IT 熱排風循環至IT 設備的送風口。使用行級冷卻器的熱通道氣流遏制系統可改善制冷系統效率，尤其是對密度低于3kW/機柜的區域。

揭穿誤解

簡介部分所提到的三個誤解表明人們對行級冷卻器如何捕獲熱空氣缺乏理解。本部分將首先描述行級冷卻器的三個主要設計屬性，接著以這些屬性為基礎揭穿每個誤解。

行級冷卻器的設計屬性

在IT 設備排出的熱空氣有機會與機房環境空氣混合或再循環至IT 機柜之前，行級冷卻器捕獲IT設備排出的熱空氣并將其進行冷卻。捕獲所有的熱空氣可改善電能利用效率并消除熱點。有三個主要設計屬性可幫助行級冷卻器捕獲并冷卻熱空氣：

后進前出的氣流模式

與機柜相仿的占地空間

可變制冷容量設備

后進前出的氣流模式

行級冷卻器通過采用沿冷卻器高度方向的一系列小風扇來實現后進前出的氣流模式。由于行級冷卻器的后部處于熱通道中，風扇能夠從熱通道中直接均勻（從頂部至底部）捕獲IT 設備排出的熱空氣，如圖3 所示?；谟嬎懔黧w動力學（CFD）分析和性能測試，表明與行級冷卻器距離最近的IT 機柜通常具有最高的熱空氣捕獲指數。相反，離行級冷卻器較遠的IT 機柜的熱空氣捕獲指數會有所降低。這種關系引出第二種設計屬性“與機柜相仿的占地空間”的益處。

圖3 具有垂直對齊風扇和后進前出氣流模式的行級冷卻器

與機柜相仿的占地空間

行級冷卻器的設計具有與IT 機柜相仿的占地面積（整個或半個機柜寬度）。這種設計屬性允許用戶將行級冷卻器分布于整個IT 機柜區域。任一行級冷卻器和IT 設備排風口的最大距離通常不大于3 米（10 英寸）。這種分布式冷卻布局意味著整個IT 區域的熱空氣捕獲指數可以得到改善。

當一個IT 機柜排出的熱空氣超出較遠行級冷卻器“所能抵達”的范圍時，該IT 區域中另一個較近的行級冷卻器將捕獲所排出熱空氣的絕大部分。

如果一個IT 區域內的所有熱空氣排放均被該IT 區域內的分布式冷卻器捕獲（即100%熱空氣捕獲），則根據定義，IT 設備的送風口將不存在熱點。圖4 給出了一個分布式行級冷卻器的布局示例。行級冷卻器的數量和位置是根據機柜密度和氣流遏制程度來確定的。

圖4 給出了一個分布式行級冷卻器的布局示例

可變制冷容量設備

行級冷卻器采用EC 風機，可通過調整風機轉速來改變氣流和所輸出的制冷容量。傳統房間級空調通常只通過控制氣流來保證高架地板下的靜壓，與IT 負載無關。這種設計屬性允許行級冷卻器根據IT 負載并通過檢測IT 機房附近機柜的進風溫度來平衡制冷容量。

糾正誤解1：行級冷卻器需要安裝導流板

如果不清楚熱空氣捕獲的前提，很容易得出需要安裝導流板來實現將冷風送至IT 設備入口的結論。然而，上文所述的兩種設計屬性均表明不需要安裝導流板。如果IT 設備所排放的熱空氣100%被捕獲并冷卻，（在其有機會與機房內的環境空氣混合之前），機房內的其余空間將變成一個冷通道。因此，（行級冷卻器）冷風的去向無關緊要；關鍵在于（IT 設備）熱空氣的捕獲和冷卻。

一些制造商使用導流板將冷風送至鄰近的機柜，這表明他們不理解熱風捕獲的原理。使用導流板不僅增加了投資成本和冷通道的寬度，而且還會導致氣流問題。離開導流板的氣流處于較高速度，且與鄰近IT 機柜的氣流相垂直。高速射流在IT 機柜前產生低壓區域，影響機柜氣流。（這被稱為伯努利定律，飛機機翼就是利用該定律為飛機提供升力。）與熱通道中IT 設備熱排風被均勻“吸入”相比，覆蓋機柜送風口的強射流在各機柜上產生的情況差異很大。（射流以局部壓力和速度變化為特征。）請注意，導流板還會造成明顯的壓損，導致風扇功耗的增加。

糾正誤解2：每一排機柜排都需要安裝行級冷卻器

許多人認為，行級冷卻器只能冷卻與冷卻器處于同一排的機柜。上文所述的兩種設計屬性均表明，當具有高熱風捕獲指數時，行級冷卻器是否需要同時位于IT 區域的兩機柜排（或任何布置組合）并不重要。CFD 建模和實際應用均表明，當行級冷卻器只位于其中一機柜排時是可以同時冷卻兩排機柜的，如圖5 所示。各機柜的百分數表示熱風捕獲指數。請注意，在圖中，所有的IT 設備入口均暴露在被冷卻的藍色氣體中，中間的紅色區域為熱通道。

糾正誤解3：行級冷卻器不能冷卻其IT 區域外的負荷

該誤解也有以下其它幾種說法，包括：

行級冷卻器僅適用于熱點的冷卻

行級冷卻器不能冷卻其他IT 區域內的機柜

行級冷卻器不能用于冷卻大型機房

行級冷卻器不能冷卻數據中心周邊布置的存儲器單元

采用N+1 冗余的行級制冷表示每個IT 區域均需要部署冗余制冷單元

弄清該誤解的一個重要事實是，熱風捕獲指數測量由行級冷卻器直接捕獲的與其處于同一IT 區域的機柜所排放熱的熱空氣的百分比。根據定義，如果一個機柜的熱空氣全部被遠離其IT 區域的另一個行級冷卻器所捕獲，則該機柜的熱風捕獲指數將為0%。

因此，冷卻獨立的IT 裝置，比如存儲設備，一種最可預測的方式是將行級冷卻器布置在設備旁，確保其具有較高的熱空氣捕獲指數。實質上，這樣產生了一個小型的IT 區域，熱風捕獲高達100%。這與在高架地板制冷架構中的獨立裝置前放置一個穿孔地板相似。主要區別是，穿孔地板以冷風捕獲為前提運行，這種情況下冷風捕獲受所提供的氣流量（以及kW 制冷容量）限制，

獨立IT 裝置（在其IT 區域內）無行級冷卻器時如何處理？該裝置在行級制冷架構中如何冷卻？可在行級冷卻器的“與機柜相仿的占地空間”和“可變制冷容量設備”設計屬性中找到答案。與機柜相仿的占地空間允許冷卻器分布于整個數據中心，對所有熱負荷產生緊靠熱源的的制冷效果?？勺冎评淙萘吭O備在檢測到機房溫度升高后，向冷通道中增加供應冷風。使用行級冷卻器的熱通道氣流遏制系統同樣可改善熱風捕獲，尤其是在負載密度低于3kW/機柜的情況下。氣流遏制系統是否會對冷卻獨立IT 裝置產生負面影響？解答該問題的最簡單辦法是對兩個具有相同布局的數據中心進行比較，各數據中心分別具有65 個機柜，235kW IT 負載，兩個獨立IT 設備，其中一個采用氣流遏制系統，另外一個不采用氣流遏制系統。

圖6A 給出了14 個行級冷卻器均勻分布于數據中心時的CFD 分析結果。20 個寬機柜的密度為5kW/機柜，43 個窄機柜的功率密度為3kW/機柜。右上角的兩個輔助機柜表示獨立IT 裝置。熱空氣捕獲指數值（百分數）顯示在各機柜上。5kW 獨立和1kW 獨立設備的平均送風溫度均為22°C (71.6°F)。圖6B 給出了采用熱通道氣流遏制系統，而其他方面均相同的數據中心的CFD分析結果，以說明其對獨立IT 設備的熱空氣捕獲和進風溫度的影響。大多數機柜的熱風捕獲指數為100%。兩個獨立IT 設備的平均進風溫度均為21C (69.8F)。

以上兩幅圖可幫助人們更形象地了解行級冷卻器對熱風捕獲指數以及冷卻獨立IT 設備的影響。因為行級冷卻器為可變制冷容量設備，即能夠向冷通道提供過多冷風。當系統處于平衡狀態時，冷卻器的送風溫度等于IT 設備進風溫度。如果輔助設備（即獨立設備）最初部署在IT 區域外，由于空氣混合，機房環境的整體溫度會升高。附近行級制冷單元檢測到該升高的溫度，并通過增加制冷容量予以響應，從而冷卻熱空氣。增加制冷容量是通過提高氣流（行級冷卻器提高風扇轉速）和/或降低送風溫度（行級冷卻器提高冷凍水水閥流量）實現的。這些調整僅在開始時發生，一旦數據中心進入穩定狀態，就會維持不變。

行級冷卻器“冷卻輔助設備負載”的步驟與上述步驟相同，即使在采用氣流遏制系統的情況下。在任一情況中，我們均認為輔助設備運行于比行級機柜更高的溫度下，因為輔助設備未直接緊靠其IT 區域內的行級冷卻器。獨立IT 裝置離行級冷卻器越遠，進風溫度將越高?？紤]輔助設備的溫度升高是否必要，大多數情況下，IT 設備可承受ASHRAE 推薦的最大溫度27C (80.6F)。如果這個溫度不可接受，則最好將行級冷卻器布置于輔助設備機柜附近。

行級制冷的設計理念在于捕獲IT 區域中IT 設備排出的熱空氣。熱空氣捕獲指數值越高，發生熱風再循環就越少，機柜間的溫度變化（如熱點）就會減少。行級冷卻器的冷風去向并不重要，重要的是機柜熱排風如何被捕獲。行級制冷單元還可幫助冷卻其IT 區域外的輔助設備或機柜，但這種情況下不使用熱風捕獲指數作為性能指標。相反，行級冷卻器采用本文所述的緊靠熱源的制冷過程。理解這些原理有助于澄清本文所描述的三種誤解，并為有效使用行級制冷提供基礎。