空間過小的隱患 小型機(jī)房的散熱策略
數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)一定會(huì)包含空調(diào)系統(tǒng)，但許多較小型的企業(yè)由於IT設(shè)備較少，并不會(huì)特別建構(gòu)機(jī)房，而是把IT設(shè)備部署在辦公室的角落或僅是一個(gè)獨(dú)立的房間，由於沒有專屬的空調(diào)設(shè)備，常會(huì)造成IT設(shè)備的電力密度超過負(fù)荷、過熱甚至造成當(dāng)機(jī)。大多數(shù)的小企業(yè)都忽視了這個(gè)問題，等到過熱的問題發(fā)生後，才開始尋求改善的方法。在本文中，將會(huì)說明機(jī)房散熱的基本原則，并分析各種散熱方法的優(yōu)缺點(diǎn)，協(xié)助企業(yè)選擇合適的設(shè)備(51CTO推薦閱讀：太熱啦！從網(wǎng)絡(luò)惡搞到機(jī)房散熱)。
散熱的基本原則
IT設(shè)備耗用多少千瓦的電，就會(huì)制造出多少千瓦的熱量來，然而，高溫卻會(huì)影響IT設(shè)備的運(yùn)作，一般來說執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)的機(jī)房，溫度建議應(yīng)保持在25℃以下，若是只有網(wǎng)路交換機(jī)等設(shè)備的非關(guān)鍵機(jī)房，溫度上限可放寬到32℃。要徹底解決熱的問題，最根本的就是要有效散熱，否則熱就會(huì)在IT機(jī)房?jī)?nèi)不斷的累積，溫度便會(huì)節(jié)節(jié)升高。
一般而言，熱的流向是從溫度較高的地方往溫度較低的地方流動(dòng)，就像水會(huì)往低處流一樣，因此，想要散熱就必須提供一個(gè)能讓熱流向更低溫的地方的通道。但在現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中，并不一定有這個(gè)通道存在。不過，可以利用下面五種方法，將辦公室或機(jī)房?jī)?nèi)的熱量有效散去。
■傳導(dǎo)：熱透過實(shí)體的物品傳遞出去。
■被動(dòng)式對(duì)流：不使用風(fēng)扇等空氣導(dǎo)流的裝置，讓熱量自然透過通風(fēng)孔或氣窗流入低溫區(qū)域。
■主動(dòng)式對(duì)流：藉由風(fēng)扇等導(dǎo)流裝置，將熱量透過通風(fēng)孔或氣窗排至較低溫的區(qū)域。
■室內(nèi)空調(diào)降溫：藉由建筑物的中央空調(diào)降溫。
■專用空調(diào)降溫：透過機(jī)房專用的精密空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行降溫。
圖1假設(shè)在一個(gè)無特殊環(huán)境下的機(jī)房，根據(jù)空間的用電量與期望的目標(biāo)溫度，提供一個(gè)普遍的散熱方法，說明上述幾種散熱方式的適用范圍。這些方法界定不應(yīng)該被認(rèn)為是絕對(duì)的，因?yàn)橛行┻€是相互共用，并且在最終設(shè)計(jì)時(shí)，還須考量到全盤的冷房變因。請(qǐng)注意，在本例中并未討論室內(nèi)空調(diào)，因?yàn)槭覂?nèi)空調(diào)有太多難以預(yù)測(cè)的變數(shù)，這部分會(huì)放在後面再作說明。
▲圖1根據(jù)電力負(fù)載與目標(biāo)溫度的散熱方法指引。若在一個(gè)裝設(shè)1500ＷIT設(shè)備的機(jī)房，為了將溫度維持在25℃，那麼最佳的作法則建議采用主動(dòng)式對(duì)流法。
圖2為選擇散熱方法的流程圖，可以協(xié)助企業(yè)初步選擇最適合的散熱方法。再次提醒，室內(nèi)空調(diào)降溫不在此建議解決方法內(nèi)。
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上述提及的五種不同散熱方法，在效果、運(yùn)用限制以及建制成本上都有所不同，就現(xiàn)今已開始運(yùn)轉(zhuǎn)中的資料中心來說，企業(yè)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有的條件及偏好，仔細(xì)評(píng)估哪種方法最合適，以及該如何設(shè)計(jì)以符合企業(yè)需求。
傳導(dǎo)散熱－完全被密封的機(jī)房
若機(jī)房是完全密閉式，沒有任何通風(fēng)孔道，熱量就只能透過墻面?zhèn)鲗?dǎo)出去。根據(jù)熱往低溫處流動(dòng)的定律，機(jī)房?jī)?nèi)的溫度勢(shì)必要比周圍的墻面溫度高，溫度才會(huì)傳導(dǎo)出去，這也表示機(jī)房的溫度一直是高於其他區(qū)域。
假設(shè)在一個(gè)3×3×3公尺的密閉機(jī)房，漏氣率為23.6升／秒，采用石膏墻（drywall）隔間，且四面墻另一側(cè)皆為有室內(nèi)空調(diào)的辦公室，辦公室室內(nèi)溫度約20℃。在這樣的空間內(nèi)，若IT設(shè)備負(fù)載在400W以下，則光靠傳導(dǎo)就可讓機(jī)房維持在關(guān)鍵機(jī)房25℃的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)；若是非關(guān)鍵機(jī)房，則設(shè)備負(fù)載可提升到1000W。不過需要注意的是，機(jī)房的大小、裝潢材料等因素都會(huì)影響傳導(dǎo)的效果（見表1）。
其中最明顯的影響是機(jī)房尺寸，大型機(jī)房因?yàn)閴γ?、天花板與地板的表面積更大，散熱能力較佳；反之，較小的空間，熱量傳導(dǎo)效果較低，這關(guān)系變化如圖3所示。
圖3機(jī)房大小對(duì)散熱的影響。
其次，墻壁、天花板與地板的材質(zhì)，也會(huì)影響熱的傳導(dǎo)。例如用四英寸厚的混凝土墻取代上述的石膏墻與隔音板，可以發(fā)現(xiàn)散熱的效果更好。
由於下班後及假日時(shí)通常都會(huì)把空調(diào)關(guān)閉或調(diào)小，而熱的傳導(dǎo)效果會(huì)隨著周遭空氣溫度的上升而變差。舉例來說，若周末時(shí)辦公室的空調(diào)溫度從20℃調(diào)到29℃，那麼機(jī)房的溫度一樣會(huì)增加9℃。這表示機(jī)房即使沒有任何IT設(shè)備，也不可能達(dá)到關(guān)鍵機(jī)房必須低於25℃的要求；即使是非關(guān)鍵機(jī)房，設(shè)備負(fù)載也必須要低於250瓦，才有可能符合溫度在32℃以下的要求。
另一個(gè)會(huì)影響熱傳導(dǎo)的西曬的問題，倘若機(jī)房的墻面就是大樓的外墻，且會(huì)直接曝曬到陽光，那麼在晴天時(shí)機(jī)房仍有可能會(huì)過熱。同樣以3×3×3公尺的機(jī)房為例，若室外溫度是38℃，則預(yù)期機(jī)房的溫度會(huì)高出4～7℃，且每平方公尺的墻面平均受熱可高達(dá)1000瓦。
對(duì)於密閉式機(jī)房傳導(dǎo)散熱效果會(huì)依據(jù)機(jī)房大小、建材以及周遭環(huán)境而有所不同。大體來說，若要單靠傳導(dǎo)來散熱，則建議使用在獨(dú)立且耗電量小於400瓦的關(guān)鍵機(jī)房，且已排除西曬等影響因素；若是運(yùn)用在非關(guān)鍵機(jī)房，則建議整體耗電量控制在1000瓦以下，最好只有小型網(wǎng)路切換器這一類耗電量非常低的IT裝置。
此外，也要留意像燈光等額外的熱源，機(jī)房?jī)?nèi)應(yīng)選擇低耗電量、低發(fā)熱量的照明設(shè)備，且建議加裝感應(yīng)設(shè)備，當(dāng)人員離開時(shí)，燈光可自動(dòng)熄滅，或是乾脆不要安裝照明設(shè)備。#p#
被動(dòng)式與主動(dòng)式對(duì)流
第二種辦法是在機(jī)房?jī)?nèi)合適的區(qū)域打洞并安裝通風(fēng)孔或是抽風(fēng)設(shè)備，透過空氣對(duì)流的方式來散熱。
采用這個(gè)方法時(shí)，要確保機(jī)房溫度不會(huì)突然劇增且高於周邊溫度很多。圖4為機(jī)房對(duì)流系統(tǒng)的范例。
被動(dòng)式對(duì)流曲線表示安裝了圖4A的通風(fēng)孔，而主動(dòng)式對(duì)流是安裝了圖4B抽風(fēng)系統(tǒng)，散熱效果更佳。此例中所用的抽風(fēng)系統(tǒng)的氣流量為226.5升／秒，主動(dòng)式對(duì)流系統(tǒng)的氣流量越高，溫度上升的幅度便越平緩（可改用高風(fēng)量的風(fēng)扇或是加裝更多抽風(fēng)扇）。
在機(jī)房散熱上，對(duì)流系統(tǒng)是非常實(shí)用的方法，當(dāng)關(guān)鍵機(jī)房的耗電量低於700瓦時(shí)，采用被動(dòng)式對(duì)流系統(tǒng)就已足夠；若耗電量在700～2000瓦間，則建議采用主動(dòng)式對(duì)流系統(tǒng)。若電力需求更高，則可使用更高效率的抽風(fēng)機(jī)或安裝多臺(tái)抽風(fēng)機(jī)來散熱。
同樣的，對(duì)於非關(guān)鍵機(jī)房，耗電量在1750瓦以下可采用被動(dòng)式對(duì)流系統(tǒng)；而耗電量在1750～4500瓦之間的，則建議使用主動(dòng)式對(duì)流系統(tǒng)。其他應(yīng)用的實(shí)際考量，例如進(jìn)氣孔的地點(diǎn)，主動(dòng)式對(duì)流系統(tǒng)與IT設(shè)備的相對(duì)位置都可以改善散熱效果。除此之外，表1提到的因素，也同樣會(huì)影響到散熱的效果。
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室內(nèi)空調(diào)可帶走熱量
大多數(shù)的建筑物都已安裝冷氣或空調(diào)系統(tǒng)，這些空調(diào)系統(tǒng)都還會(huì)包含通風(fēng)管道，以便將冷空氣吹到各區(qū)域。大多數(shù)的企業(yè)都會(huì)選擇將空調(diào)的管線延伸到機(jī)房?jī)?nèi)，因?yàn)檫@樣子既簡(jiǎn)單又省錢。然而，這些加裝的通風(fēng)管線，其實(shí)對(duì)機(jī)房的降溫效果有限，而且往往會(huì)帶來更多問題。
室內(nèi)空調(diào)通常會(huì)包含一個(gè)自動(dòng)恒溫裝置，它會(huì)感應(yīng)室內(nèi)溫度的變化來控制空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)或停止。然而，自動(dòng)恒溫系統(tǒng)通常不會(huì)安裝在機(jī)房?jī)?nèi)，這表示空調(diào)是依據(jù)辦公室的溫度來調(diào)整，而非機(jī)房的溫度，因此當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)房?jī)?nèi)溫度便會(huì)下降，停止運(yùn)轉(zhuǎn)後溫度就會(huì)上升，這樣溫度上上下下，反而比讓IT設(shè)備維持在高溫還要糟糕。
再加上新型的空調(diào)設(shè)備通常都具備節(jié)能的功能，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)在夜間或周末時(shí)將空調(diào)的溫度調(diào)高甚至關(guān)閉空調(diào)以節(jié)省電力，而機(jī)房?jī)?nèi)的溫度也會(huì)隨著設(shè)定的溫度而上升。若只是延伸空調(diào)管線到機(jī)房?jī)?nèi)，那麼勢(shì)必要在夜間及周末時(shí)將空調(diào)打開，這樣一來不但會(huì)增加耗電量，而且機(jī)房溫度還是會(huì)隨著辦公室溫度上上下下，實(shí)在不理想。
如果要使用室內(nèi)空調(diào)來為機(jī)房降溫，則機(jī)房必須設(shè)置在一個(gè)獨(dú)立區(qū)域，有單獨(dú)的空調(diào)主機(jī)、回風(fēng)管線、送風(fēng)設(shè)備以及控制器（恒溫系統(tǒng)），但如此一來便失去原先的簡(jiǎn)單又省錢的好處。
增加機(jī)房專用散熱區(qū)的挑戰(zhàn)包括：
●必須確?？照{(diào)設(shè)備能供應(yīng)充足且穩(wěn)定的冷空氣，尤其在冷氣用量最大的夏季。
●低電力密度—大部分室內(nèi)空調(diào)只能提供每平方公尺43～54瓦的冷房效果，也就是每個(gè)機(jī)柜約150瓦（1個(gè)機(jī)柜大約等於30平方尺）。
●缺乏擴(kuò)充性。
●安裝成本高。
此外，中央空調(diào)系統(tǒng)也是主要熱源之一，在與辦公室共用室內(nèi)空調(diào)的情形下，冬季時(shí)，空調(diào)管線必須同時(shí)提供辦公室暖氣，還要提供機(jī)房冷空氣，這幾乎是不太可能的事。因此，延伸室內(nèi)空調(diào)來對(duì)機(jī)房進(jìn)行降溫是不合適的。如果原本機(jī)房?jī)?nèi)就已有通風(fēng)管路，也建議應(yīng)該把管路拆掉或是封閉。#p#
使用機(jī)房專用空調(diào)來降溫
安裝精密空調(diào)是控制機(jī)房溫度最有效的方法，然而，安裝精密空調(diào)比安裝主動(dòng)式對(duì)流系統(tǒng)來得復(fù)雜而且昂貴，因此應(yīng)確定確實(shí)有此需求時(shí)再安裝較為恰當(dāng)。
一般來說，當(dāng)關(guān)鍵機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備負(fù)載超過2,000瓦或是非關(guān)鍵機(jī)房的負(fù)載超過4,500瓦時(shí)，就建議使用精密空調(diào)。
值得注意的是，在評(píng)估耗電量時(shí)，比較IT廠商提供的耗電規(guī)格以及IT設(shè)備的詳細(xì)輸出功率是很重要的，因?yàn)橥O(shè)備的實(shí)際耗電量遠(yuǎn)低於背板所標(biāo)示的功率，若能確實(shí)測(cè)量出耗用的電量不但可以節(jié)省相當(dāng)高的散熱成本，還能降低機(jī)房散熱復(fù)雜度。
舉例來說，一臺(tái)路由器的背板上標(biāo)示固定功率為5～6kW，在正常的使用狀況下可能僅耗1～2kW的電力，若能實(shí)際測(cè)得設(shè)備的使用功率，就能大幅降低對(duì)散熱系統(tǒng)的需求。
不過，在某些狀況下，雖然機(jī)房負(fù)載不高，但仍建議采用機(jī)房專用空調(diào)，例如室外空氣夾雜許多塵埃以及污染物、室外空氣的日夜溫差過大，或是由於租約及裝潢的限制，無法加裝通風(fēng)管路等等，在這些情況下，利用四周空氣對(duì)流進(jìn)行散熱并不理想，建議采用機(jī)房專用空調(diào)。
在決定機(jī)房應(yīng)采用的空調(diào)設(shè)備時(shí)，也應(yīng)考量到周遭環(huán)境的限制，圖7的決策流程圖可協(xié)助企業(yè)選擇合適的空調(diào)設(shè)備。#p#
UPS對(duì)機(jī)房散熱系統(tǒng)的影響
大多數(shù)企業(yè)都會(huì)在機(jī)房安裝UPS以確保停電時(shí)設(shè)備可以繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，UPS可分為提供IT設(shè)備短暫電力備援以便正常關(guān)機(jī)，以及供應(yīng)IT設(shè)備在停電期間持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)二大類。UPS在運(yùn)作時(shí)雖然也會(huì)發(fā)出熱量，但發(fā)出的熱量遠(yuǎn)小於IT設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出的熱量，因此可以忽略不計(jì)。
不過有了UPS的備援後，停電時(shí)，IT設(shè)備仍會(huì)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，并繼續(xù)產(chǎn)生熱量，因此機(jī)房?jī)?nèi)也必須繼續(xù)進(jìn)行散熱的工作。
一般來說，當(dāng)停電時(shí)間低於十分鐘時(shí)，靠基本的傳導(dǎo)散熱，機(jī)房及機(jī)柜的溫度還能維持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)；然而，若停電超過十分鐘以上，且設(shè)備仍持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，散熱系統(tǒng)也必須能夠繼續(xù)運(yùn)作，以便維持機(jī)房的溫度。
若機(jī)房原本便采用主動(dòng)式對(duì)流風(fēng)扇或空調(diào)設(shè)備來散熱，這些設(shè)備在停電時(shí)也必須依靠UPS供電。因此在規(guī)劃UPS容量時(shí)，除了IT設(shè)備的負(fù)載外，還必須連散熱系統(tǒng)所需的電力也一并估算進(jìn)去。
一般的主動(dòng)式對(duì)流風(fēng)扇并不會(huì)增加太多的用電量，但若機(jī)房采用的是空調(diào)設(shè)備，因?yàn)閴嚎s機(jī)啟動(dòng)的電流約為額定電流的4～6倍，因此所采用的UPS的規(guī)格就必須規(guī)劃得更高。這也是為何在已安裝空調(diào)設(shè)備的機(jī)房中，仍建議裝設(shè)主動(dòng)式對(duì)流風(fēng)扇作為備援系統(tǒng)的原因。
最實(shí)用且經(jīng)濟(jì)的解決方案是為空調(diào)系統(tǒng)裝設(shè)獨(dú)立的UPS，并加裝主動(dòng)式對(duì)流風(fēng)扇作為備援。如此一來，停電時(shí)空調(diào)系統(tǒng)仍可運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間，而當(dāng)空調(diào)專用的UPS系統(tǒng)耗盡電力時(shí)，主動(dòng)式對(duì)流風(fēng)扇便會(huì)自行啟動(dòng)，提供一定程度的散熱功能；當(dāng)電力恢復(fù)時(shí)，主動(dòng)式對(duì)流風(fēng)扇則會(huì)關(guān)閉，并自動(dòng)啟動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)。
結(jié)論
對(duì)流通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)於大部分的IT機(jī)房是最有效且實(shí)用的散熱方式，規(guī)劃且設(shè)置完善的被動(dòng)式對(duì)流系統(tǒng)對(duì)低功率機(jī)房來說就已經(jīng)足夠；至於像是裝有VoIP路由器或伺服器的高功率機(jī)房，則建議使用主動(dòng)式對(duì)流系統(tǒng)。
當(dāng)關(guān)鍵機(jī)房的使用功率大於2,000瓦（或是大於4,500瓦的非關(guān)鍵機(jī)房），或是機(jī)房周圍的溫度較高、溫差大或是空氣污染嚴(yán)重，則建議采用機(jī)房專用的精密空調(diào)系統(tǒng)；而建筑物的室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)通常會(huì)造成機(jī)房溫度大幅變動(dòng)，因此不建議使用。
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