数据中心被动式散热解决方案

随着新一代计算机设备的不断提升，数据中心面临了增加每机柜功率密度的需求。虚拟计算、内存系统、多核CPU、CPU速度和GPGPU等技术的快速发展，极大地提高了计算能力，但同时也带来了更高的能耗和散热问题。为了适应这种变化，数据中心需要致力于提高空调系统的制冷效率，以有效地减少能源消耗和降低碳排放。据预测，全球数据中心平均每机柜的热密度将会迅速提升，这强调了对可持续发展和绿色解决方案的迫切需求。为了应对这个挑战，数据中心需要不断创新，探索新的能源节约和环境友好的技术，以实现更高效的制冷方式和降低能源消耗的目标。

方案一为冷池和热池，为了提高制冷效率，数据中心可以采用热通道封闭即热池（HAC）或冷通道封闭即冷池（CAC）技术。热通道封闭将热通道密封，并通过回风管将热回风送回数据中心的空调系统。冷通道封闭则将冷通道隔离起来。这两种技术都有效地隔离了空调系统的冷送风和热回风，提高了空调的制冷效率。它们的区别在于可扩展性、散热管理以及适宜的工作环境。

图1 标准热池方案

冷池的可扩展性主要受限于地板下送风和将冷风送入多个冷池的方式。目前业界存在一些误解，认为空调机的出风量可以满足设备的散热需求即可，却忽视了高架地板下送风对多个冷池的压力和空间的影响。相反，热池通过利用整个数据中心作为冷通道来解决这个问题，扩大了冷通道的空间。与冷池相比，热池具有更多的空调冗余性能，多余的热通道空间在空调系统故障时可以提供更多维修时间。此外，随着服务器散热能力的提高，服务器所需的散热风量大大减少。现在许多服务器的热风出风温度可以达到55℃。冷池未隔离部分的温度将比传统数据中心高，这提高了工作人员的舒适度并延长了其他设备的使用寿命。综上所述，尽管这两种方法都可以提高每台机柜的热密度，但合理使用热池时，热池的效率更有效可靠。

通过以上对比，我们可以看出热池相比冷池有更多优势。此外，当数据中心断电时，冷池数据中心的冷空气只存在于高架地板下和封闭冷通道中，而热池数据中心的冷空气分布在高架地板下和整个房间内，因此冷池数据中心的冷空气体积远小于热池中的热空气体积。当数据中心断电或空调故障时，冷池数据中心的IT设备可能在几秒钟内失效。因此在有可能的情况下，我们应该尽量选择热池而不是冷池。使用部分密闭的热池或冷池数据中心可能仍然存在热点问题，并且需要额外注意消防设施的位置，但相比传统数据中心，它们大大提高了每个机柜的热密度。

另一种解决方案是机柜级的冷热风隔离系统，。这种系统通常作为机柜的延伸部分，最常见的系统是机柜垂直排风管系统，也称为烟囱机柜系统。垂直排风管系统将密闭机柜内的热回风导入到天花板上方。与冷池或热池相比，烟囱机柜系统有以下显著优点：首先，对于机柜而言，烟囱机柜隔离冷热空气系统比冷池或热池系统隔离整个机柜行更简单有效，并且烟囱机柜是所有解决方案中最简单的全密闭系统。此外，烟囱机柜系统与空调系统分离，因此可以根据需求随意增加机柜，实现更高的可扩展性。最后，该系统与空调系统的独立性确保数据中心可以使用大型空调系统来提高制冷效率和节能。垂直排风管系统可以通过高架地板传送冷空气（常用的送风方法），或者直接将冷风吹入数据中心内部，结合使用空气节能器可以达到更佳的节能效果。

图3 垂直排风管系统在数据中心内的应用

垂直排风管系统机柜面临的第一个挑战是必须安装天花吊顶或使用回风管，这会增加数据中心的高度需求。第二个挑战是要确保机柜前后存在风压差，以确保冷风能够进入机柜并散热。这个挑战主要体现在机柜前部的送风口压力，机柜后部的热回风压力，以及机柜后部的理线等功能区对风压的影响，以及垂直排风管的尺寸和长度。因此，在设计时需要特别注意，确保垂直排风管系统不会造成不正确的压力差。

为了克服这个挑战，我们可以通过控制机柜内部的空气流速来控制机柜内部的空气压力。即使在没有任何主动散热设备的情况下，利用自然的压力差可以更多地引入冷送风进入机柜，并将热回风排出至天花板上部。

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