如何计算数据中心的冷却要求

发热是运行任何电气设备（包括数据中心设备）的正常副作用。然而，在数据中心，过多的热量积聚会损坏您的服务器。如果温度过高，服务器可能会关闭，并且经常在高于可接受的温度下运行会缩短设备的使用寿命。

一个相关的问题是高湿度。如果湿度过低，可能会导致静电放电，即两个物体之间的电流突然流动，可能会损坏设备。如果湿度水平上升太高，可能会导致冷凝和设备腐蚀。灰尘等污染物也更容易聚集在高湿度的设备上，从而减少热传递。为帮助防止这些问题，请将您的数据中心保持在正确的温度下，这可以通过使用冷却系统来实现。

数据中心冷却标准

美国供暖、制冷和空调工程师协会 (ASHRAE) 发布了数据中心可靠运行温度的指南。对大多数信息技术 (IT) 设备类别的最新建议是 温度在 18 到 27 摄氏度 (°C) 或 64 到 81 华氏度 (°F) 之间，露点 (DP) 为 -9˚C DP到 15˚C DP 和 60% 的相对湿度 (RH)。这些建议适用于 ASHRAE 类别 A1 至 A4 的设备。

ASHRAE 还为其各类设备提供具体建议。这些建议适用于设备通电并适用于 IT 设备，而不是电源设备。

• 对于 A1 级，推荐温度为 15 至 32˚C。推荐的露点和相对湿度范围为 -12˚C DP 和 8% RH 至 17˚C DP 和 80% RH。
• 对于 A2 级，推荐温度为 10 至 35˚C。推荐的露点和相对湿度范围为 -12˚C DP 和 8% RH 至 21˚C DP 和 80% RH。
• 对于 A3 级，推荐温度为 5 至 40˚C。推荐的露点和相对湿度范围为 -12˚C DP 和 8% RH 至 24˚C DP 和 85% RH。
• 对于 A4 级，推荐温度为 5 至 45˚C。推荐的露点和相对湿度范围为 -12˚C DP 和 8% RH 至 24˚C DP 和 90% RH。
• 对于 B 级，推荐温度为 5 至 35˚C。推荐的露点和相对湿度范围为 8% RH 至 28˚C DP 和 80% RH。
• 对于 C 级，推荐温度为 5 至 40°C。推荐的露点和相对湿度范围为 8% RH 至 28˚C DP 和 80% RH。

在其先前版本的指南中，ASHRAE 建议使用更窄的温度范围。这些建议主要考虑的是可靠性和正常运行时间，而不是能源成本。随着数据中心开始更多地关注节能技术，ASHRAE 发布了允许更宽温度范围的课程。

一些较旧的设备可能设计为较旧版本的 ASHRAE 标准。当数据中心混合使用较旧和较新的设备时，确定使用哪些建议可能更具挑战性。如果您有多种设备，则需要确定适用于您设施中所有设备的温度和湿度范围。

计算数据中心的总冷却要求

确定理想温度范围后，您需要确定系统的热量输出，以便确定需要多少冷却能力。为此，您需要估算数据中心内所有 IT 设备和其他热源的热量输出。此信息将告诉您需要多少冷却功率。

确定这一点将帮助您选择能够可靠地满足您的需求的冷却系统，同时让您避免在不需要的容量上超支。使用下面描述的方法，任何人都可以计算数据中心的冷却需求，以帮助保护其设备和数据。以下是计算数据中心冷却要求的方法。

测量热量输出

热量，即能量， 可以使用多种度量来表示，包括英热单位 (BTU)、吨、卡路里和焦耳。热量输出可以使用每小时 BTU、每天吨和每秒焦耳（等于瓦特）来测量。

有这么多不同的度量来表示热量和热量输出可能会导致一些混乱，尤其是在多个测量单位一起使用的情况下。目前，有一种趋势是使瓦特成为测量热量输出的标准方法。BTU 和吨开始逐步淘汰。

您可能仍然有一些使用其他度量的数据。如果您有使用多个单位的数据，则需要将它们转换为通用格式。您可以将它们转换为瓦特标准，或者您可能希望将它们转换为数据中最常见的测量值。以下是如何进行一些您可能需要的转换：

• 要将每小时 BTU 转换为瓦特，请乘以 0.293。
• 要将吨转换为瓦特，请乘以 3,530。
• 要将瓦特转换为每小时 BTU，请乘以 3.41。
• 要将瓦特转换为吨，请乘以 0.000283。

IT设备的交流电源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。因此，以瓦特为单位的设备的热输出等于单位的功耗。有时，数据表还提供以 BTU 为单位的每小时热量输出，但您只需在计算中使用这些数字之一。通常最容易使用瓦特。

这条规则有一个例外——互联网协议语音 (VoIP) 路由器。这些路由器消耗的功率的三分之一可能会发送到远程终端，导致它们的热量输出低于它们消耗的功率。VoIP 路由器的热量输出和功率之间的差异通常不足以在您的计算中产生显着差异，但如果您想要更精确的结果，您可以将其包括在内。

确定完整系统的热输出

要计算系统（例如数据中心）的总热量输出，您只需将系统中所有组件的热量输出相加即可。在数据中心，这些组件包括 IT 设备和其他设备，例如 不间断电源 (UPS) 系统、配电系统和空调装置。它还包括照明和人。您可以使用一些简单的规则来确定这些组件的热量输出。

UPS 和配电系统的热输出包括固定损耗和与运行功率成正比的损耗。这些损失在此类设备的所有品牌和型号中相对一致。您还可以将标准值用于照明的热量输出和值。这些值是估计值，但它们足够一致，不会在您的冷却需求计算中造成重大错误。

空调机组中的风扇和压缩机会产生大量热量，但这些热量会释放到室外而不是数据中心。因此，空调不会增加数据中心的热负荷。然而，它们产生的热量确实会影响它们的效率。在调整空调尺寸时，您应该考虑到这种效率损失。

计算冷却负荷所需的其他数据是中心的占地面积（以平方英尺为单位）和额定电气系统功率。

您可以进行深入的热分析以确定数据中心中每个组件的确切热输出，但使用上面列出的标准进行快速估计是计算数据中心或服务器机房冷却要求所需的全部内容。使用估计的结果将落在更详细分析的典型误差范围内。此外，任何人都可以在没有特殊培训的情况下使用估计进行计算这一事实是一个优势。

要计算数据中心或服务器机房的总热量输出，请先进行以下计算。

• 将所有 IT 设备的负载功率相加。这个数字等于热量输出。
• 对带电池的 UPS 系统使用以下公式：（0.04 x 电源系统额定值）+（0.05 x IT 负载总功率）。如果使用冗余系统，则不包括冗余 UPS 的容量。
• 对配电系统使用以下公式：(0.01 x 电力系统额定值) + (0.02 x IT 负载总功率)。
• 要计算照明的热量输出，请使用以平方英尺或平方米为单位的建筑面积。然后，使用以下公式之一：2.0 x 以平方英尺为单位的建筑面积或 21.53 x 以平方米为单位的建筑面积。
• 要计算数据中心人员产生的热量，请将同一时间在该设施中的最大人数乘以 100。

接下来，将上面列出的计算中的小计相加。这将为您提供房间或设施的总热源输出。

其他热源

到目前为止，我们还没有考虑来自数据中心外部来源的热量的可能性，例如透过窗户的阳光和通过外墙传导的热量。对于许多小型数据中心和服务器机房来说，这不是问题，因为它们中的许多都没有窗户或外墙。然而，一些小型数据中心确实有这些东西。较大的数据中心通常有窗户、墙壁和屋顶，这些窗户、墙壁和屋顶都暴露在外面，可以让额外的热量进入。

如果数据中心或房间的大部分墙壁或天花板暴露在室外或有大量窗户，请咨询 HVAC 顾问。HVAC 专业人员可以评估房间的最大热负荷。将 HVAC 顾问确定的负载添加到您之前计算的总热量输出中。

加湿

在计算冷却要求时，您还需要考虑补充加湿。空调系统的设计目的是除热之外还控制湿度。在理想情况下，该系统将保持空气中的水量恒定，无需额外加湿。然而，大多数空调系统的空气冷却功能会产生大量冷凝，因此会降低湿度。您需要使用补充加湿设备来弥补这种湿度损失。这种加湿设备会增加更多的热负荷，您需要通过增加冷却设备的容量来进行补偿。

但是，在某些情况下，空调系统可能不会导致任何冷凝。在许多配线间和小型数据室中，空调系统使用管道将大量回风与大量送风分开。在此设置中，不会形成冷凝，并且您不需要额外的加湿。相反，空调机组可以 100% 的容量运行。

然而，在具有大量空气混合的大型数据中心中，空调系统需要提供较低温度的空气，以补偿高温废气的再循环。这会导致大量除湿和补充加湿的需要，从而导致空调系统的性能下降。为了适应这种情况，您需要将空调系统加大 30%。

因此，如果您有一个带有管道回风的小型系统，您可能不需要考虑湿度。但是，如果您有一个更大的系统来混合空气，您可能需要将空调系统的尺寸加大 30%。

其他超大尺寸要求

您还需要为冷却系统增加额外容量，以应对潜在的设备故障和负载增长。

没有任何设备是万无一失的，在某些时候，您的一些冷却设备会发生故障。由于空调装置的技术问题，您不能让数据中心的温度升高。您需要定期使每个冷却装置脱机以进行维护。您可以通过为冷却系统添加冗余容量来规划这些需求。经验法则是在预算允许的情况下添加尽可能多的冗余容量。你应该至少有 n+1 冗余，这意味着你比你需要的多一个单元。

您还应该增加额外的容量以适应未来潜在的负载增长。公司正在生成的数据量正在迅速扩大，对数据存储的需求也随之增长。提前扩大冷却能力将使您能够更轻松地满足不断增长的需求并在未来更快地扩展。您应该为潜在增长增加的超大容量取决于您对数据中心的预测。

确定空气冷却设备尺寸

通过考虑上面列出的所有因素确定您的冷却要求后，您就可以准确地确定空调系统的尺寸。这些因素是：

• 设备的冷负荷或热输出
• 照明的热量输出
• 人员热量输出
• 如有必要，您的建筑物的冷负荷
• 由于加湿效应而需要的任何超大尺寸
• 超大冗余
• 为潜在的未来增长而过度配置

获得与您的数据中心相关的所有上述数字后，只需将它们相加即可。结果就是您的数据中心所需的冷却能力。通常，所需的冷却能力 大约是预期 IT 负载 加上任何冗余容量的 1.3 倍，尤其是对于较小的服务器机房。不过，您计算的冷却负荷可能与此不同，尤其是在您运营更大的数据中心时。

冷却方式

您可以使用许多不同的产品和技术来保持数据中心的适当温度。最适合您的产品将取决于您的冷负荷、设施设置和其他因素。 您可以选择的一些 冷却技术包括：

• 冷水机： 冷水机通过从一个元件中去除热量并将热量转移到另一个元件中来保持服务器冷却。
• 冷通道遏制系统： 一些 气流管理解决方案 专注于遏制冷空气。冷通道封闭解决方案将供应气流与冷却单元分开，从而实现更精确的温度控制并提高效率。
• 热通道封闭系统： 热通道封闭解决方案包含热废气并将其直接返回空调单元，防止其与供应空气混合。将温暖的空气返回到空调装置可以提高它们的性能。
• 盲板： 盲板阻挡了机架之间的空间，防止空气在机架之间再循环并帮助您保持一致的温度。
• 定向或高流量地砖： 定向和高流量地砖有助于将空气引导至您的设备，从而提高系统效率并帮助您充分利用冷却能力。
• 下流式冷却： 下流式冷却系统将冷空气从设备底部向下引导。热废气通过设备顶部进入，然后通过内部冷却机制，然后进入数据中心。
• 行内冷却： 行内冷却装置安装在它们正在冷却的设备附近。您可以在地板或天花板上安装行内装置。行内冷却解决方案允许高度可扩展的冷却系统，并且由于它们靠近您的设备，使您能够快速消除高热负荷。
• 便携式冷却： 便携式冷却装置可让您增加冷却系统的灵活性。您可以随时在需要的地方准确地增加冷却能力。您可以使用便携式冷却装置进行局部冷却和区域冷却。
• 机架门热交换器： 机架门热交换器直接固定在服务器机架上。他们将服务器机架的热量输出并从空气中交换，然后再将其排放到数据中心。它们可以具有主动、被动或微通道热交换器。
• 机架式冷却： 您可以将空调机组直接安装在机架上，从而实现非常精确的冷却。

您设计冷却系统的方式也会对冷却效率和效果产生重大影响。您设置数据中心和放置冷却设备的方式会影响冷却系统的效率。如果您的数据中心所在的气候允许，您还可以设计您的系统以利用自然冷却。