侧向气流机架设备的冷却方案

当机架设备呈现出从前到后的冷却气流时，设计上采用热通道/冷通道气流模式的数据中心和网络机房的冷却效率是最佳的。大多数服务器和机架安装存储设备采用从前到后的气流。但是，许多类型的交换机和路由器由于自身的设计所限，需要采用侧向气流。

这种情况对于当今普遍采用一体化数据/声音/视频网络的趋势提出了一个难题。过去，电话系统被分散地放在若干安全的小房间里。但随着一体化时代的到来，需要使用标准化的机柜来安放数据设备、语音设备和视频设备。另一个推动一体化的趋势是存储区域网络(SAN)，在存储区域网络中，存储设备与交换设备(如路由器)一起使用。随着这些趋势不断地增强，IT管理者逐渐感到需要将采用侧向气流的设备与传统的采用从前到后气流的设备组合起来。

无论是将设备设计为从前到后冷却还是侧向冷却，其本质都是要获得足够的冷空气。如果输送的冷空气不能满足要求，设备的可用性及其承担的业务流程将受到损害，因为电子设备的寿命与其工作温度直接相关。根据MIL-HNBK338，设备的运行温度比额定温度每升高10°C (18°F)，设备的寿命就会减少一半。

用户用来解决侧向气流的一些常见解决方案并不能有效地解决这一问题，而且还带来了很多隐藏成本。本白皮书随后将探讨这些解决方案，但为了了解最有效的解决方案以及诊断问题，数据中心用户需要熟悉基本的冷却原理，下一节中将介绍这些原理。

基本气流要求

机架内部及周围的气流是决定冷却性能好坏的关键因素。要认识机架气流，关键要了解以下两个基本原则：

在设备的进气口处具有符合条件的适宜空气

设备内外的气流必须不受任何限制

对于采用从前到后冷却的设备，机柜在正确使用时可以提供气流系统的一项非常重要的功能，因为它们可以防止排出的热空气回流到设备的进气口。从设备中排出的空气的压力稍有升高，这种情况一旦与设备进气口的吸力相结合，就会引导排出的空气返回到设备的进气口(如图3A所示)。这种效应大大高于排出热空气的浮力效应，但许多人却认为，这种浮力效应能够让排出的热空气自然而然地向上漂离设备。如果采用从前到后气流，机架、设备和挡板提供了一个天然屏障，它大大增加了空气回流通道的长度，从而减少了返回到设备进气口处的排出热空气

很明显，由于采用从前到后的气流，现代数据中心中所有设备的冷却性能均得到了保证。但是，某些设备的功能完全不允许采用这种冷却方式。例如(图4所示)，大量的数据端口和电缆占据了该路由器的大部分前表面，这样冷空气就无法穿过交换机的前面。如果将端口放在路由器的侧面，空气就可以从前面穿过，但这对于IT人员使用设备而言，却是一个不切实际的解决方案。因此，目前对路由器等设备普遍采用的侧向冷却方法虽然不是最理想的方法，但却是一种切实可用的方法。

采用侧向冷却时的气流问题

上节提到在采用从前到后的气流时，从机架设备排出的空气会被自然地抽回到进气口，而挡板可以阻拦此循环气流。但是，对于采用侧向气流的设备而言，有三个严重的问题会使得从设备排出的热空气返回进气口，进而导致设备进气口温度相应地上升。包括：

1) 相邻的设备

2) 没有隔板将进气与排出的空气隔开

3) 安装在机柜中随着机架或机柜中的功率密度(每个机架中的所有设备消耗的总功率)增加，这些问题就会变得更为严重。

相邻的设备

采用侧向气流的设备通常安装在开放式机架中以便于冷却。但是，当机架排成行而设备放在相邻的机架中时，则会导致非常严重的后果。在这种情况下，一台设备的进气口可能正对着相邻设备的排气口。设备的进气口可能会比周围的空气温度高出10°C(18°F)，这通常是不允许的。此外，如果很多这样的机架排成一行，当空气穿过多个机架后，每个后续机架的进气口温度会越来越高，导致后面机架的进气口温度非常高，这一过程由图5中不断变化的箭头颜色表示。此处描述的由于相邻设备的排气引起过热是相当普遍的现象。由于空气流动的模式难以预测，因此使用开放式机架来解决冷却问题也变得非常困难。

安装采用侧向气流的设备时，在大多数情况下，并没有采取措施来阻拦或隔离排出的空气，以防止其返回到设备进气口。类似于图3A中采用从前到后冷却的设备，气流可能只是离开排气口，沿设备的后面回到另一侧的进气口。此外，在大多数情况下，采用侧向气流的设备在机架内会垂直分隔开。这就意味着，排出的空气也有可能流向设备的上方或下方，然后返回到设备另一侧的进气口；这条通道通常比沿设备后面的通道短。无论如何，当排出的空气返回并与输送的新鲜空气混合时，设备的进气口温度将会上升，而这是我们不希望看到的结果。

安装在机柜中

正如简介中所述，我们经常需要将采用侧向气流的设备安装到机柜中。但是，对于从前到后的气流，机柜可以提高冷却效果；但对于侧向冷却，机柜将降低冷却效果。机柜的侧面会对新鲜冷空气的进入造成了一定程度的附加障碍，同时也会稍微阻碍热空气的排出。当这种附加阻力与排出空气返回设备进气口的已有趋势结合在一起时，其影响不容忽视。排出的空气中有相当一部分将返回到进气口。如果相邻的设备安放在若干排相互紧靠的机架中，而且机架之间没有空气隔离物，情况将会更糟。如果将采用侧向气流的设备安装在机柜中，则会使前面提及的负面影响变得更严重。然而，要将采用侧向气流的设备安装在机柜中，也有不少行之有效的方法；本白皮书后面将介绍这些方法。

消除过热问题的愿望促使用户不断地进行各种革新，以降低采用侧向气流的设备的温度。传统的解决方案虽然可以降低设备温度，但常常会带来其他隐藏成本。一些降低设备温度的方法可能会导致制冷系统效率低下，并且可能导致丧失冷却冗余能力。要了解这些成本，应该考虑决定冷却成本的因素。

影响冷却成本的因素

冷却成本是一项非常庞大的成本。对于许多装置来说，制冷系统消耗的电能几乎占到数据中心所耗电能的一半。仅仅是维持制冷系统运转的电力成本通常就占了总拥有成本的很大一部分，这一项所占比例高于电源系统和制冷系统的全部基建投资占总拥有成本的比例。因此，必须有效地防止制冷系统浪费电能。

数据中心所需的冷却能力(冷却瓦数或吨位数)不受空气回流影响；但空气回流会大大降低制冷系统的效率。这是因为存在严重空气回流现象的系统具有以下特性：

A) 它需要计算机室空调单元 (CRAC) 输送较低温度的空气，以抵消混入的排出热空气。

B) 由于排出的热空气中混入了冷空气，因此返回计算机室空调单元的空气温度会降低。

C) 返回到计算机室空调单元的空气温度较低将导致空气湿度降低，这必须通过加湿来进行补偿。

空气回流及与其相关的热点问题可能导致计算机室空调单元的电力成本上升10%以上，并且可能需要安装更多的计算机室空调单元，从而增加投资成本和运行成本。此外，当一台计算机室空调单元停机维护时，恐怕制冷系统就无法提供足够的冷却能力了。在APC第49号白皮书“影响数据中心和网络机房冷却性能的可避免的错误”中，提供了有关这些问题的详细论述。