如何计算数据中心的冷却需求？
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2024-04-29 18:37
【导读】数据中心的冷却要求受多种因素影响，包括设备的热量输出、占地面积、设施设计和电气系统功率额定值等等……
众所周知，环境因素会严重影响数据中心设备。过多的热量积聚会损坏服务器，可能导致其自动关闭。经常在高于可接受的温度下运行服务器会缩短其使用寿命，并导致更频繁的设备更换。
不过，危险不仅仅在于高温。高湿度也会导致冷凝、腐蚀和灰尘等污染物堆积在数据中心的设备上。同时，低湿度会导致两个物体之间发生静电放电，从而损坏设备。
而经过适当校准的冷却系统可以防止这些问题，并让数据中心全天候保持正确的温度和湿度，从而最终会降低设备损坏造成的运营风险。因此，数据中心运营商可以通过一些方法确定数据中心所需的冷却标准。
数据中心冷却标准
例如，ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师学会）制定并发布了数据中心的温度和湿度指南。最新版本根据设备分类概述了可以可靠运行数据中心的温度和湿度水平。
在最新的指南中，ASHRAE 建议 IT 设备应遵循以下使用方式：
温度在 18 至 27 摄氏度之间。
露点为 -9 至 15 C摄氏度。
相对湿度为60％。
确定 IT 设备的适当环境取决于其分类（A1 至 A4），该分类基于设备的类型及其运行方式，按敏感度降序排列。A1 设备是指需要最严格环境控制的企业服务器和其他存储设备。A4 级适用于 PC、存储产品、工作站和大容量服务器，允许的温度和湿度范围最广。
这些指南的先前版本侧重于可靠性和正常运行时间，而不是能源成本。为了与数据中心对节能技术和效率的日益关注保持一致，ASHRAE 开发了更好地概述环境和能源影响的课程。
如何计算数据中心冷却需求？
要计算数据中心的冷却需求，需要几部分数据：设备的总热量输出、建筑面积、设备，必须确定设施内所有设备的可接受温度和湿度范围。
可以按照以下一般计算方法来获得基准英热单位(Btu) 冷却尺寸：
（房间面积ft 2x 20）+（IT 设备瓦数 x 3.14）+（房间内活跃人数 x 400）
但这只是一个起点。如果想要更准确的估算和规划设施未来的冷却需求，还需要了解更多因素。
测量热量输出
热量可以用各种单位来表示，包括英热单位、吨 (t) 和瓦特 (W)。如果设备使用多种单位，则必须将它们转换为通用格式以进行比较。
以下是快速单位换算表：
| 转换 | 乘以 |
| 英热单位/小时 换算为瓦特 | 0.293071 |
| 瓦特 成 英国热量单位/小时 | 3.412142 |
| 吨 换算成瓦特 | 3,516.852842 |
| 瓦特 换算成吨 | 0.000284 |
一般而言，IT设备所消耗的电能几乎全部转化成热量，而通过数据线传送的电能则微乎其微，也就是说设备输出的热量（单位为瓦）等于其功耗。
热量输出特殊情况
由于某些设备产生的热量与“其功耗等于其热量输出”的一般规则不同，因此必须分别计算它们：
照明。与 IT 设备一样，照明的瓦特输出大致等于热量输出。取此数字，然后乘以 4.25，即可确定以英热单位表示的照明。如果使用的是发光二极管照明，将此总数减少三分之一。
窗户。如果数据设施有窗户，必须计算所有窗户的阳光产生的热量。一般计算为 60 Btu/小时/平方英尺。ASHRAE 在计算中考虑了位置、日照时间、建筑材料、窗户材料、折射率等。
外部热量（墙壁、屋顶等）。外部墙壁或屋顶会影响数据中心（尤其是大型数据中心）的总热量输出。可参阅ASHRAE 的指南（点击查看原文），了解如何处理这种情况。
人数。将设施内任何时候的最大人数乘以 400，即可确定总居住人数（以英热单位计算）。
不间断电源 (UPS) 系统。尽管这些系统和设备通常不会以 100% 的容量运行，但在计算热量输出时仍应使用其最大容量，因为在使用时这可能是一个因素。
配电系统。这些系统仅会以热量的形式释放其标称用电量的一部分，因此请使用以下公式计算其热量输出：（0.02 x 电源系统额定值）+（0.02 x 总 IT 负载功率）。
IP 语音 (VoIP) 路由器。VoIP路由器高达三分之一的功耗被发送到远程终端，因此，为了进行冷却计算，应将其最大功率输出降低三分之一。
HVAC 和其他冷却系统。空调系统中的冷却风扇和压缩机会产生大量热量。但是，这些热量几乎立即释放到室外，而不是数据中心内部，因此通常可以忽略它们。
计算总热量输出
一旦收集了所有必要的数据，只需将它们加起来即可确定数据中心的总体冷却需求。
如果使用英热单位作为基本单位，则必须将总数除以 3,412.141633 才能确定所需的总冷却量（以千瓦 kW 为单位）。
其他环境因素
除了前面提到的特殊环境因素外，还有一些其他因素会影响数据中心的热量输出计算。忽略这些因素可能会导致冷却系统尺寸不正确，并增加整体冷却投资。
空气湿度
HVAC系统通常设计用于控制湿度和散热。理想情况下，它们会保持恒定的湿度水平，但空气冷却功能通常会产生大量冷凝和湿度损失。在这种情况下，许多数据中心使用补充加湿设备来弥补这种损失，从而增加更多热量。
大型数据中心有大量空气混合（即设施内部区域的热空气和冷空气混合），通常需要补充加湿。冷却系统必须帮助补偿设施内较热空气的流动。因此，这些数据中心的冷却系统必须比现有系统大 30%。
预算允许的范围内增加尽可能多的冗余，或者至少比计算结果多增加一个单元。HVAC 顾问通常将所有 IT 设备的热量输出乘以 1.5，以实现未来的扩展。
数据中心冷却需求计算示例
以下是使用各种标准指标的几个冷却计算示例。
1. 整体数据中心冷却计算
假设典型数据中心有以下示例信息：
| 物品 | 计算 | 总计 |
| 建筑面积 | 3,000 平方英尺（ 3,000 x 20） | 60,000 Btu 或 17.6 千瓦 |
| 服务器和机架 | 150 个机架，每个机架有 8 台服务器 (150 x 8) | 1,200 台服务器 |
| 服务器功耗 | 每台 625 瓦（1,200 x 625） | 750 千瓦 |
| 带电池供电的UPS | 最大容量为 1,755 Btu/小时 | 0.5 千瓦 （1 千瓦 = 3,412.141633 Btu/小时，因此 1,755 / 3,412.141633 = 0.5 千瓦） |
| 灯光 | （15,000 宽 x 4.25）/3,412.141633 | 63,750 Btu 或 18.7 千瓦 |
| 窗户 | 2,500 平方英尺的窗户（2,500 x 60 Btu/小时） | 150,000 Btu/小时或 44 千瓦 |
| 人员 | 数据中心内任何时候最多可容纳 50 名员工（50 x 400 Btu/小时） | 5.9 千瓦 |
| 累计 | 17.6 + 750 + 0.5 + 18.7 + 44 + 5.9 | 最大制冷功率 836.7 kW |
由于大多数 HVAC 系统的尺寸以吨为单位，我们可以使用标准转换公式 (W x 3.412142 = Btu/小时) 和 (Btu/小时 / 12,000 = 冷却吨)：
836.7 千瓦 = 836,700 瓦 x 3.412142 = 2,854,939 英热单位/小时。
2,854,939 Btu/小时 / 12,000 = 所需最大冷却量 237.9 吨。
以下是组件、系统、人员等分解的直观视图：
此图表显示了上述示例数据中心的热量输出百分比
在这个示例数据中心中，UPS 系统产生的热量非常少，即使在最大使用率下也是如此，甚至不到总热量输出的 1%。其余 IT 设备产生的热量占了大部分。
2. 小型服务器机房或数据柜的计算
在此示例中，大城市的普通办公大楼中可能有一个小型服务器机房、数据柜或小型边缘数据中心。这些计算可以帮助确定冷却要求（以瓦特为单位），并且任何以千伏安 (kVA) 为单位的电力系统额定值都可以大致视为与设备的总功率输出相同。
| 物品 | 热量计算 | 输出小计 |
通用IT设备：
|
与 IT 总功率负荷（瓦特）相同 | （5 x 2,400）+（2 x 18）= 12,036 瓦 |
| 带电池的 UPS（5 个装置，电源系统额定功率为 0.9 kVA） | （0.04 x 电力系统额定功率）+（0.06 x 总 IT 负载功率） | （0.04 x 0.9）+（0.06 x 12,036）= 722.2 瓦 |
| 8.6 kVA 配电系统 | （0.02 x 电力系统额定值）+（0.02 x 总 IT 负载功率） | （0.02 x 8.6）+（0.02 x 12,036）= 240.9 瓦 |
| 10 英尺 x 15 英尺 x 10 英尺房间的照明 | 2 x 建筑面积（平方英尺），或 21.53 x 建筑面积（平方米） | 2 x (10 x 15 x 10) = 3,000 瓦 |
| 人数（设施内共有 150 人） | 400 x 最大人数 | （400 Btu/小时/3.412142）x 150 = 17,584.3 瓦 |
| 所需冷却总瓦数 | 12,036 + 722.2 + 240.9 + 3,000 + 17,584.3 | 33,583.4 瓦或 33.6 千瓦 |
将这些转换为冷却吨数需要使用标准转换方程 (W x 3.412142 = Btu/小时) 和 (Btu/小时 / 12,000 = 冷却吨数)，因此该空间总共需要以下数额：
33,583.4 宽 x 3.412142 = 114,591.3 Btu/小时。
114,591.3 Btu/小时/12,000 = 所需冷却量为 9.5 吨。
要确定此数据中心未来的冷却需求，请将 IT 总热量输出乘以 1.5，即12,036 W x 1.5 = 18,054 W。将这个新数字添加到现有数字中，我们可得出未来总冷却需求为 39,601.4 W 或 11.3 吨冷却。这几乎增加了 20%。
随着现代数据中心从十年前的大型集中式数据中心演变为如今许多企业正在建设的小型、灵活的边缘计算数据中心，冷却要求通常保持不变。将如此多的技术集中在一个位置需要规划一个适用于当前和不久的将来的适当的冷却策略。
数据中心的冷却需求受到这些因素以及其他因素的影响，例如机架密度的增加、设施中的技术部署以及在那里工作的员工数量。更好地了解影响冷却的因素可以让任何数据中心专业人员更了解如何根据组织的需求设计正确的冷却计划。
资料来源：Techtarget