小型机房的散热策略

　　摘要：许多较小型的企业由於IT设备较少，并不会特别建构机房，而是把IT设备部署在办公室的角落或仅是一个独立的房间，由於没有专属的空调设备，常会造成IT设备的电力密度超过负荷、过热甚至造成当机。大多数的企业都忽视了这个问题，等到过热的问题发生後，才开始寻求改善的方法。在本文中，将会说明机房散热的基本原则，并分析各种散热方法的优缺点，协助企业选择合适的设备。 

　　数据中心的设计一定会包含空调系统，但许多较小型的企业由於IT设备较少，并不会特别建构机房，而是把IT设备部署在办公室的角落或仅是一个独立的房间，由於没有专属的空调设备，常会造成IT设备的电力密度超过负荷、过热甚至造成当机。大多数的企业都忽视了这个问题，等到过热的问题发生後，才开始寻求改善的方法。在本文中，将会说明机房散热的基本原则，并分析各种散热方法的优缺点，协助企业选择合适的设备。
　　
　　散热的基本原则
　　
　　IT设备耗用多少千瓦的电，就会制造出多少千瓦的热量来，然而，高温却会影响IT设备的运作，一般来说执行关键任务的机房，温度建议应保持在25℃以下，若是只有网路交换机等设备的非关键机房，温度上限可放宽到32℃。要彻底解决热的问题，最根本的就是要有效散热，否则热就会在IT机房内不断的累积，温度便会节节升高。
　　
　　一般而言，热的流向是从温度较高的地方往温度较低的地方流动，就像水会往低处流一样，因此，想要散热就必须提供一个能让热流向更低温的地方的通道。但在现实的环境中，并不一定有这个通道存在。不过，可以利用下面五种方法，将办公室或机房内的热量有效散去。
　　
　　■传导：热透过实体的物品传递出去。
　　
　　■被动式对流：不使用风扇等空气导流的装置，让热量自然透过通风孔或气窗流入低温区域。
　　
　　■主动式对流：藉由风扇等导流装置，将热量透过通风孔或气窗排至较低温的区域。
　　
　　■室内空调降温：藉由建筑物的中央空调降温。
　　
　　■专用空调降温：透过机房专用的精密空调系统进行降温。
　　
　　图1假设在一个无特殊环境下的机房，根据空间的用电量与期望的目标温度，提供一个普遍的散热方法，说明上述几种散热方式的适用范围。这些方法界定不应该被认为是绝对的，因为有些还是相互共用，并且在最终设计时，还须考量到全盘的冷房变因。请注意，在本例中并未讨论室内空调，因为室内空调有太多难以预测的变数，这部分会放在後面再作说明。

图1根据电力负载与目标温度的散热方法指引。若在一个装设1500ＷIT设备的机房，为了将温度维持在25℃，那麽最佳的作法则建议采用主动式对流法。

图2为选择散热方法的流程图，可以协助企业初步选择最适合的散热方法。再次提醒，室内空调降温不在此建议解决方法内。

　　冷却机房的五种方法
　　
　　上述提及的五种不同散热方法，在效果、运用限制以及建制成本上都有所不同，就现今已开始运转中的资料中心来说，企业应根据现有的条件及偏好，仔细评估哪种方法最合适，以及该如何设计以符合企业需求。
　　
　　传导散热－完全被密封的机房
　　
　　若机房是完全密闭式，没有任何通风孔道，热量就只能透过墙面传导出去。根据热往低温处流动的定律，机房内的温度势必要比周围的墙面温度高，温度才会传导出去，这也表示机房的温度一直是高於其他区域。
　　
　　假设在一个3×3×3公尺的密闭机房，漏气率为23.6升／秒，采用石膏墙（drywall）隔间，且四面墙另一侧皆为有室内空调的办公室，办公室室内温度约20℃。在这样的空间内，若IT设备负载在400W以下，则光靠传导就可让机房维持在关键机房25℃的标准内；若是非关键机房，则设备负载可提升到1000W。不过需要注意的是，机房的大小、装潢材料等因素都会影响传导的效果（见表1）。
　　
　　其中最明显的影响是机房尺寸，大型机房因为墙面、天花板与地板的表面积更大，散热能力较佳；反之，较小的空间，热量传导效果较低，这关系变化如图3所示。

图3机房大小对散热的影响。

　　其次，墙壁、天花板与地板的材质，也会影响热的传导。例如用四英寸厚的混凝土墙取代上述的石膏墙与隔音板，可以发现散热的效果更好。
　　
　　由於下班後及假日时通常都会把空调关闭或调小，而热的传导效果会随着周遭空气温度的上升而变差。举例来说，若周末时办公室的空调温度从20℃调到29℃，那麽机房的温度一样会增加9℃。这表示机房即使没有任何IT设备，也不可能达到关键机房必须低於25℃的要求；即使是非关键机房，设备负载也必须要低於250瓦，才有可能符合温度在32℃以下的要求。
　　
　　另一个会影响热传导的西晒的问题，倘若机房的墙面就是大楼的外墙，且会直接曝晒到阳光，那麽在晴天时机房仍有可能会过热。同样以3×3×3公尺的机房为例，若室外温度是38℃，则预期机房的温度会高出4～7℃，且每平方公尺的墙面平均受热可高达1000瓦。
　　
　　对於密闭式机房传导散热效果会依据机房大小、建材以及周遭环境而有所不同。大体来说，若要单靠传导来散热，则建议使用在独立且耗电量小於400瓦的关键机房，且已排除西晒等影响因素；若是运用在非关键机房，则建议整体耗电量控制在1000瓦以下，最好只有小型网路切换器这一类耗电量非常低的IT装置。
　　
　　此外，也要留意像灯光等额外的热源，机房内应选择低耗电量、低发热量的照明设备，且建议加装感应设备，当人员离开时，灯光可自动熄灭，或是乾脆不要安装照明设备。
　　
　　被动式与主动式对流
　　
　　第二种办法是在机房内合适的区域打洞并安装通风孔或是抽风设备，透过空气对流的方式来散热。
　　
　　采用这个方法时，要确保机房温度不会突然剧增且高於周边温度很多。图4为机房对流系统的范例。图5则为主动式与被动式对流系统的安装位置。

　　被动式对流曲线表示安装了图4A的通风孔，而主动式对流是安装了图4B抽风系统，散热效果更佳。此例中所用的抽风系统的气流量为226.5升／秒，主动式对流系统的气流量越高，温度上升的幅度便越平缓（可改用高风量的风扇或是加装更多抽风扇）。
　　
　　在机房散热上，对流系统是非常实用的方法，当关键机房的耗电量低於700瓦时，采用被动式对流系统就已足够；若耗电量在700～2000瓦间，则建议采用主动式对流系统。若电力需求更高，则可使用更高效率的抽风机或安装多台抽风机来散热。
　　
　　同样的，对於非关键机房，耗电量在1750瓦以下可采用被动式对流系统；而耗电量在1750～4500瓦之间的，则建议使用主动式对流系统。其他应用的实际考量，例如进气孔的地点，主动式对流系统与IT设备的相对位置都可以改善散热效果。除此之外，表1提到的因素，也同样会影响到散热的效果。

 　　室内空调可带走热量
　　
　　大多数的建筑物都已安装冷气或空调系统，这些空调系统都还会包含通风管道，以便将冷空气吹到各区域。大多数的企业都会选择将空调的管线延伸到机房内，因为这样子既简单又省钱。然而，这些加装的通风管线，其实对机房的降温效果有限，而且往往会带来更多问题。
　　
　　室内空调通常会包含一个自动恒温装置，它会感应室内温度的变化来控制空调系统运转或停止。然而，自动恒温系统通常不会安装在机房内，这表示空调是依据办公室的温度来调整，而非机房的温度，因此当空调系统开始运转时，机房内温度便会下降，停止运转後温度就会上升，这样温度上上下下，反而比让IT设备维持在高温还要糟糕。
　　
　　再加上新型的空调设备通常都具备节能的功能，系统会自动在夜间或周末时将空调的温度调高甚至关闭空调以节省电力，而机房内的温度也会随着设定的温度而上升。若只是延伸空调管线到机房内，那麽势必要在夜间及周末时将空调打开，这样一来不但会增加耗电量，而且机房温度还是会随着办公室温度上上下下，实在不理想。
　　
　　如果要使用室内空调来为机房降温，则机房必须设置在一个独立区域，有单独的空调主机、回风管线、送风设备以及控制器（恒温系统），但如此一来便失去原先的简单又省钱的好处。
　　
　　增加机房专用散热区的挑战包括：
　　
　　●必须确保空调设备能供应充足且稳定的冷空气，尤其在冷气用量最大的夏季。
　　
　　●低电力密度—大部分室内空调只能提供每平方公尺43～54瓦的冷房效果，也就是每个机柜约150瓦（1个机柜大约等於30平方尺）。
　　
　　●缺乏扩充性。
　　
　　●安装成本高。
　　
　　此外，中央空调系统也是主要热源之一，在与办公室共用室内空调的情形下，冬季时，空调管线必须同时提供办公室暖气，还要提供机房冷空气，这几乎是不太可能的事。因此，延伸室内空调来对机房进行降温是不合适的。如果原本机房内就已有通风管路，也建议应该把管路拆掉或是封闭。
　　
　　使用机房专用空调来降温
　　
　　安装精密空调是控制机房温度最有效的方法，然而，安装精密空调比安装主动式对流系统来得复杂而且昂贵，因此应确定确实有此需求时再安装较为恰当。
　　
　　一般来说，当关键机房内的设备负载超过2,000瓦或是非关键机房的负载超过4,500瓦时，就建议使用精密空调。
　　
　　值得注意的是，在评估耗电量时，比较IT厂商提供的耗电规格以及IT设备的详细输出功率是很重要的，因为往往设备的实际耗电量远低於背板所标示的功率，若能确实测量出耗用的电量不但可以节省相当高的散热成本，还能降低机房散热复杂度。
　　
　　举例来说，一台路由器的背板上标示固定功率为5～6kW，在正常的使用状况下可能仅耗1～2kW的电力，若能实际测得设备的使用功率，就能大幅降低对散热系统的需求。
　　
　　不过，在某些状况下，虽然机房负载不高，但仍建议采用机房专用空调，例如室外空气夹杂许多尘埃以及污染物、室外空气的日夜温差过大，或是由於租约及装潢的限制，无法加装通风管路等等，在这些情况下，利用四周空气对流进行散热并不理想，建议采用机房专用空调。
　　
　　在决定机房应采用的空调设备时，也应考量到周遭环境的限制，图7的决策流程图可协助企业选择合适的空调设备。
　　
　　UPS对机房散热系统的影响
　　
　　大多数企业都会在机房安装UPS以确保停电时设备可以继续运转，UPS可分为提供IT设备短暂电力备援以便正常关机，以及供应IT设备在停电期间持续运转二大类。UPS在运作时虽然也会发出热量，但发出的热量远小於IT设备运转时发出的热量，因此可以忽略不计。
　　
　　不过有了UPS的备援後，停电时，IT设备仍会持续运转，并继续产生热量，因此机房内也必须继续进行散热的工作。
　　
　　一般来说，当停电时间低於十分钟时，靠基本的传导散热，机房及机柜的温度还能维持在适当的范围内；然而，若停电超过十分钟以上，且设备仍持续运转时，散热系统也必须能够继续运作，以便维持机房的温度。
　　
　　若机房原本便采用主动式对流风扇或空调设备来散热，这些设备在停电时也必须依靠UPS供电。因此在规划UPS容量时，除了IT设备的负载外，还必须连散热系统所需的电力也一并估算进去。
　　
　　一般的主动式对流风扇并不会增加太多的用电量，但若机房采用的是空调设备，因为压缩机启动的电流约为额定电流的4～6倍，因此所采用的UPS的规格就必须规划得更高。这也是为何在已安装空调设备的机房中，仍建议装设主动式对流风扇作为备援系统的原因。
　　
　　最实用且经济的解决方案是为空调系统装设独立的UPS，并加装主动式对流风扇作为备援。如此一来，停电时空调系统仍可运转一段时间，而当空调专用的UPS系统耗尽电力时，主动式对流风扇便会自行启动，提供一定程度的散热功能；当电力恢复时，主动式对流风扇则会关闭，并自动启动空调系统。
　　
　　结论
　　
　　对流通风系统对於大部分的IT机房是最有效且实用的散热方式，规划且设置完善的被动式对流系统对低功率机房来说就已经足够；至於像是装有VoIP路由器或伺服器的高功率机房，则建议使用主动式对流系统。
　　
　　当关键机房的使用功率大於2,000瓦（或是大於4,500瓦的非关键机房），或是机房周围的温度较高、温差大或是空气污染严重，则建议采用机房专用的精密空调系统；而建筑物的室内空调系统通常会造成机房温度大幅变动，因此不建议使用。