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数据中心优化：提升机架热密度，打造更高效空气冷却机组设备的指南
现代数据中心已然发生了革命性的改变。进而对云计算、大数据和基础设施的效率提出了新的要求。这种革命性的变化是由越来越多的必须依赖于更多数据中心的基础设施的用户和数据所驱动的。随着私有云技术和数据的快速增长在许多技术领域（物联网）中引领潮流，使得正确的数据中心优化技术从未像现在这般变得如此重要。
IT管理员们必须了解如何控制其资源，与业务需求保持一致，并创造更高的效率。最为重要的是，围绕着工作负载方面所产生的新的挑战。有鉴于上文所提及的这一切，您企业的数据中心打算如何创造符合现代业务需求的效率水平呢？您是否知道数据中心的需求究竟发生了什么样的变化呢？您企业的工作负载是否合规？如何通过扎实的最佳管理实践方案来建立起业务部门和最终用户的信心？
在本文中，我们将与广大读者朋友们共同探讨新兴的数据中心需求的新概念，即关于数据中心的能效和散热优化以及现代化的最佳实践方案方面的议题。
数据中心的环境正在经历着一场变革。其操作管理员们的当务之急是要在确保满足更多的业务需求的同时，仍然保持最佳的效率水平。让我们来看一个例子——在全球范围内，数据中心的功耗一直在增长。事实上，根据美国自然资源保护委员会在2015年发表的一份报告显示，到2020年，预计全美数据中心的电力消耗将增长到每年约1400亿千瓦时。这相当于50个发电厂的年产值，使得全美企业每年的电费账单超过130亿美元。而随着越来越多的企业将他们的资产纳入数据中心，良好的数据中心管理变得非常重要。
数据中心管理员们不仅要努力削减成本，同时还要努力减少管理开销，并提高基础架构的灵活性。
通过使用智能且可扩展的平台，企业组织可以减少资源分配，提高云服务的利用率。而且良好的数据中心平台能够为您的数据中心消耗更少的能源，并削减基础设施成本打造坚实的基础。作为回报，这显然能够为您的企业带来更多的现金流。
在本文中，我们将主要讨论以下关键主题，希望为您企业数据中心更加高效且经济地运行提供参考借鉴：
提升能源利用
创造冷却效率
打造提升效率的最佳实践方案
此外，我们还将探索克服冷却、能源效率、甚至设计挑战的更好的方法。
日益增长的数据中心需求和管理效率
随着围绕云计算和融合技术的不断向前推进，数据中心环境将需要支持这些平台。数据中心资源利用率也将直接受到影响。IT管？？理员们必须努力确定其资源当前分配的位置以及如何对其进行优化。最为重要的是，他们必须意识到可能直接影响整体数据中心优化的新技术。
日益增长的数据中心利用率、机架密度和物联网（IoT）
随着企业越来越专注于更快地将其产品推向市场，提高效率和创新，以及全球人口与移动设备的高度联系，物联网的发展预计将呈指数级的增长。
据思科估计，到2020年，全球物联网将包括500亿款与互联网连接的对象，而互联网用户将达到41亿，而2015年的数据则为30亿。另外，到2020年，全球将有263亿款网络设备和连接，高于2015年的163亿。
简而言之，没有哪个行业不会受到这一数字化转型大趋势的影响。在这种情况下，数据中心已然成为了任何行业或市场非常重要的一部分。
与数据中心对计算能力和机架密度日益增长的需求齐头并进的是：为了遵守当前环境法律的相关规定，企业数据中心必须满足相应的能效目标。而对数据中心的能源效率有影响的项目包括服务器硬件的设计（产生较少的热量）、更智能的电源管理产品、改进的环境冷却控制工具、数据中心监控工具等等。
另外，数据中心管理员们还需要面对诸如运营和升级成本等其他问题。在绿色网格联盟近期针对欧洲数据中心的使用情况所进行的研究报告中，能效和运营成本是数据中心中最常见的需要改进的领域。此外，对于未来成本（43%）和硬件更新成本（37%）预测的难度被认为是开发资源效率型数据中心的首要挑战，同时还包括难以达到环境监管目标这一挑战（33%）。
未来需要智能化的产品
如上所述，在不久的将来，机架功率密度和能源效率将成为数据中心业界最为关注的问题。
为了克服这些挑战，并为将来做好准备，数据中心管理员们必须部署智能化的技术。
电力和能源方面的考虑
根据AFCOM最新的数据中心报告显示，70%的受访者表示，在过去3年里，其数据中心的功率密度（每台机架）均有所增加，其中甚至有26%的受访者表示这一增长是极其显著的。由于当前的企业对于数据中心服务的依赖性很大，故而冗余和正常运行时间成为了大家共同关心的问题。今天和未来三年的冗余功率水平都有相当稳定的趋势。例如，该报告显示，至少有55%的受访者所在的数据中心均已经拥有并将继续拥有N + 1的冗余水平。同样，不超过5%的受访者所在的数据中心目前拥有或将拥有2（N + 1）的冗余电源系统。大多数情况下，数据中心管理人员将至少使用一种冗余级别的电源。
为了成功维持更高的功率密度，确定功率需求，并监控数据中心的功率使用情况是非常重要的。随着业务的发展和技术的进步，资源需求将会呈现波动，所以数据中心切记不要采用将会对您企业的业务有电源供应能力有限制规定的体系架构。当涉及到电力和能源时，请务必考虑以下几点：
电力监控和电网的多样化
冷却集成
支持N + 1或更高功率冗余的系统
能够实现高能效设施的技术
值得注意的是，鉴于业界目前对于数据中心对当今“绿色环保”文化环境影响的关注，许多数据中心技术正在密切关注如何提高其冷却和功率效率方面。数据中心正在使用变频电机取代恒速泵和风机，这些电机能够更加精准地满足冷却需求。他们还将投资于智能化，自动化的方式来配置和运行他们的冷却机组，包括发电厂响应数据层和数据中心建筑外部的温度和湿度。
记住，这不仅仅关乎数据中心基础设施的效率，整个数据中心建筑也可以被认证为环境友好的建筑设施，包括数据中心操作运营空间。新型的冷却和能效技术可以帮助组企业实现相关的LEED认证/ BREEAM认证，这是当今数据中心设备所能获得的最高效率标志之一。这些效率系统可以在先进的能源计量、低排放材料、室内照明和优化能源性能领域达到12-20的评分。
冷却方面的注意事项
与电力需求一样，在新的数据中心时代，冷却需求同样也是一大关键性的考虑因素。随着数据中心的密度越来越高，散热对于保持运营效率是至关重要的。根据AFCOM数据中心报告显示，58%的受访者目前运行并将继续运行至少N + 1冗余的散热系统，其中18%的受访者所在数据中心目前运行N + 2的冷却冗余架构。这意味着您企业应该寻找允许第IV层操作的技术，因为它们在冗余系统中不存在潜在的故障点。
这个理念很简单，即：“测量、改进、维护和发展”。这意味着企业需要持续的使用相关工具，以便可以清楚地监控到数据中心的效率。数据中心的效率远远超出了电力的范围。
随着机架热密度接近，并逐渐增加到5kW以上，整体冷却优化技术能够提供诸如密封遏制系统，具有增强的密封特征的机柜和节能的计算机机房布局等方法。请注意，冷却能源效率低下将使得数据中心暴露出如下问题：
冷热空气分离不良，导致冷却效果降低
空气通过机柜泄漏，导致热空气循环回流到设备入口，而不是流入CRAC单元
气流障碍物阻碍冷却气流的流通
为了应对这些挑战，新型的通道密封遏制系统解决了散热管理的问题，提高了数据中心运营效率和回收损失的功率。确保良好的气流控制和冷/热通道密封是至关重要的。高效的通道控制以及良好的操作环境管理，确实可以帮助数据中心保持环保意识。此外，市场调研机构Gartner公司的分析师Dave Cappuccio表示，通道密封遏制可以将空气流量和冷却效率提高10%.
通道封闭遏制方案通过将热/冷通道或管道热空气从机柜中封闭起来，提供冷热排气的物理分离，所述机柜具有便于以期望的均匀温度向设备进气口供应冷空气的“烟囱”。热通道密封遏制或管道机柜提供类似的结果。在空气流通管理中，服务器机房内的冷热空气的分离是使冷却系统效率大化的第一大关键步骤。一旦实现了气流分离，对冷却系统进行大范围的调整，从而降低了运行成本并提高效率。 成功的气流管理也增加了“自然冷却”的时间。
您企业有没有考虑过“自然冷却”？您是否知道“自然冷却”是ANSI/ASHRAE/IES标准90.1-2013所推荐的“除低层住宅建筑外的建筑物的能源标准”冷却方案呢？你是否还知道自然冷却有助于节约能源能源，并可能成为所有数据中心环境中的标准元素呢？
Gartner公司对于自然冷却散热的定义：其就像任何用于降低冷却系统能耗的技术或者通过使用数据中心外部的空气或水的温度来冷却数据中心的效果设备的方法一样。一般来说，其是通过对于空气和水方面的省煤器的使用。至此，空气方面的省煤器有两种工作方式。主要的是，省煤节能器使用直接的新鲜空气冷却，通过过滤（并可能调节）外部空气的温度来冷却数据中心。在寒冷的气候条件下，甚至会被热空气排出，以免太冷。空气侧的省煤器也可以在没有直接空气进入数据中心的情况下工作，而是通过从较热的内部空气向较冷的外部空气进行热量的传递。
请注意，部署高效的冷却系统有很大的优势。根据2010年的一项研究显示，100%采用自然冷却的数据中心所具备的优势包括对于空调设备的节省和每月运行空调的电费的节省。而且，还有助于您数据中心设备和基础架构更高效地运行。
优化数据中心不仅可以帮助您企业重新获得对于宝贵资源的控制权，还可以帮助您的管理员规划未来。
最佳实践方案总结
数据中心将一直不断发展壮大。新的技术也将不断影响您企业如何部署资源，优化工作负载，甚至整合云计算。
考虑到这一点，绿色网格组织在一系列虚拟圆桌会议上举办了相关的讨论会，会议讨论了其在欧洲的最新研究状况，并分析了影响数据中心能效、监测工具和IT领导者们所面临的提高能源效率的压力等一系列因素所带来的主要趋势。趋势显示：业界仍然有很多提升效率的机会亟待把握，并且很多业内人士都愿意使数据中心更加优化。他们的研究表明：88%的受访者表示，其数据中心是他们所在企业承担社会责任（CSR）战略的重要组成部分。
但是，将近一半（43%）受访者表示他们在数据中心设计和运营方面并没有制定明确的能效目标。
此外，只有29%的企业能够完全量化其数据中心对环境的影响。 （尽管这些企业所面临的来自所在国家和欧盟决策者改善环境可持续性方面的压力越来越大）。
以下是该圆桌会议的重要结论：97%的数据中心监测（包括能源效率）可以得到改善。
考虑到上述这一切，让我们快速浏览一些有助于您企业数据中心现在和未来实现更高效运行的最佳实践方案吧。
1、气流管理
在您企业数据中心的机房内将冷热空气进行隔离，以增加冷气流流经设备。指定可在设备周围提供完整的前/后密封的机柜，以大限度地提高设备的空气流通量。这通常需要在机柜内使用额外的一组挡板，用于开放式机架空间的下档板和机柜底部的挡板。在机房内指定隔离冷热空气的具体方法。有三种基本解决方案：机柜顶部的“烟囱”，用于排出机柜内散发的热排气；热通道密封解决方案（围绕热通道构建的机箱）；或冷通道密封解决方案围绕冷通道建造的围栏。
2、去除更高功率/热量密度的障碍
消除关键气流设计的限制，为实现更高的功率密度和热密度敞开了大门。高密度数据中心具有强大的空气流量管理设计和实践方法，其中机柜可以作为供应和回风之间的完全隔离的屏障。这种隔离是通过结合配件来实现的，如机柜下方填充挡板，设备安装区周边的密封空气设备和地砖切割毛刷密封垫圈，以及消除从机房返回的空气进入天花板吊顶返回机房空间的一款系统。这样的系统将包括具有密封垫的坚固的后柜门；以及机柜和天花板吊顶之间运行的垂直排气管。在这种结构中，无需再依赖于多少空气可以通过一个单一的多孔地砖进行推送，并且在操作机房的任何地方都没有加热的空气，以防止将冷空气送到该机房的任何地方。由于热密度的增加超过了地面空气输送实际可达到的水平，而不会形成超宽的冷通道，可以由此完全消除高架活动地板，操作机房可以借由墙壁格栅或者天花板而充满大量的冷空气。
3、跟踪机架条件和环境变量
对环境变量进行持续的跟踪将有助于创建更高效？？的机架设计。一些服务器会产生更多的热量，而另一些可能需要消耗更多的功率。通过查看哪些系统正在占用哪些资源，管理员们可以更好地定位其环境，以获得最佳使用。使用能够让您数据中心查看基础架构的散热和环境性能的解决方案。使用这些工具，企业可以更好地决定如何构建其机架基础架构。此外，我们还推荐使用可以为您企业提供围绕环境密封机柜，高效的网络和服务器机柜，甚至支持抗震保护的设计技术。所有这些都有助于提高了数据中心的效率、弹性和冗余水平。
4、电力监测
始终保持对于您数据中心操作环境功耗情况的检测。该理念不仅是要准确的知道使用了多少电力，而且要使环境变得更有效率。根据要求寻找节约电力的方法。例如，某些功率较大的机架可能需要更高效地分配，从而节省功耗和成本。而且，随着数据中心空间问题的日渐凸显，亟待寻找能够支持空间周期升级的系统。寻找具有更高热/功率密度的设备，同时仍然使用相同的数据中心空间。
5、冷却监测
就像对电力资源的消耗一样，对于冷却状况的监测也很重要。这可以概括为服务水平协议（SLA）的一部分，或者企业也可以人工手动监控冷却状况。根据ASHRAE指南跟踪入口温度和不断变化的设备规格是关键。确保IT系统保持最佳运行将有助于对于环境变量的控制。此外，企业还需不断探索新的冷却系统，这有助于支持云系统，新的融合水平和快速发展的商业模式。
6、监视正常运行时间和状态报告
定期检查各个系统的正常运行时间报告，并注意各个系统的状态。汇总报告将帮助管理员们更好地了解操作环境的执行情况。此外，管理人员们可以根据数据中心报告系统提供的状态报告进行效率提升方面的方案修改。
7、关于新型气流管理和HVAC优化系统的预算开销
例如，使用管道式排气系统，HVAC系统产生的每一点冷空气都必须通过服务器。
送风和回风之间的唯一途径是通过服务器传递热量，所以不会有浪费。
标准热通道/冷通道数据中心无需旁路也无需过度配置。
紧耦合和液体冷却解决方案的效率要求是基于对具有大量旁路空气，本质上低效的数据中心所进行的比较，以及由于整个机房内的压力和气流的极度变化而导致冷却的过度调配。由于传统的空气传递依赖于通过接近的穿孔入口地砖，所以冷却能力提供公式不得不计划向机房中的最低空气流量点提供足够的空气，导致了通常200-300%的过度配置，进而导致了大量的旁路空气浪费。当冷空气所供应的具体领域不再成为问题，以及100%的空气必须通过服务器时，也就不再需要这种过度的供应，因此也就不会再有浪费了。
优化的数据中心有助于支持融合和云计算等技术的最佳运行，现如今的企业将不得不将其数据中心基础设施提升到一个新的水平。新型的散热技术和电源系统旨在创造一个更加健康的数据中心系统，能够顺应新趋势的发展而不断变化。好消息是：数据中心业界正在实施更多的技术，以实现更灵活的机架和操作空间结构。借助自动化，细分机架、转移电力/冷却变得更加容易，并能够实现更好的环境控制机制。在部署这些技术时，请务必寻找具有以下所有特性的制造商：
具备能够解决未来数据中心设计和解决方案相关技术的专业知识
具备定制化的功能，以满足您企业独特的设施要求
具备全球性制造、可用性和服务支持，无论您的数据中心位于何处，都可以放心的依靠他们
当前名称：数据中心优化：提升机架热密度，打造更高效空气冷却机组设备的指南
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