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(图片说明：数据中心示例)
由于数据中心 24/7 全天候运行，它们消耗大量电力。这些电力用于为服务器供电和处理数据，同时产生大量热量。这些热量必须被移除，否则电子元件会过热、故障甚至起火。
(图片说明：数据中心能耗分布图)
一个典型数据中心的能耗分配可能约为：IT 设备占 ~50%，冷却和 HVAC 占 35%，电气基础设施和支持占 10%，照明约占 5%。数据中心的电力需求差异巨大，从几千瓦到兆瓦级不等，取决于规模和地点。因此，我们将探讨几个数据中心及其空调系统的实例，以及效率改进措施。
(图片说明：数据中心 HVAC 系统示意图)
首先，我们将简要介绍非数据大厅区域（Non-Data Hall Areas）。这些区域通常供工作人员、安保人员、工程师和技术人员使用，包括办公室、卫生间、车间和休息区。这些区域由独立的机械通风系统提供服务，使用空气处理机组（AHU）或屋顶机组（RTU）来分配调节空气，以满足人员的热舒适需求；也可能使用独立的分体式空调或多联机（VRF）系统进行温度控制。由于我们在之前关于冷水机组、AHU 和 RTU 的文章以及 VRF 和分体式空调单元的视频中已涵盖这些内容，此处将不深入讨论。
服务器机房
接下来讨论服务器机房。目前最常用的方法之一是将服务器机架放置在架空地板上，然后使用机房空调机组（CRAC）将调节后的空气分配到服务器机架。
(图片说明：CRAC 机组 - 机房空调)
CRAC 机组内部装有热交换器，这些热交换器连接到制冷机组或冷水系统，以移除服务器机架产生的热量。部分 CRAC 还可对空气进行加湿或除湿，这对于控制空气中的静电至关重要；机组内还装有过滤器以去除室内灰尘，以及用于循环和分配空气的风机。为提高效率，CRAC 机组应使用高效过滤器、电子换向（EC）风机或电子控制风机，并在架空地板静压箱内安装压力传感器以精确控制送风量。建议在服务器机架的进风格栅处安装温度传感器，以根据实际进气温度控制 CRAC 机组的送风温度。
(图片说明：数据中心架空地板)
经过调节的冷空气由 CRAC 机组内的风机送入架空地板下方的静压箱。地板砖上的小孔或格栅允许空气在特定位置离开静压箱。此空气吸收热量后上升至天花板。然后，CRAC 机组将这股热空气吸回机组进行再处理。
在早期，服务器机架朝向各异。工程师们很快意识到这效率低下，因为新鲜的冷空气与服务器排出的热空气直接混合，导致服务器接收的空气温度不均（有的热，有的冷），这导致了更高的能耗和服务器故障率。
为解决此问题，服务器机架被调整为统一朝向。这是一个略有改进的策略，但服务器后排出的热空气仍常被吸入后方服务器机架的进风口，导致气流混合和进气温度升高。
(图片说明：数据中心冷热通道布局)
随后采用的策略（至今仍非常普遍）是冷热通道（Hot and Cold Aisles）布局。这对之前的设计是一个重大改进，因为它将新鲜的冷空气流与热排气流分隔开来。冷空气从地板格栅上升，被吸入通过服务器；所有排出的热空气汇集到热通道并上升至天花板，然后被吸回 CRAC 机组。这意味着服务器仅接收新鲜的冷空气，而 CRAC 机组接收热排气，从而增大了 CRAC 机组热交换器两侧的温差，提高了机组效率。
然而，这并非完美，因为冷热气流之间仍会发生部分混合。
●地板上的开口可能导致空气泄漏，使冷空气渗入热通道。
●地板格栅距离 CRAC 机组过近会导致冷空气直接循环回 CRAC 机组，与回风气流混合。
●服务器之间的缝隙会导致空气在机架内部循环，这可以通过安装盲板（Blanking Plates）轻松解决。
●如果供应的冷空气量超出需求，多余空气会流过设备并与排风混合。
●如果供应的冷空气量不足，热排风会被从服务器顶部或侧面吸入冷通道，与冷气流混合。
冷/热通道封闭系统
一个显著改进且当前在新旧数据中心都非常流行的设计是使用物理屏障来分隔两个气流。实现方式有几种，可以在服务器机架周围设置屏障来封闭热通道或冷通道。
(图片说明：数据中心冷通道封闭)
冷通道封闭（Cold Aisle Containment）是现有数据中心非常受欢迎的选择，因为它实施简单、成本低廉，投资回收期短。冷空气充满冷通道，热排风则充满房间其余部分，由 CRAC 机组吸入进行再处理。
(图片说明：数据中心热通道封闭)
另一种使用的封闭策略是热通道封闭（Hot Aisle Containment），这更适用于新建项目，因为其安装成本更高。在此策略中，冷空气充满房间，热排风被推入天花板内的另一个静压箱。CRAC 机组的回风口也通过风管接入天花板，吸入这些热空气进行再处理。热通道封闭提供更优的性能，并且在电力或冷却系统故障时，可提供轻微的冷却缓冲能力。
(图片说明：数据中心 CFD 仿真 - SimScale)
我们可以使用 CFD（计算流体动力学）快速便捷地比较不同服务器机房配置的性能。这些仿真由 SimScale提供的革命性云端 CFD 和 FEA 工程平台生成。您可以通过下方视频描述中的链接免费访问此软件，他们提供多种账户类型以满足不同用户需求。
CFD软件应用不仅限于数据中心设计，还用于 HVAC、建筑/工程/施工（AEC）、电子设计以及热力学和结构分析。在其网站上快速浏览，即可找到数千个涵盖赛车、热交换器、泵和阀门等各类设计模板，均可复制并用作您自己设计的起点。他们还提供免费的在线研讨会、课程和教程，帮助您构建和运行仿真。
(图片说明：冷热通道布局 CFD 数据中心)
在第一个（标准冷热通道）设计中，箭头指示流向，颜色表示流速。可以清晰地看到通道之间存在大量的气流再循环（我在方框中已标出）。
(图片说明：热通道封闭 CFD 数据中心)
在第二个（部分热通道封闭）设计中，可以看到第一个热通道气流状况非常好，没有发生再循环。然而，第二个通道末端出现了一些再循环，需要在此处安装盲板等措施。第三个热通道仍然存在显著的再循环，这是因为缺少隔墙来分隔冷热气流。
如果对设计进行热分析，我们可以比较两种设计，并展示不同高度上的温度分布结果。截面图从地板层开始，一直上升到机架顶部。
(图片说明：冷热通道 vs 热通道封闭 CFD 温度分布对比图 1)
(图片说明：冷热通道 vs 热通道封闭 CFD 温度分布对比图 2)
(图片说明：冷热通道 vs 热通道封闭 CFD 温度分布对比图 3)
通过对比，我们可以清楚地观察到：
●在较低层，第二个设计（热通道封闭）的冷通道温度远低于第一个设计（标准冷热通道）。
●随着高度上升，空气温度开始混合，但第二个设计仍能维持更低的温度（远低于 28°C 或 82°F），而第一个设计的温度已超过 29°C 或 84°F。标准推荐要求进风温度应在 (18-27°C 或 64 – 80°F) 范围内。
●在最高层，第一个设计的温度已处于较高范围（40°C 以上），而第二个设计（部分封闭）的最高温度仅为 30°C 或 86°F。
因此，在此案例中，第二个设计表现更佳。可以进一步使用云端 CFD 研究全热通道封闭或冷通道封闭等设计改进措施，以优化数据中心冷却效果，并同时优化服务器设备和冷却机组的能耗。
(图片说明：数据中心自然冷却示意图)
另一种日益流行的数据中心设计是采用自然冷却（Free Cooling）。这可以改造到某些现有设计中，但在 Facebook 和 Google 等新建的大型专用数据中心中尤其流行。自然冷却仅在全球某些环境条件合适的地区可行，它允许数据中心无需制冷机组即可冷却其服务器。室外空气通过百叶吸入建筑，经过深度过滤，并通过蒸发冷却器进行冷却和加湿，然后被送入数据大厅，通常采用热通道配置。热通道的排风口则连接到另一组风机，将热空气抽出并排放到大气中。
(图片说明：数据中心热交换器)
其他一些稍少见的冷却策略包括使用带热轮（Heat Wheels）或热交换器的风管系统。这些设备允许在不将室外新风引入建筑的情况下，将热能从一个气流传递到另一个气流。室外新风可能含有灰尘、湿气和盐分颗粒，会劣化服务器的电子电路。
CRAC 机组的冷却
为 CRAC 机组提供冷却，通常采用传统的冷水机组系统。根据地理位置，部分系统会关闭冷水机组，仅利用冷却塔的蒸发冷却能力进行正常运行，然后在冷却塔无法达到设定点时，将冷水机组作为备用。
部分 CRAC 机组自带小型独立制冷系统，该系统使用远程风冷冷凝器，或将热量排放到冷凝水系统中。如果使用冷凝水系统，通常会连接或内置自然冷却器（Free Cooler），这使得仅利用风扇（或最小化压缩机使用）即可移除热量。
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