熱管制冷背板系統(tǒng)在數(shù)據(jù)機(jī)房應(yīng)用的安全性研究

劉 清

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)山西分公司，山西 太原045000）

1 概 述

近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模進(jìn)入了快速增長(zhǎng)期，平均每年保持20%以上的增長(zhǎng)［1］?！霸朴?jì)算”、“云服務(wù)”的提出，更是進(jìn)一步提高了互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)中心的投資力度?！霸朴?jì)算”的提出，刀片服務(wù)器的使用，改變了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心模式，呈現(xiàn)虛擬化、共享化的特征。數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備向著小型化、高發(fā)熱密度方向發(fā)展，高密度的設(shè)備（例如刀片服務(wù)器）服務(wù)企業(yè)數(shù)據(jù)中心，在未來(lái)的年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到7.1%［2］。

“云”會(huì)替我們做存儲(chǔ)和計(jì)算的工作，刀片式服務(wù)器與虛擬化的結(jié)合正在迅速發(fā)展。而高功率密度機(jī)架服務(wù)器、刀片服務(wù)器等高熱密度設(shè)備的應(yīng)用，造成機(jī)房的單個(gè)機(jī)柜功耗不斷提高，單位面積熱量急劇上升，高發(fā)熱密度機(jī)房的散熱問(wèn)題日益突出。

高發(fā)熱密度機(jī)房最突出的問(wèn)題是局部熱點(diǎn)，目前解決高發(fā)熱密度機(jī)房局部熱點(diǎn)問(wèn)題常用的解決方案有列間空調(diào)、吊頂式空調(diào)、熱管制冷背板等。列間空調(diào)需要改變現(xiàn)有機(jī)柜布局，吊頂式空調(diào)易產(chǎn)生冷凝水。熱管制冷背板既不需要改變現(xiàn)有機(jī)柜的布局情況，也不會(huì)產(chǎn)生冷凝水，是解決局部熱點(diǎn)問(wèn)題的首選解決方案。本文將探討熱管制冷背板系統(tǒng)在數(shù)據(jù)機(jī)房中應(yīng)用的運(yùn)行安全性問(wèn)題。

2 方案介紹

該項(xiàng)目位于中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司的樞紐樓，機(jī)房現(xiàn)有全部空調(diào)均全負(fù)荷運(yùn)行，沒(méi)有冷量冗余。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定回風(fēng)溫度，IBM的P系列小型機(jī)出風(fēng)溫度明顯高于其他機(jī)組，且超出或接近IBM廠家規(guī)定的溫度，已達(dá)臨界。局部過(guò)熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，服務(wù)器甚至可能會(huì)出現(xiàn)宕機(jī)，這將會(huì)導(dǎo)致計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的嚴(yán)重事故。

針對(duì)上述問(wèn)題，該項(xiàng)目選取了機(jī)房中局部過(guò)熱較為嚴(yán)重的功率較大的機(jī)架使用熱管制冷背板冷卻系統(tǒng)，平均每個(gè)機(jī)架的發(fā)熱量在7 kW左右。熱管制冷背板系統(tǒng)流程圖如圖1所示，熱管制冷背板安裝位置如圖2所示（數(shù)字框）。

圖1 熱管制冷背板系統(tǒng)流程圖

圖2 熱管制冷背板安裝位置平面圖（數(shù)字框）

3 測(cè)試方案介紹

選取10＃機(jī)柜做代表性測(cè)試，模擬風(fēng)機(jī)故障時(shí)機(jī)柜溫度的變化。

使用“溫度自記儀”（如圖3所示）測(cè)量機(jī)柜內(nèi)不同位置的溫度，找出溫度最高點(diǎn)，即機(jī)柜內(nèi)散熱效果最惡劣的點(diǎn)或者是發(fā)熱量最大的點(diǎn)。將“溫度自記儀”測(cè)點(diǎn)布置在機(jī)柜內(nèi)溫度最高處。

先后模擬熱管背板上兩個(gè)風(fēng)機(jī)上開(kāi)下關(guān)、上關(guān)下開(kāi)、都關(guān)、重啟四種情況。機(jī)柜內(nèi)溫度最高點(diǎn)的溫度變化情況。

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)前，10＃機(jī)柜兩個(gè)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行下，測(cè)試各測(cè)點(diǎn)溫度如圖4所示，機(jī)柜內(nèi)溫度最高處位于機(jī)柜內(nèi)排風(fēng)機(jī)的風(fēng)口處，該處測(cè)點(diǎn)的溫度為44.8℃。

圖4 各測(cè)點(diǎn)溫度

根據(jù)測(cè)試的溫度分布情況，取機(jī)柜內(nèi)出風(fēng)溫度最高處的實(shí)時(shí)觀察測(cè)點(diǎn)，當(dāng)此測(cè)點(diǎn)溫度發(fā)生明顯上升時(shí)，表明機(jī)柜的冷卻效果變差。為保障實(shí)驗(yàn)過(guò)程中IT設(shè)備的運(yùn)行不受過(guò)多的影響，避免設(shè)備發(fā)生故障，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如果機(jī)柜內(nèi)測(cè)點(diǎn)的溫度達(dá)到48℃，則應(yīng)立即恢復(fù)熱管背板原有的運(yùn)行狀態(tài)，或者立即打開(kāi)機(jī)柜的柜門，恢復(fù)機(jī)柜的正常散熱狀態(tài)。

4.2 關(guān)閉熱管背板上的一個(gè)風(fēng)機(jī)

10＃機(jī)柜關(guān)閉一個(gè)背板風(fēng)機(jī)時(shí)機(jī)柜的出風(fēng)溫度測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 10＃機(jī)柜關(guān)閉一個(gè)風(fēng)機(jī)時(shí)機(jī)柜的出風(fēng)溫度

可見(jiàn)，當(dāng)僅有一個(gè)背板風(fēng)機(jī)故障時(shí)，機(jī)柜出風(fēng)溫度最高點(diǎn)的溫度僅上升0.6～0.7℃，對(duì)機(jī)房安全影響不大。

兩臺(tái)風(fēng)機(jī)其中任何一個(gè)發(fā)生故障停轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)機(jī)柜內(nèi)溫度的影響程度非常接近，說(shuō)明該熱管背板在設(shè)計(jì)時(shí)，兩個(gè)風(fēng)機(jī)是互相備份的冗余設(shè)計(jì)。

4.3 關(guān)閉熱管背板上的兩個(gè)風(fēng)機(jī)

同時(shí)關(guān)閉10＃機(jī)柜的兩個(gè)風(fēng)機(jī)，以測(cè)試當(dāng)熱管背板的電源被切斷時(shí)，機(jī)柜內(nèi)部溫度的變化情況。

當(dāng)熱管背板兩個(gè)風(fēng)機(jī)均關(guān)閉時(shí)，15 min后測(cè)點(diǎn)處的溫度上升到47.6℃，上升約2.2℃，為避免實(shí)驗(yàn)對(duì)IT設(shè)備的運(yùn)行帶來(lái)影響，此時(shí)迅速開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，測(cè)點(diǎn)處溫度先上升了約0.5℃，1 h后降低約2.0℃。

也就是說(shuō)，當(dāng)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)均故障無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)柜內(nèi)的溫度不會(huì)突然上升，但呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)，因此，運(yùn)維人員在接到熱管背板風(fēng)機(jī)的報(bào)警信號(hào)后，需要盡快到故障現(xiàn)場(chǎng)采取處理措施。

4.4 關(guān)閉所有機(jī)柜熱管背板系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)

進(jìn)一步將所有機(jī)柜背板的風(fēng)機(jī)關(guān)停，以檢驗(yàn)熱管系統(tǒng)配電柜電源被切斷的情況，觀察其它機(jī)柜出風(fēng)處最高溫度點(diǎn)的溫度變化，如圖5所示，隨著風(fēng)機(jī)關(guān)閉，機(jī)柜出風(fēng)溫度升高，不同機(jī)柜上升幅度不同，但均在18 min內(nèi)上升1～2℃。

圖5 關(guān)閉所有背板風(fēng)機(jī)時(shí)機(jī)柜出風(fēng)溫度變化（以8＃、12＃、13＃為例）

4.5 小結(jié)

通過(guò)以上測(cè)試，表明本項(xiàng)目的熱管背板系統(tǒng)具有較高的安全性：

（1）熱管背板的風(fēng)機(jī)采用了冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)其中一個(gè)風(fēng)機(jī)發(fā)生故障停轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)機(jī)柜的散熱效果影響很小，僅有0.6～0.7℃，可忽略不計(jì)。

（2）當(dāng)單個(gè)機(jī)柜上的熱管背板的風(fēng)機(jī)全部關(guān)停時(shí)（即單個(gè)熱管背板掉電時(shí)），機(jī)柜的溫度不會(huì)發(fā)生突變，在15 min后，機(jī)柜的最高溫度點(diǎn)的溫度會(huì)逐漸上升1～3℃。

熱管背板的風(fēng)機(jī)都關(guān)停后，機(jī)柜內(nèi)的熱空調(diào)需要在IT設(shè)備自帶風(fēng)機(jī)的推動(dòng)力下，穿越熱管背板，排放至機(jī)房的環(huán)境中，此時(shí)，熱管背板的風(fēng)阻越小，機(jī)柜內(nèi)的熱空氣越容易穿過(guò)熱管背板，機(jī)柜內(nèi)的溫度上升就越慢。

（3）當(dāng)整個(gè)熱管背板系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)全部關(guān)停時(shí)（即熱管背板系統(tǒng)掉電時(shí)），各機(jī)柜內(nèi)的溫度變化與單個(gè)機(jī)柜的熱管背板風(fēng)機(jī)關(guān)停時(shí)的變化情況相同，在18 min內(nèi)上升1～3℃。

5 結(jié) 論

本文以中國(guó)移動(dòng)某典型數(shù)據(jù)機(jī)房應(yīng)用項(xiàng)目為例，討論熱管制冷背板冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)機(jī)房應(yīng)用的安全性。

5.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)中分別模擬了：熱管背板上的一個(gè)風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)機(jī)柜柜內(nèi)散熱環(huán)境的影響；熱管背板的兩個(gè)風(fēng)機(jī)都停轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)機(jī)柜柜內(nèi)散熱環(huán)境的影響；熱管背板系統(tǒng)的所有風(fēng)機(jī)均停轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)機(jī)柜內(nèi)散熱環(huán)境的影響。結(jié)論如下：

（1）當(dāng)一個(gè)熱管背板僅有一個(gè)風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)（模擬“熱管背板的單個(gè)風(fēng)機(jī)發(fā)生故障”），其他風(fēng)機(jī)均正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)柜出風(fēng)溫度最高點(diǎn)的溫度僅上升0.6～0.7℃，對(duì)機(jī)柜柜內(nèi)的散熱環(huán)境影響較小。

（2）當(dāng)一個(gè)熱管背板上的所有風(fēng)機(jī)均停轉(zhuǎn)時(shí)（模擬“一個(gè)熱管背板的供電電源被切斷”），15 min后測(cè)點(diǎn)處的溫度上升約2.2℃。雖然在一個(gè)背板上的所有風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)柜內(nèi)溫度上升的趨勢(shì)較為緩慢，但為了保證IT設(shè)備的正常運(yùn)行，運(yùn)維人員需要在接到熱管背板系統(tǒng)的報(bào)警信號(hào)后，及時(shí)到故障現(xiàn)場(chǎng)處理。

（3）當(dāng)熱管背板系統(tǒng)的所有風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)（模擬“熱管背板系統(tǒng)配電單元的供電被切斷”），機(jī)柜內(nèi)溫度升高，在18 min內(nèi)上升1～3℃。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，本案例中的熱管背板系統(tǒng)的安全性能良好，是數(shù)據(jù)機(jī)房消除局部熱點(diǎn)的較好的解決方案。

5.2 熱管背板系統(tǒng)“安全性”的基本設(shè)計(jì)要求

數(shù)據(jù)機(jī)房對(duì)設(shè)備的安全性等級(jí)要求較高，每一項(xiàng)應(yīng)用于數(shù)據(jù)機(jī)房的技術(shù)都應(yīng)該經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的安全性檢驗(yàn)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為使熱管制冷背板系統(tǒng)在數(shù)據(jù)機(jī)房的應(yīng)用中具有良好的安全性，需要對(duì)熱管背板系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作如下要求：

（1）對(duì)于7 kW的熱管背板產(chǎn)品需要自帶風(fēng)機(jī)；

（2）熱管背板產(chǎn)品的風(fēng)機(jī)需要考慮冗余設(shè)計(jì)，至少為N＋1冗余，即其中1個(gè)風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，其他風(fēng)機(jī)的風(fēng)量必須能夠滿足機(jī)柜冷卻的循環(huán)風(fēng)量要求；

（3）熱管背板設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)阻應(yīng)該盡量減小，熱管背板的風(fēng)阻越小，在熱管背板風(fēng)機(jī)全部停轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)柜內(nèi)部的溫度上升趨勢(shì)越緩慢，熱管背板的安全性越高；

（4）熱管背板系統(tǒng)必須具備高溫報(bào)警、風(fēng)機(jī)故障報(bào)警功能，以便系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，運(yùn)維人員能夠及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理。

［1］全球數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)現(xiàn)狀與趨勢(shì)［EB／OL］.http：／／www.hyqb.sh.cn／tabid.

［2］中國(guó)數(shù)據(jù)中心建設(shè)市場(chǎng)保持穩(wěn)定增長(zhǎng)——能耗和IT資源管理成為用戶最關(guān)心的問(wèn)題［J］.辦公自動(dòng)化，2010，（11）：09.