冷通道隔離在改善數(shù)據(jù)中心機(jī)房局部熱點(diǎn)中的應(yīng)用研究

葉寧

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的功耗也是與日俱增。調(diào)查顯示，空調(diào)系統(tǒng)的用電量已占到機(jī)房電量總支出的一半以上，可見(jiàn)機(jī)房空調(diào)及其送風(fēng)系統(tǒng)的研究?jī)?yōu)化已迫在眉睫。本文結(jié)合過(guò)往經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于冷通道隔離在改善數(shù)據(jù)中心機(jī)房局部熱點(diǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行研究和分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：冷通道;機(jī)房溫度;研究分析

中圖分類號(hào)：TU831 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）18-0066-02

因?yàn)閕t設(shè)備的特殊性，因此維持?jǐn)?shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)的溫度十分重要，雖然近年來(lái)在不斷研究數(shù)據(jù)中心機(jī)房的降溫措施，但局部熱點(diǎn)的問(wèn)題仍然存在，若長(zhǎng)久得不到解決勢(shì)必會(huì)造成安全隱患。機(jī)房安全可靠所要達(dá)到的目標(biāo)是將機(jī)房因局部熱點(diǎn)而導(dǎo)致的設(shè)備損壞率降低至零故障率。高效節(jié)能是在取得安全可靠目標(biāo)的同時(shí)，使制冷系統(tǒng)更佳高效運(yùn)行，能耗成本降低，降低PUE指標(biāo)。很多數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)局部區(qū)域設(shè)備安裝量已突破了原設(shè)計(jì)水平，機(jī)房?jī)?nèi)局部區(qū)域熱點(diǎn)與冷點(diǎn)頻現(xiàn)，熱點(diǎn)多造成機(jī)房存在較大的安全隱患，冷點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致高耗能，尤其在夏季高溫環(huán)境條件下，機(jī)房運(yùn)行狀況面臨著極大的考驗(yàn)。文章以上海某中心機(jī)房為例，經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)查后使用cfd 6sigma軟件參照該機(jī)房進(jìn)行三維數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建，通過(guò)該數(shù)據(jù)模型模擬出機(jī)房?jī)?nèi)溫度及氣流的分布情況，并找出溫度較高的區(qū)域。將模擬出的結(jié)果與實(shí)地調(diào)查的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)并無(wú)較大差別。然后在該三維數(shù)據(jù)模型上進(jìn)行機(jī)房?jī)?nèi)部的冷熱通道隔離模擬，研究冷熱通道隔離對(duì)于改善數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)部熱點(diǎn)以及功耗的問(wèn)題，并將研究結(jié)果付諸行動(dòng)。

1 溫度對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的影響

機(jī)房的作用在于安裝和保護(hù)it設(shè)備。it設(shè)備是由半導(dǎo)體組件、各種元器件和晶體管組成，其本身非常脆弱，對(duì)于溫度的變化也非常敏感，溫度過(guò)高或過(guò)低都有可能對(duì)設(shè)備中的零件造成損壞，因此一定要保證it設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的穩(wěn)定。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)控制數(shù)據(jù)中心機(jī)房溫度的手段來(lái)看，空氣調(diào)節(jié)是最常用的一種，為了保證機(jī)房里的設(shè)備正常運(yùn)行，對(duì)于溫度的要求是有明確規(guī)定的。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按照機(jī)房功能性的不同都有對(duì)應(yīng)的級(jí)別，從高到低按照a、b、c排列，在機(jī)房系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，a級(jí)機(jī)房23±1℃，b級(jí)機(jī)房23±1℃，c級(jí)18-28℃。

溫度是保障機(jī)器能夠穩(wěn)定運(yùn)行的基本條件之一，溫度過(guò)高或過(guò)低對(duì)于it設(shè)備性能影響非常大，比如電腦主機(jī)的硬盤(pán)，溫度一旦超過(guò)60℃會(huì)導(dǎo)致電腦不斷藍(lán)屏死機(jī)，cpu等其它零件同樣如此，由此可見(jiàn)一定要確保it設(shè)備的運(yùn)行溫度。當(dāng)數(shù)據(jù)及房中的溫度超過(guò)規(guī)定范圍10℃左右時(shí)，會(huì)使設(shè)備的性能下降至原來(lái)的四分之三左右，隨時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)癱瘓，造成不必要的損失。因此將環(huán)境溫度保持在一定范圍內(nèi)就顯得很重要。夏季時(shí)應(yīng)將溫度控制在規(guī)定范圍的偏上限，冬季反之即可[1]。

2 冷通道隔離在改善數(shù)據(jù)中心機(jī)房局部熱點(diǎn)中的應(yīng)用研究

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的數(shù)量也是直線上升，在實(shí)際使用中根據(jù)機(jī)房功率的不同可以將機(jī)房分為大、中、小三類。其中中小型數(shù)據(jù)機(jī)房的數(shù)量最多，達(dá)到80%以上，但大多數(shù)因成本及空間限制，其設(shè)計(jì)方式仍然比較傳統(tǒng)，與大型數(shù)據(jù)機(jī)房相比在綠色節(jié)能方面略顯不足，因此，以中小型數(shù)據(jù)機(jī)房作為研究對(duì)象，對(duì)綠色節(jié)能方面進(jìn)行優(yōu)化和改善，更能突出問(wèn)題的重點(diǎn)，也方便針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析和研究。

2.1 項(xiàng)目概況

該數(shù)據(jù)中心機(jī)房級(jí)別為中小型，長(zhǎng)寬高分別為17m、14.2m、3.44m，面積約240m2，使用cfd 6sigma軟件根據(jù)該數(shù)據(jù)中心的實(shí)際情況構(gòu)建機(jī)房對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，機(jī)房?jī)?nèi)部主要由空調(diào)、機(jī)柜高架地板、配電柜、服務(wù)器等幾個(gè)部分組成，根據(jù)模型顯示，機(jī)房中配有5臺(tái)p2070機(jī)型的精密空調(diào)為機(jī)房提供制冷，該類型的精密空調(diào)是當(dāng)前數(shù)據(jù)中心機(jī)房制冷的主流空調(diào)之一。

空調(diào)的送風(fēng)方式仍然比較傳統(tǒng)，采用的是下送風(fēng)上回風(fēng)的方式。機(jī)房?jī)?nèi)有84臺(tái)機(jī)柜，每?jī)膳_(tái)機(jī)柜為一組，采取背對(duì)背的形式進(jìn)行排列，7組為一列，共6列，這種排列方式也是國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心機(jī)房常見(jiàn)的機(jī)柜排列方式。根據(jù)這種排列形式形成的冷熱通道，能夠有效控制數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)的冷熱氣流混合程度，避免對(duì)制冷效果造成影響。機(jī)房?jī)?nèi)的所有機(jī)柜同時(shí)運(yùn)行的平均功率約為3.4kw，也是比較常見(jiàn)的一個(gè)功率配置。

2.2 室內(nèi)負(fù)荷和配置

根據(jù)該數(shù)據(jù)中心機(jī)房的配置，可以計(jì)算出室內(nèi)的總負(fù)荷。計(jì)算方式如下：

該中小型數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)有84臺(tái)機(jī)柜，每臺(tái)機(jī)柜按平均3.4kw額定功率計(jì)算，則IT設(shè)備總負(fù)荷為84*3.4=286kw，根據(jù)同時(shí)使用系數(shù)、利用系數(shù)以及負(fù)荷工作均勻系數(shù)這三者功耗轉(zhuǎn)化為熱能的計(jì)算方式，取值0.8，則it設(shè)備的總負(fù)荷為286*0.8=229kw。機(jī)房?jī)?nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和照明熱負(fù)荷根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際估算按每平米120w計(jì)，則機(jī)房環(huán)境熱負(fù)荷240*0.12=29kw。（關(guān)于環(huán)境負(fù)荷：數(shù)據(jù)中心機(jī)房一般是沒(méi)有窗戶的，即使有窗戶也是雙面玻璃并且無(wú)法打開(kāi)的“死窗戶”，太陽(yáng)照射對(duì)機(jī)房的溫度影響幾乎可以忽略不計(jì)。也可按下述公式計(jì)算：建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的總負(fù)荷=維護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)*維護(hù)結(jié)構(gòu)面積*機(jī)房?jī)?nèi)溫度與機(jī)房外溫度平均差值）。

通過(guò)對(duì)室內(nèi)負(fù)荷和環(huán)境負(fù)荷兩部分?jǐn)?shù)值的計(jì)算，可以得到機(jī)房所需要的總冷負(fù)荷為229+29=258kw[2]。按8+1冗余方式，即精密空調(diào)臺(tái)數(shù)≦8臺(tái)，按1臺(tái)冗余，機(jī)房配置精密空調(diào)p2070機(jī)組共5臺(tái)，4用1備，單臺(tái)冷量66.9kw。

2.3 數(shù)據(jù)中心機(jī)房局部熱點(diǎn)模擬

6sigmadc軟件是專門用來(lái)模擬數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)氣流的，在設(shè)備的熱負(fù)載模擬方面，數(shù)據(jù)都來(lái)自于機(jī)房實(shí)測(cè)，因此結(jié)果的是準(zhǔn)確可靠的。使用使用cfd 6sigma軟件進(jìn)行三維數(shù)據(jù)模型的建立，根據(jù)機(jī)房實(shí)際情況布置好各項(xiàng)設(shè)備，力求最大程度還原機(jī)房實(shí)景。三維數(shù)據(jù)模型建立成功后，利用軟件自帶的求解器根據(jù)機(jī)房情況進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的求解。根據(jù)求解結(jié)果顯示，模型模擬出機(jī)房?jī)?nèi)5臺(tái)空調(diào)的送風(fēng)溫度和回風(fēng)溫度分別位于13-15℃以及21-24℃之間，與實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)照后發(fā)現(xiàn)誤差控制在6%以內(nèi)，屬于可接受范圍，接近機(jī)房實(shí)際工作中的溫度。由于機(jī)房?jī)?nèi)部it設(shè)備的分布問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致不同地方的溫度會(huì)有差別。根據(jù)建模結(jié)果顯示，不同高度的氣流形式與流向不同，溫度分布也不均勻，給散熱帶來(lái)了一定的困難。超過(guò)24℃的區(qū)域主要集中在機(jī)房熱通道當(dāng)中，熱空氣并未進(jìn)行擴(kuò)散。冷通道中的溫度分布較為均勻，主要集中在13℃左右，整體上來(lái)看散熱情況還可以接受。

溫度場(chǎng)的分布情況會(huì)隨著高度的改變而改變，在1.9m左右的空氣中熱氣流開(kāi)始擴(kuò)散，并向機(jī)房底部遠(yuǎn)離空調(diào)的一側(cè)延伸，對(duì)該區(qū)域內(nèi)的冷氣流進(jìn)行同化，導(dǎo)致溫度較高的區(qū)域不斷擴(kuò)大。在機(jī)柜中it設(shè)備并未放滿的區(qū)域，因?yàn)闄C(jī)柜頂部還有散熱空間，因此溫度不像it設(shè)備密集區(qū)那樣高。根據(jù)出風(fēng)溫度的增加以及熱點(diǎn)出現(xiàn)的位置可判斷出兩側(cè)冷通道中氣流的變化，即隨著高度與柜內(nèi)的冷量成反比，高度越高，冷量越少，因此在冷熱空氣的交界處柜機(jī)的散熱會(huì)受到影響。部分服務(wù)器機(jī)柜的功率比較高，因此對(duì)冷風(fēng)的需求也就更多。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)模型中溫度場(chǎng)的分析發(fā)現(xiàn)主要存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題，首先，負(fù)荷較大的機(jī)柜分布不合理，影響機(jī)柜散熱;其次，冷熱通道中的氣流會(huì)混合，產(chǎn)生局部熱點(diǎn);最后，空調(diào)的分布位置也不妥當(dāng)，不利于氣流循環(huán)[3]。

3 冷通道隔離在改善數(shù)據(jù)中心機(jī)房局部熱點(diǎn)中的應(yīng)用

機(jī)房?jī)?nèi)氣流遏制系統(tǒng)的是根據(jù)冷熱空氣分離后會(huì)有序流動(dòng)的原理進(jìn)行工作的。冷熱通道隔離后冷空氣經(jīng)冷通道進(jìn)入房間，需要降溫的設(shè)備將冷空氣吸入，冷空氣在設(shè)備內(nèi)流轉(zhuǎn)進(jìn)行降溫，然后通過(guò)設(shè)備后端的專用連接管流至熱通道，返回到空調(diào)回風(fēng)口。熱回風(fēng)與冷量完全隔離。封閉冷通道可最大程度地利用空調(diào)送出的冷量和風(fēng)量，提高內(nèi)部的冷氣利用率，能夠有效降低房間內(nèi)的溫度并防止熱點(diǎn)出現(xiàn)，達(dá)到降耗節(jié)能的目的。

3.1 機(jī)房冷熱通道隔離前后的對(duì)比

冷熱氣流混合和空調(diào)位置安放不合理會(huì)導(dǎo)致機(jī)房?jī)?nèi)部出現(xiàn)溫度分布不均勻以及局部熱點(diǎn)的現(xiàn)象。因此需要把機(jī)房?jī)?nèi)的冷熱通道進(jìn)行隔離，合理安排精密空調(diào)在機(jī)房?jī)?nèi)的布局和服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)發(fā)熱設(shè)備的布局，保證冷通道內(nèi)的冷氣流不會(huì)受到熱氣流以及其它因素的干擾，提高空調(diào)的制冷效率。

冷通道與熱通道隔離的方法可以將空調(diào)送出的冷風(fēng)最大作用于it設(shè)備降溫，將制冷效率發(fā)揮到最大。因?yàn)橥ǖ赖母綦x材料通常使用的是透明玻璃或者透光性較好的pc板，這樣就保證了冷熱通道隔離后通道內(nèi)的亮度，符合相關(guān)規(guī)定。冷熱通道隔離后可以提高空調(diào)的送風(fēng)溫度，根據(jù)模型顯示通道隔離前后溫度變化較大。在冷熱通道隔離后，冷熱氣流的混合導(dǎo)致溫度升高的問(wèn)題明顯得到改善，嘗試將空調(diào)的送風(fēng)溫度從13℃調(diào)到14℃，依然能夠控制機(jī)房?jī)?nèi)的溫度，并且局部熱點(diǎn)問(wèn)題也得到了相應(yīng)的緩解。同時(shí)熱氣流的溫度也比隔離前更低，說(shuō)明空調(diào)的制冷效果已充分應(yīng)用于it設(shè)備的降溫，不再受到冷熱氣流混合的干擾。冷熱通道隔離后冷空氣不會(huì)擴(kuò)散到其它地方，導(dǎo)致機(jī)房?jī)?nèi)部的整體溫度從隔離前的21.3℃增加至23.7℃，雖然溫度有所上升，但仍在機(jī)房運(yùn)行環(huán)境規(guī)定之內(nèi)，不會(huì)對(duì)機(jī)房的正常運(yùn)行造成影響。

3.2 數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)氣流組織分布優(yōu)化仿真對(duì)比

在對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的氣流組織分布進(jìn)行優(yōu)化后，從模型中可以明確觀察到機(jī)房左側(cè)的氣流有了一定的加強(qiáng)，使氣流整體的穩(wěn)定性得到提升，不會(huì)再受到冷熱氣流混合的影響。冷熱通道隔離后機(jī)柜內(nèi)的降溫效果明顯，熱氣流溫度也得到了降低，達(dá)到了改進(jìn)的目的。在熱氣流合并的基礎(chǔ)上可以發(fā)現(xiàn)氣流組織得到了明顯的優(yōu)化，優(yōu)化前機(jī)房?jī)?nèi)氣流流向毫無(wú)規(guī)律，尤其在空調(diào)附近更加明顯，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的冷氣并未參與制冷，冷空氣因氣流流向影響直接流到了回風(fēng)口，導(dǎo)致回風(fēng)溫度降低，影響到空調(diào)的制冷效率;優(yōu)化后氣流流向比較穩(wěn)定，分布也比較均勻，避免了冷量的浪費(fèi)，提高了冷風(fēng)的利用率[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

文章以國(guó)內(nèi)數(shù)量最多的中小型數(shù)據(jù)中心機(jī)房為研究對(duì)象，使用cfd 6sigma軟件構(gòu)建三維數(shù)據(jù)模型，通過(guò)模型對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)部的氣流組織與溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，找出機(jī)房?jī)?nèi)部存在的問(wèn)題。再通過(guò)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行模擬調(diào)整，改善機(jī)房?jī)?nèi)局部熱點(diǎn)的問(wèn)題，模擬結(jié)果表明冷熱通道隔離前后機(jī)房?jī)?nèi)部熱點(diǎn)變化較為明顯，因此，冷熱通道隔離技術(shù)值得推廣和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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