已建成數(shù)據(jù)中心的溫控散熱痛點(diǎn)分析及改造策略

王柄森

（維諦技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000）

在我國“雙碳”目標(biāo)的制定和執(zhí)行過程中，迫切需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)。由于受到時(shí)代發(fā)展及技術(shù)條件的限制，前期建設(shè)的數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)了一些問題，如：設(shè)計(jì)不夠科學(xué)，空調(diào)不能完全發(fā)揮其制冷效能。同時(shí)，由于設(shè)備容量的增大，能耗的增加，導(dǎo)致了空調(diào)機(jī)的功耗降低，從而使室內(nèi)的熱環(huán)境更加惡劣。

數(shù)據(jù)中心是一種新型基礎(chǔ)設(shè)施，具有容量大、密度高、應(yīng)用多、能耗高等特點(diǎn)，已成為支撐現(xiàn)代社會信息化的重要基礎(chǔ)設(shè)施。隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心在運(yùn)行中存在許多問題，其中最突出的是溫升問題。一方面，機(jī)房設(shè)備運(yùn)行時(shí)發(fā)熱量較大，若散熱方式不合理，會造成服務(wù)器芯片的散熱性能降低或故障；另一方面，數(shù)據(jù)中心機(jī)房往往遠(yuǎn)離城區(qū)或工業(yè)園區(qū)等地區(qū)，而這些地區(qū)普遍存在電價(jià)高、用電量大等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)中心在運(yùn)行時(shí)必須將熱量及時(shí)排出機(jī)房外，因此數(shù)據(jù)中心需要合理控制機(jī)房溫度。[1]

1 現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心存在的問題

我國數(shù)據(jù)中心的建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，但由于缺乏有效的運(yùn)行管理手段，數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)了諸多問題。例如，服務(wù)器、交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等設(shè)備散熱不到位，導(dǎo)致機(jī)房溫度過高；空調(diào)制冷系統(tǒng)效率低下，不能有效控制機(jī)房溫度；供電及照明系統(tǒng)不能滿足現(xiàn)有的供電要求等。其中，機(jī)柜內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量是最主要的問題之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，IDC 機(jī)房設(shè)備正常工作時(shí)的平均溫升在10℃以上。目前，我國數(shù)據(jù)中心通常采用傳統(tǒng)風(fēng)冷式制冷系統(tǒng)。但傳統(tǒng)風(fēng)冷式制冷系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行方面存在很多問題：（1）風(fēng)冷系統(tǒng)在機(jī)房內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)均勻散熱；（2）由于風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮不周到，使得空調(diào)氣流組織不合理，導(dǎo)致空調(diào)氣流組織不能滿足機(jī)房設(shè)備的散熱要求；（3）風(fēng)冷系統(tǒng)在機(jī)房內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)高效冷卻。隨著IDC 建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和運(yùn)營時(shí)間的增加，傳統(tǒng)風(fēng)冷式制冷系統(tǒng)面臨著能耗高、維護(hù)困難、壽命短等諸多問題。為此，需對傳統(tǒng)風(fēng)冷式制冷系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。[2]

2 現(xiàn)有機(jī)房散熱問題成因

2.1 氣流短路

在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室初期的建筑設(shè)計(jì)中，沒有考慮到通風(fēng)通道的設(shè)計(jì)，很容易造成計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的“氣流短路”現(xiàn)象。氣流短路是指從空調(diào)出風(fēng)口送出的冷空氣流沒有加熱設(shè)備而直接抵達(dá)空調(diào)進(jìn)風(fēng)口的現(xiàn)象，可出現(xiàn)在采用上送風(fēng)或下送風(fēng)的機(jī)房中。造成這一現(xiàn)象的主要原因是沒有明確空調(diào)系統(tǒng)中的空調(diào)系統(tǒng)，或者沒有對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行有效的封閉。空氣中的空氣短流對計(jì)算機(jī)機(jī)房的空氣質(zhì)量有很大影響，是導(dǎo)致計(jì)算機(jī)機(jī)房空氣質(zhì)量下降的主要原因之一。[3]

2.2 機(jī)房布局不合理

在一些位于辦公樓內(nèi)部的計(jì)算機(jī)中，它的用房是由一個(gè)普通的房間經(jīng)過改造而來的，由于受大廈的結(jié)構(gòu)和空間的制約，大部分的空調(diào)系統(tǒng)都被設(shè)置在了計(jì)算機(jī)內(nèi)部的邊緣區(qū)域，這樣就會產(chǎn)生了一些問題，比如：送風(fēng)距離太長，空氣流動(dòng)的速度很快，空氣流動(dòng)的速度也很快。除此之外，為了保證設(shè)備布置的規(guī)整和一致性，在常規(guī)機(jī)房的布置設(shè)計(jì)中，機(jī)柜多數(shù)都是順向布置，也就是朝向相同。當(dāng)冷空氣進(jìn)入到機(jī)柜內(nèi)進(jìn)行換熱之后，所產(chǎn)生的高溫氣流，大部分都會被機(jī)柜內(nèi)的散熱風(fēng)扇從機(jī)柜后方排出。所以，從上游機(jī)柜排出的一些高溫氣流，必然會被下游機(jī)柜吸收，從而造成下游機(jī)柜進(jìn)風(fēng)的溫度上升，降低了制冷效果，從而加大了設(shè)備的工作負(fù)荷與室內(nèi)溫度場的不均勻度。

3 改造原則

數(shù)據(jù)中心設(shè)備發(fā)熱量主要有兩部分，一部分是服務(wù)器芯片本身的發(fā)熱，另一部分是機(jī)房散熱設(shè)備散發(fā)的熱量。若要有效控制機(jī)房溫度，需要從這兩個(gè)方面入手。對于服務(wù)器芯片本身的發(fā)熱，需要通過降低服務(wù)器功耗來解決；對于機(jī)房散熱設(shè)備散發(fā)的熱量，則可以通過合理設(shè)計(jì)散熱設(shè)備的功率密度來解決。在實(shí)際改造過程中，需要遵循以下原則和思路：（1）優(yōu)先采用自然冷源，減少機(jī)房空調(diào)制冷系統(tǒng)的能耗；（2）根據(jù)數(shù)據(jù)中心不同區(qū)域的溫度要求，合理選擇制冷設(shè)備的功率密度；（3）對于熱源端的機(jī)房環(huán)境溫度要求較高時(shí)，可采用風(fēng)冷方式制冷；對于熱源端的機(jī)房環(huán)境溫度要求較低時(shí)，可采用冷媒水直冷方式制冷；通過上述原則和思路進(jìn)行改造后，數(shù)據(jù)中心機(jī)房溫度可以得到有效控制。改造后可以實(shí)現(xiàn)以下效果：（1）實(shí)現(xiàn)自然冷源的高效利用；（2）服務(wù)器功耗大幅降低；（3）服務(wù)器端散熱設(shè)備的功率密度得到提升。

4 改造策略

4.1 優(yōu)化機(jī)房布局

計(jì)算機(jī)機(jī)房的布置方法，例如：機(jī)柜的朝向和放置方向，以及空調(diào)機(jī)的位置選擇，都會對室內(nèi)的空氣分布產(chǎn)生直接的影響。研究和分析計(jì)算機(jī)室內(nèi)的流場形態(tài)和熱點(diǎn)分布，并與各種動(dòng)力裝置的散熱功率要求相結(jié)合，合理地調(diào)整裝置的布置，可以在不增加制冷能耗的情況下，有效地減少制冷空氣的流阻，從而提升溫度控制的效率。這種調(diào)節(jié)方式簡單、無需任何附加條件，但是調(diào)節(jié)結(jié)果很難預(yù)料，往往要通過計(jì)算機(jī)仿真來評價(jià)。在按照之前所描述的順序進(jìn)行的時(shí)候，如果是按照順方向進(jìn)行布置的話，那么，從上游設(shè)備排出的高溫氣流在與冷卻氣流發(fā)生相互融合之后，就會流入下游設(shè)備之中，從而造成下游設(shè)備來風(fēng)的溫度上升，這會不利于設(shè)備的穩(wěn)定工作。所以，將相鄰的兩排機(jī)柜調(diào)節(jié)為相對布置，會對形成分開的冷熱通道產(chǎn)生影響，就像在圖1 中看到的那樣，這樣就可以有效地防止冷熱氣流的摻混，從而對設(shè)備的冷卻產(chǎn)生有利影響，還可以減少空調(diào)的能耗水平。另外，依據(jù)裝置的能耗等級，將高能耗的裝置設(shè)置在離出風(fēng)口較近的位置，實(shí)現(xiàn)了對空調(diào)系統(tǒng)的階梯式使用，這對于改善局部的過熱和提高房間的溫度均勻性也是有益的。[4]

圖1 冷熱通道分離

4.2 提高自然冷源高效利用率

自然冷源是機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的最大能耗源之一，在當(dāng)前氣候條件下，大多數(shù)數(shù)據(jù)中心都存在著自然冷源不足的問題。根據(jù)大量數(shù)據(jù)中心調(diào)研結(jié)果顯示，有接近一半的數(shù)據(jù)中心存在著自然冷源不足的問題。在實(shí)際改造過程中，可以采用以下思路來提高自然冷源的利用率：（1）充分利用機(jī)房周邊的自然環(huán)境條件，如地下車庫、屋頂綠化等。通過增加自然冷源的方式來提高機(jī)房制冷需求。根據(jù)筆者調(diào)研結(jié)果顯示，采用自然冷源的數(shù)據(jù)中心機(jī)房PUE 值均在1.3 以下。（2）充分利用自然冷源豐富的空間。部分?jǐn)?shù)據(jù)中心機(jī)房空間利用率較低，如有空間位置較高且具有自然冷卻條件的機(jī)房區(qū)域，可優(yōu)先利用該區(qū)域作為自然冷源。（3）充分利用機(jī)房周邊現(xiàn)有設(shè)施。對于已建成機(jī)房周邊環(huán)境有條件建設(shè)制冷系統(tǒng)的情況下，可以通過對現(xiàn)有制冷系統(tǒng)進(jìn)行改造，以達(dá)到提高自然冷源利用率的目的。[5]

4.3 服務(wù)器端散熱設(shè)備的功率密度得到提升

從服務(wù)器芯片本身發(fā)熱的角度出發(fā)，要降低服務(wù)器芯片的功耗，主要有兩種途徑：一是在設(shè)計(jì)階段選擇高效率的芯片；二是在芯片運(yùn)行期間通過降低功耗來提高芯片運(yùn)行效率。但這兩種方法都需要較大的資金投入。而通過合理設(shè)計(jì)服務(wù)器端散熱設(shè)備的功率密度，可以有效降低服務(wù)器芯片的功耗，從而有效控制機(jī)房溫度。如上所述，在已建成數(shù)據(jù)中心機(jī)房中，服務(wù)器端散熱設(shè)備功率密度過高的現(xiàn)象普遍存在。由于這些散熱設(shè)備沒有合理設(shè)計(jì)功率密度，從而導(dǎo)致機(jī)房溫度無法得到有效控制。若要解決這一問題，需要從以下兩個(gè)方面入手：一是要提高散熱設(shè)備的功率密度；二是要合理控制散熱設(shè)備功率密度。若要提高散熱設(shè)備的功率密度，可以通過以下兩種途徑實(shí)現(xiàn)：一是在設(shè)計(jì)階段選擇高效率的芯片；二是通過降低散熱設(shè)備功率密度來實(shí)現(xiàn)。通過降低散熱設(shè)備功率密度的方法可以有效降低服務(wù)器功耗，從而為服務(wù)器端散熱設(shè)備減輕了負(fù)擔(dān)。

4.4 提高機(jī)房溫度控制精度

1.對機(jī)房溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。由于數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量較大，機(jī)房溫度控制系統(tǒng)主要包括冷源側(cè)的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)和散熱設(shè)備側(cè)的空氣冷卻系統(tǒng)。由于數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)的設(shè)備發(fā)熱量較大，因此在冷源側(cè)，需要對蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其能夠更好地控制機(jī)房環(huán)境溫度。對于蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，需要將其與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行整合。由于蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)在機(jī)房中的應(yīng)用較為廣泛，因此本文不再對其進(jìn)行單獨(dú)介紹。在散熱設(shè)備側(cè)，需要對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其能夠更好地控制散熱設(shè)備的散熱量。目前市場上的風(fēng)冷散熱設(shè)備主要包括以下幾種：一是水冷式散熱設(shè)備；二是風(fēng)冷干式散熱設(shè)備；三是冷媒水直冷散熱設(shè)備。

2.對數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷系統(tǒng)進(jìn)行改造。數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷系統(tǒng)主要由制冷主機(jī)、空調(diào)末端和空調(diào)輔助設(shè)備等組成。在數(shù)據(jù)中心制冷主機(jī)和空調(diào)末端的改造中，可以采用風(fēng)冷方式制冷或冷媒水直冷方式制冷。對于風(fēng)冷干式空調(diào)末端，由于其不需要進(jìn)行任何改造，因此可以采用風(fēng)冷式末端。對于風(fēng)冷干式空調(diào)輔助設(shè)備，由于其主要安裝在空調(diào)機(jī)房的角落位置，因此可以采用風(fēng)冷式輔助設(shè)備。通過對機(jī)房環(huán)境溫度進(jìn)行優(yōu)化控制，可以使機(jī)房環(huán)境溫度更好地控制在機(jī)房環(huán)境要求范圍內(nèi)。本文以某數(shù)據(jù)中心為例，對其進(jìn)行分析。在該數(shù)據(jù)中心中，服務(wù)器集中安裝在機(jī)柜中，每個(gè)機(jī)柜內(nèi)安裝有多臺服務(wù)器。由于每個(gè)機(jī)柜內(nèi)的服務(wù)器數(shù)量較多，因此需要對其進(jìn)行整體散熱改造。改造過程中，可以將機(jī)房中的所有服務(wù)器部署在同一個(gè)機(jī)柜內(nèi)。在該數(shù)據(jù)中心中，每個(gè)機(jī)柜內(nèi)的服務(wù)器數(shù)量大約為100臺左右，因此可以采用風(fēng)冷方式對每個(gè)機(jī)柜進(jìn)行散熱改造。

3.采用全新風(fēng)換氣系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)。全新風(fēng)換氣系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）全新風(fēng)換氣系統(tǒng)能夠引入室外新鮮空氣進(jìn)行室內(nèi)空氣置換；（2）全新風(fēng)換氣系統(tǒng)的氣流組織方式更合理，氣流組織更加流暢；（3）全新風(fēng)換氣系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自然冷卻與強(qiáng)制通風(fēng)的有效結(jié)合；（4）全新風(fēng)換氣系統(tǒng)能夠?yàn)闄C(jī)房提供更好的熱濕環(huán)境；（5）全新風(fēng)換氣系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗菌能力；（6）全新風(fēng)換氣系統(tǒng)對機(jī)房內(nèi)設(shè)備運(yùn)行的影響較小。

5 結(jié)語

本文分析了數(shù)據(jù)中心的溫升問題，指出了數(shù)據(jù)中心溫控散熱的痛點(diǎn)，并提出了相應(yīng)的解決方案。此外，還可以結(jié)合數(shù)據(jù)中心的實(shí)際情況選擇合適的改造方法和技術(shù)路線。在此背景下，研究數(shù)據(jù)中心溫控散熱問題具有十分重要的意義。本文分析了已建成數(shù)據(jù)中心溫控散熱的痛點(diǎn)及解決方案，可為新建數(shù)據(jù)中心提供參考；對于已建成數(shù)據(jù)中心，可通過對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造來減少溫升，從而提升數(shù)據(jù)中心整體性能。