包 仁 標

(中郵建技術(shù)有限公司 南京分公司, 江蘇 南京 210012)

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

包 仁 標

(中郵建技術(shù)有限公司 南京分公司, 江蘇 南京 210012)

介紹了數(shù)據(jù)中心機房對溫度的要求,結(jié)合某中型數(shù)據(jù)中心機房實例,應(yīng)用CFD 6Sigma軟件構(gòu)建機房對應(yīng)的三維模型,模擬出機房內(nèi)部的氣流組織和溫度場情況,尋找機房中的局部熱點。對冷通道隔離前后機房內(nèi)的氣流組織和溫度場進行了對比分析,發(fā)現(xiàn)局部熱點有了明顯的改善,說明冷通道隔離技術(shù)對于改善機房局部熱點具有一定的效果。

數(shù)據(jù)中心機房; 冷通道隔離; 局部熱點; 氣流組織; 溫度場

0 引 言

由于IT設(shè)備的特殊性,維持機房內(nèi)設(shè)備高效運轉(zhuǎn)所需的環(huán)境顯得異常重要,尤其是溫度環(huán)境,但是局部熱點問題依然存在,長此以往必然成為機房宕機的隱患[1]。因此,在對機房運行環(huán)境進行深入研究后,選取具有代表性的某中型數(shù)據(jù)中心機房作為研究對象,應(yīng)用CFD 6Sigma軟件按照實際的設(shè)計建造情況構(gòu)建機房對應(yīng)的三維模型,通過軟件仿真模擬出機房內(nèi)部的氣流組織與溫度場情況,找出機房中的局部熱點,再將模擬的溫度值與實測的溫度值進行比較,證明模擬的準確性。然后在原有模型基礎(chǔ)上增加冷通道封閉技術(shù)措施,保持之前模擬條件設(shè)置不變,再對增加冷通道隔離后機房內(nèi)的氣流組織與溫度場進行模擬,將兩者進行對比分析,說明冷通道隔離對改善機房局部熱點的效果。

1 數(shù)據(jù)中心機房對溫度的要求

機房中包含數(shù)據(jù)中心的各個子系統(tǒng),其核心作用在于安裝和保護機柜中的IT設(shè)備。IT設(shè)備由半導體組件、各種特殊材料和工藝制作的器件組成,因而對運行的物理環(huán)境有非常嚴格的要求。

在數(shù)據(jù)機房中,空氣調(diào)節(jié)是最重要的環(huán)節(jié)之一,對空氣進行調(diào)節(jié),從而使環(huán)境達到一定的標準。同時為了保障IT設(shè)備能夠正常運轉(zhuǎn),對機房內(nèi)部溫度也作出了相關(guān)要求[2],如表1、表2所示。

表1 開機時機房內(nèi)溫度要求

參數(shù)A級夏季冬季B級C級溫度/℃22±220±215～3010～35溫度變化率/(℃·h-1)<5不結(jié)露<5不結(jié)露<10不結(jié)露<15不結(jié)露

數(shù)據(jù)中心機房設(shè)計規(guī)范按照機房的使用性質(zhì)及重要性等方面為標準確定了相對應(yīng)的所屬級別,從高到低分別為A級、B級、C級。由表1、表2可見,在IT設(shè)備正常運行時,機房的溫度一般維持在20～30 ℃之間,而對A級機房的要求更嚴格。

表2 關(guān)機時機房內(nèi)溫度要求

參數(shù)A級B級C級溫度/℃5～355～3510～40溫度變化率/(℃·h-1)<5不結(jié)露<10不結(jié)露<15不結(jié)露

在機房中溫度是保障服務(wù)器正常運行的基礎(chǔ)條件,有些半導體元件隨著溫度的上升而可靠性下降,通常情況下溫度超過規(guī)定范圍的10 ℃左右時,可靠性降低至原來的3/4,使用期限也明顯縮短[3]。因此會導致服務(wù)器穩(wěn)定性下降,隨時產(chǎn)生宕機甚至燒毀服務(wù)器的危險,造成無可挽回的損失。另外,空調(diào)中的冷風并非直接冷卻服務(wù)器內(nèi)部,而是需要幾次間接冷卻接力,因此環(huán)境溫度的保持就顯得更加重要。實際的工作環(huán)境溫度會因季節(jié)而有所波動,考慮到設(shè)備的節(jié)能和可靠性等因素,當處于夏季時,溫度的設(shè)置應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)而偏上限為佳;冬季時正好相反,應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)而偏下限。

2 具體項目分析

目前,國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的數(shù)量已經(jīng)達到55萬以上,按機柜數(shù)量、功率等級可將數(shù)據(jù)中心機房分為大型數(shù)據(jù)機房、中型數(shù)據(jù)機房、小型數(shù)據(jù)機房[4],如表3所示。其中,中小型數(shù)據(jù)中心機房的占比不低于80%,但大部分采用傳統(tǒng)的設(shè)計方式以及技術(shù),在綠色節(jié)能方面與大型數(shù)據(jù)中心的差距較大。因此,以中小型數(shù)據(jù)中心機房為對象進行機房的優(yōu)化與改善,將在節(jié)能方面具有重要意義。

表3 按照機架數(shù)與功率的機房分類

機房類型機架數(shù)功率/kW小型數(shù)據(jù)機房5～207～100中型數(shù)據(jù)機房20～10028～500大型數(shù)據(jù)機房>100>100

2.1 項目概況

數(shù)據(jù)中心機房位于一棟大樓的6樓,17 m(長)×14.2 m(寬)×3.44 m(高),面積約為240 m2。數(shù)據(jù)中心機房3D模型如圖1所示。與之相對應(yīng)的鋼瓶間、觀測監(jiān)控室等支持用房間單獨設(shè)置,緊鄰數(shù)據(jù)中心,并未在模型中體現(xiàn)。機房內(nèi)部布置有精密空調(diào)、機柜高架地板、配電柜、強弱電線路、服務(wù)器等配套設(shè)施,以保證數(shù)據(jù)中心的正常運轉(zhuǎn)。

圖1 數(shù)據(jù)中心機房3D模型

由圖1可以看出,機房安裝了ACU01～ACU05 5臺精密空調(diào)為機房制冷,其中ACU01、ACU03、ACU05為P2040機型,ACU02、ACU04為P2070機型。該機型空調(diào)具有可靠性高、成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、能效比高以及使用壽命長等優(yōu)點,廣泛用作中小型數(shù)據(jù)中心的制冷設(shè)備。

空調(diào)送風采用傳統(tǒng)的下送風上回風的方式:冷氣流從精密空調(diào)的靜壓箱被送出,通過機房內(nèi)高架地板下的各個支風管道穿過機柜前的穿孔地板而進入到機柜內(nèi)部,冷氣流流經(jīng)機柜內(nèi)的IT設(shè)備,從而帶走設(shè)備散發(fā)出的熱量,再由空調(diào)正面的回風口進入到空調(diào)室。

該機房擁有84臺機柜,機房設(shè)備布置情況如圖2所示,右側(cè)為2個配電柜,其配電傳輸線路經(jīng)由高架地板下走線,給每個機柜提供所需電能,在平面圖中已經(jīng)將冷熱通道設(shè)定完成,采用面對面形式對機柜進行排布。

由圖2可以看出,整個機房中共有A～L共12列機柜,每列都由7個機柜組成,采用面對面、背對背的形式排布,分別形成了冷通道及熱通道。這是比較傳統(tǒng)且典型的數(shù)據(jù)中心機柜布置方法,機房中的冷熱氣流不至于混合過于嚴重,從而降低制冷效率。

圖2 機房設(shè)備布置情況

機房內(nèi)有84臺機柜,主要包括服務(wù)器機柜、網(wǎng)絡(luò)機柜、存儲設(shè)備機柜和刀片服務(wù)器機柜,數(shù)量分別為52臺、6臺、12臺、14臺。滿負荷下平均每個機柜的功率在3.4 kW左右,這也是大多數(shù)中型數(shù)據(jù)中心的功率配置。

2.1.1 室內(nèi)負荷

根據(jù)提供的配置,可計算出機房內(nèi)的IT設(shè)備負荷。服務(wù)器機柜負荷Q1=52×3=156 kW,網(wǎng)絡(luò)機柜負荷Q2=10×2.2=22 kW,存儲設(shè)備機柜負荷Q3=12×4.3=51.6 kW,刀片服務(wù)器機柜負荷Q4=10×6=60 kW。因此,IT設(shè)備熱負荷為

QIT=(Q1+Q2+Q3+Q4)η1η2η3

(1)

式中:η1——同時使用系數(shù);η2——利用系數(shù);η3——負荷工作均勻系數(shù)。

在機房負荷計算中往往以其最大功耗為基準,而實際情況下這些功耗并非是完全轉(zhuǎn)化到熱能而釋放到機房空間,因此需對上述系數(shù)進行調(diào)整。一般,三者乘積,每個系數(shù)取值范圍為0.6～0.8,則QIT=(156+22+51.6+60)×0.8×0.8×0.8=148.3 kW。由此可得室內(nèi)負荷QR=Q照明+QIT=4.8+148.3=153.1 kW。

2.1.2 環(huán)境冷負荷

通常情況下,數(shù)據(jù)機房一般不開設(shè)窗戶,即使有開設(shè)的情況,也是面積不大且由雙層玻璃組成的“死窗”,太陽輻射熱對機房的影響在此情況下可不計[5]。建筑維護的負荷為

Qw=KF(tzp-tn)

(2)

式中:K——維護結(jié)構(gòu)的導熱系數(shù),取1.5;F——維護結(jié)構(gòu)面積,m2;tzp——機房內(nèi)溫度,℃;tn——機房外計算溫度,℃。

通常可按tzp-tn=10 ℃計算,得

Qw=1.5×(2×3.44×1.7+2×3.44×1.42+2×14.2×17)×10=12.16 kW,環(huán)境冷負荷QE=Qw=12.16 kW。

通過對室內(nèi)負荷、環(huán)境冷負荷兩部分的計算,可得出整個數(shù)據(jù)機房所需總冷負荷Qt=153.1+12.16=165.26 kW。

按照上述5臺精密空調(diào)的搭配,可以計算出機房中空調(diào)所能提供的總制冷量?？照{(diào)不同機型的參數(shù)如表4所示。

表4 空調(diào)不同機型的參數(shù)

類型參數(shù)機型P2040P2050P2060P2070制冷量/kW24℃dB制冷量41．047．060．666．950%RH顯冷量38．543．753．559．022℃dB制冷量38．845．156．864．950%RH顯冷量37．142．652．556．2風機標準風量/(m3·h-1)11520115201440014400風機功率/kW1．41．42．22．2風機臺數(shù)2222

2.2 數(shù)據(jù)中心機房局部熱點模擬

6SigmaDC是一款專業(yè)用于通信數(shù)據(jù)機房的氣流模擬軟件,由于模型中的模塊均來自于廠家的真實產(chǎn)品數(shù)據(jù),且主要集中于相關(guān)設(shè)備的熱負載模擬,模型中很多數(shù)據(jù)均來源于機房中采集的數(shù)據(jù),得出的結(jié)果精確、可靠[6]。因此,建模仿真采用了6SigmaDC中的6SigmaRoom來實現(xiàn),直接根據(jù)機房實際尺寸和設(shè)備的實際布置情況建立模型。模型建立后,由軟件自帶的求解器針對設(shè)置的參數(shù)進行求解。

機房中5臺空調(diào)模擬出的送風溫度在13～15.2 ℃之間,而回風溫度控制在21.5～24 ℃之間。模擬與實測溫度值比較如表5所示。

表5 模擬與實測溫度值比較

參數(shù)ACU01送風回風ACU02送風回風ACU03送風回風ACU04送風回風ACU05送風回風模擬值/℃13．521．915．223．114．823．813．923．314．122．1實測值/℃12．922．414．624．114．124．813．224．213．323．4誤差/%4．62．24．24．15．04．15．33．86．05．6

由表5可見,模擬值與實測值之間的誤差控制在可接受范圍內(nèi),符合機房的工作情況,表明機房的仿真結(jié)果符合實際情況。

機房內(nèi)部空間層次及IT設(shè)備的布置不同,導致不同高度的溫度場會有一定的區(qū)別。高度分別為0.3 m、1.6 m、1.9 m處的機房溫度分布如圖3～圖5所示[7]。

圖3 高度為0.3 m處的機房溫度分布

圖4 高度為1.6 m處的機房溫度分布

圖5 高度為1.9 m處的機房溫度分布

選取不同高度的模擬圖,氣流的形式與流向更加直觀,而且在不同高度,溫度的分布也不同,給設(shè)備散熱造成了影響。圖3中,溫度超過24 ℃的區(qū)域主要分布在機房熱通道中,熱空氣并未有太大的擴散,同時大量的熱氣流主要被中間3臺空調(diào)吸收。冷通道中的溫度維持在13.5 ℃,且分布比較均勻,總體情況比較讓人滿意。

圖4、圖5中,溫度場分布情況隨著高度的改變而發(fā)生了偏移與變動,熱氣流開始向外部延伸,到了1.9 m高度熱空氣向機房底部遠離空調(diào)的一側(cè)擴散,與冷空氣結(jié)合,導致高溫區(qū)域面積增大。由圖4可以很明顯看到A區(qū)域與B區(qū)域的斑點,這是顯著的高溫區(qū)域,機柜出風溫度已經(jīng)達到34.8 ℃,但在圖5中斑點卻并不顯著,原因是機柜中的IT設(shè)備并未全部放滿,機柜頂部還有剩余空間用于散熱[8]。對比圖5中的兩側(cè)冷通道中氣流的變化情況可知,隨著高度的增加,高度越高,機柜內(nèi)的冷量不斷減少,且在冷熱空氣交界處機柜的散熱受到一定影響,主要表現(xiàn)在出風溫度的增加以及熱點的出現(xiàn)。同時由于A區(qū)域兩列為刀片服務(wù)器機柜,其機架功率比普通機柜要高,對冷量的要求也更多。

對溫度場的分析中發(fā)現(xiàn)以下主要問題:

(1) 高負荷機柜的安排不當,影響機柜的散熱效率。

(2) 冷熱通道中氣流的混合,導致局部熱點的產(chǎn)生。

(3) 空調(diào)安排不妥,導致中間3臺空調(diào)高負荷運轉(zhuǎn)不利于氣流循環(huán)。

2.3 數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)溫度場模擬仿真對比

機房內(nèi)部出現(xiàn)的溫度分布不均以及局部熱點的問題,是由于冷熱氣流混合,導致散熱不均以及空調(diào)安排不當而造成,因而把機柜的冷熱通道進行相應(yīng)的隔離,將較大功率的2臺精密空調(diào)集中于左側(cè),使得冷通道內(nèi)的冷氣不受外界熱氣流的影響,同時保證制冷的效率。冷通道封閉模型如圖6所示。

圖6 冷通道封閉模型

加冷通道隔離的方法可以將空調(diào)送出的冷量最大限度地用于IT設(shè)備的制冷,從而將冷量和風量的利用率達到最大化。由于通道的隔離材料采用透明玻璃以及透光性較好的PC板,因此在隔離冷熱氣流的基礎(chǔ)上保證了通道內(nèi)的亮度,滿足相關(guān)規(guī)范的要求[9]。在冷熱通道隔離的同時調(diào)高了空調(diào)送風溫度,通道隔離前后的溫度分布對比如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知,在對冷熱通道進行隔離以后,冷熱氣流之間的混合明顯得到了解決,而且將送風溫度從13 ℃提高至14 ℃的基礎(chǔ)上仍然能夠獲得較好的冷卻效果,局部熱點問題也得到了很好的緩解,隔離后熱通道中散發(fā)熱氣流的普遍溫度比隔離前的溫度要低,說明空調(diào)系統(tǒng)的冷量和風量充分用于IT設(shè)備的散熱,提高了利用效率。因冷氣流不會擴散至其他區(qū)域,因而熱氣流被單獨隔離,帶來的是機房內(nèi)部整個溫度的提升,從優(yōu)化前的21.3 ℃增高到23.7 ℃。按照機房的運行環(huán)境標準,優(yōu)化后的溫度完全滿足需求。

圖7 隔離前后1.6 m處溫度分布對比

圖8 隔離前后1.9 m溫度分布對比

2.4 數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)氣流組織分布優(yōu)化仿真對比

隔離前后冷氣流、熱氣流對比如圖9與圖10所示。

圖9 隔離前后冷氣流對比

由圖9、圖10可以看出,左側(cè)的冷氣流有了一定的加強,具體在制冷上反映是回風熱氣流溫度的降低,通過冷通道隔離后氣流的穩(wěn)定性得到了加強,制冷效率提高后使得IT設(shè)備得到充分的制冷,從而流入到熱通道內(nèi)部氣流的溫度也相應(yīng)降低,達到了改進所需要的效果。將冷熱氣流結(jié)合進行模擬的情況如圖11所示。

由圖11可見,在冷熱氣流合并的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的效果,可以看到氣流組織在優(yōu)化之前顯得比較凌亂,離精密空調(diào)較近的冷通道內(nèi)冷氣并未參與制冷,直接回到了回風口,從而回風溫度較低,空調(diào)的制冷效率降低。優(yōu)化之后氣流流向比較穩(wěn)定且方向清晰,緩解了回風溫度較低的現(xiàn)象,避免了冷量的過度浪費。

圖10 隔離前后熱氣流對比

圖11 機房空調(diào)氣流組織對比

3 結(jié) 語

本文選取最具代表性的中型數(shù)據(jù)中心機房為研究對象,應(yīng)用CFD 6Sigma軟件構(gòu)建機房對應(yīng)的三維模型,通過軟件仿真模擬出機房內(nèi)部的氣流組織與溫度場情況,找出機房中的局部熱點。再對增加冷通道隔離后機房內(nèi)的氣流組織與溫度場進行模擬。將兩者進行對比分析,發(fā)現(xiàn)局部熱點有了明顯的改善,說明冷通道隔離技術(shù)對于改善機房局部熱點具有一定的效果。

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學術(shù)交流園地 產(chǎn)品推介平臺

Study on Application of Cold Channel Isolation Improving Local Hot Spots in Data Center Room

BAO Renbiao

(Nanjing Branch of China Communications Technology Co., Ltd., Nanjing 210012, China)

This paper introduced the temperature requirements of data center room.Combining by a medium-sized data center room as example,the corresponding 3D model of the data center room was constructed using CFD 6Sigma software.The simulation of the airflow field and temperature field of the data center room were carried out,and the local hot spots were found out.The airflow field and temperature field were compared and analyzed before and after cold channel isolation in the data center room.It is found that the local hot spots are improved obviously,which show that the cold channel isolation technology has a certain effect improving local hot spots.

data center room; cold channel isolation; local hot spot; airflow field; temperature feild

包仁標(1990—),男,碩士,從事建筑電氣與智能化方面的工作。

TU 855

B

1674-8417(2016)12-0009-07

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.12.003

2016-09-19