谷峰 趙世萍 曹繼業(yè)

[摘 要] 近幾年隨著信息行業(yè)迅猛發(fā)展，云計算技術的普遍應用，服務器向著高功率、高密度的趨勢發(fā)展。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的末端空調(diào)形式主要面向低功率服務器，較難適應云計算發(fā)展潮流。2017年某高校與某數(shù)據(jù)中心合作，在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部建立一個機房示范工程，應用熱管空調(diào)技術，PUE值低于1.20，末端的空調(diào)形式適合高功率的服務器散熱。數(shù)據(jù)中心結合現(xiàn)有設備，借鑒示范工程末端空調(diào)形式，提出針對高密度服務器機房的優(yōu)化建議。

[關鍵詞] 數(shù)據(jù)中心；精密空調(diào)；熱管空調(diào)；空調(diào)末端

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 05. 063

[中圖分類號] TP308 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）05- 0149- 04

0 引 言

在云計算席卷全球、云計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展浪潮風起云涌的背景下，建設綠色數(shù)據(jù)中心、實現(xiàn)節(jié)能減排成為了近年來學術界和產(chǎn)業(yè)界關注的話題之一。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心企業(yè)原有的數(shù)據(jù)中心如何盡快轉變成適合云計算要求的云計算中心，也是迫切需要解決的問題[1]。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的末端空調(diào)形式主要面向低功率服務器，較難適應云計算發(fā)展潮流。2017年某高校在某數(shù)據(jù)中心內(nèi)建立一個應用熱管空調(diào)技術的機房示范工程，PUE值國內(nèi)領先。該數(shù)據(jù)中心結合現(xiàn)有設備，借鑒末端空調(diào)形式，提出針對高密度服務器機房的優(yōu)化建議。

1 數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有制冷設備

1.1 現(xiàn)有制冷系統(tǒng)

某中心采用水冷離心式冷水機組作為冷源，為數(shù)據(jù)機房全年供冷。設置4套（3用1備）1150RT制冷單元。每套制冷單元含：1臺離心式冷水機組、1臺板式換熱器、1臺冷卻水泵、1臺冷卻水一次泵及1臺閉式冷卻塔?？照{(diào)冷凍水系統(tǒng)采用環(huán)路設計，并用分段閥隔離各個故障點，保證單點故障時正常運行。冷凍水系統(tǒng)采用一次泵定流量、二次泵變流量系統(tǒng)。設置4臺冷凍水二次泵為數(shù)據(jù)機房服務，二次泵配UPS電源[2]。

1.2 現(xiàn)有末端空調(diào)形式

每個模塊的機房設置10+2套機房精密空調(diào)機組。模塊機房精密空調(diào)機組采用下送風上回風的氣流方式，送風經(jīng)過開孔地板直接送至冷通道區(qū)。模塊機房加濕采用濕膜加濕的方式，濕膜加濕器放置在模塊機房的空調(diào)設備區(qū)內(nèi)。

2 示范工程采用的熱管空調(diào)技術

2017年某數(shù)據(jù)中心作為子課題承擔單位，參與國家重點研發(fā)計劃課題“數(shù)據(jù)中心新型冷卻技術研發(fā)與示范”，參與示范工程建設和測試工作。

該項目建立一個數(shù)據(jù)中心示范工程，采用項目組所研發(fā)的模塊化冷卻系統(tǒng)和高效供電系統(tǒng)。項目投用后，預計全年運行PUE低于1.20，其中冷卻能耗比低于0.16，供電能耗比低于0.04。該示范工程是多項前沿性技術和理論創(chuàng)新的綜合體現(xiàn)。屬于國內(nèi)領先、國際前沿的數(shù)據(jù)中心示范點。

2.1 示范項目制冷系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)采用全氟熱管復合節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。全氟熱管復合節(jié)能空調(diào)是利用室內(nèi)外空氣溫度差，通過封閉管路中工質的蒸發(fā)、冷凝循環(huán)而形成動態(tài)熱力平衡，利用較小的自然溫差將室內(nèi)的熱量高效傳遞到室外，維持機房內(nèi)部良好的工作熱環(huán)境的節(jié)能排熱設備。

2.2 末端空調(diào)形式

2.2.1 采用熱管背板系統(tǒng)

示范工程項目共有6列機柜，其中E、F兩列為高密度機柜，單柜功率最小為6kW，最大為12kW。這兩列空調(diào)末端采用熱管背板空調(diào)與專用的通信機柜相結合的熱管排熱機柜。熱管依靠內(nèi)部工作液體相變來實現(xiàn)傳熱，且工作液體的回流依靠重力，無須其他動力。熱管排熱機柜的風機能自動調(diào)速運行，能按照要求自動調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，系統(tǒng)可靠性高、能耗低。熱管背板空調(diào)具有高可靠性，高顯熱比以及大風量的特點，能夠適用于不同散熱密度的數(shù)據(jù)中心。

2.2.2 采用熱管列間系統(tǒng)

本示范工程機房A-D列采用熱管列間空調(diào)系統(tǒng)，在機柜間預留位置，安裝列間空調(diào)。為改善機房氣流組織，減少局部熱點及混風損失，提高換熱效率，以2列為一個微模塊的形式，封閉熱通道，從而使機房環(huán)境為冷環(huán)境。

3 末端空調(diào)形式的優(yōu)缺點對比

根據(jù)不同的末端空調(diào)形式，從空調(diào)應用場合、安全性、初始投資、后續(xù)運行費用、氣流組織等方面進行綜合對比。

中心現(xiàn)有的末端精密空調(diào)適合低密度機房，滿足單機柜4kW功率的散熱需要。但隨著IT行業(yè)的發(fā)展、云計算等技術的廣泛應用，IT設備發(fā)熱量逐步升高。熱管的背板和列間形式能更好地應對高密度機柜。

4 根據(jù)數(shù)據(jù)中心現(xiàn)狀對于高密度機柜機房的優(yōu)化

本項目室內(nèi)末端采用熱管背板和熱管列間相結合的形式，室外機采用風冷機組，整套設備采用全氟利昂系統(tǒng)，但室外機整體投資費用較高，而且室外機布局受樓頂區(qū)域限制。

針對高密度機房的優(yōu)化首先要考慮到將高密度機柜進行整合，集中放置在若干個機房之內(nèi)，針對這些機房進行優(yōu)化。以最小的投入，取得最優(yōu)的效果。優(yōu)化過程中，考慮以下幾方面內(nèi)容。

4.1 關于冷源的選擇

中心現(xiàn)有制冷設備為水冷離心式冷水機組，冷量有較大富裕。配套閉式冷卻塔散熱效果好于全氟熱管空調(diào)室外機。因此改造后制冷系統(tǒng)冷源仍使用冷水機組，考慮使用中間換熱器連接熱管。

4.2 關于末端的選擇

根據(jù)中心實際情況，目前10個機房機柜已固定完畢，更換列間空調(diào)需拆除部分機柜，且入駐高功率服務器，需要列間空調(diào)數(shù)也隨之增加，服務器機柜數(shù)進一步壓縮，此方案不可取。列管空調(diào)末端也可采用吊頂式空調(diào)，但吊頂式空調(diào)要求地板與棚頂之間凈高在4米以上。中心機房現(xiàn)有高度不滿足條件，調(diào)整吊棚高度工程量較大，且吊頂式空調(diào)有冷凝水滴落的風險，此方案不可取。

末端使用背板空調(diào)僅需在現(xiàn)有機柜外增加框架，將背板固定在框架之上，機柜厚度增加約200mm，施工便利，適宜規(guī)劃中的高密度機房使用。

4.3 中間換熱器的相關要求

根據(jù)冷源的選擇，需增加中間換熱器。供熱管背板系統(tǒng)的中間換熱單元底部與熱管背板頂部應滿足一定高差。中間換熱單元與熱管背板在同層安裝，應設置在機房與走廊之間的隔墻上部，中間換熱單元及所接冷凍水管均不得進入機房。

板式換熱器建設采用一拖多形式，每列背板熱管配置一組冷凝器。該冷凝器采用雙系統(tǒng)結構，每組冷凝器分為冷凝器A、冷凝器B兩個制冷系統(tǒng)。

4.4 冷凍水管路設計

數(shù)據(jù)中心動力站接出4根DN350的主干管，供水管線形成環(huán)路，在需使用熱管末端的機房外預留DN125供、回水接口；根據(jù)機柜數(shù)量，機房外預留接口為10供10回，根據(jù)機房設計，每個機房需配置20個中間換熱單元，為避免單點故障，需要將2根供水及2根回水管路分別做成環(huán)路，連接4個中間換熱單元，為中間換熱器提供冷凍水的供/回水，實現(xiàn)管路冷凍水系統(tǒng)雙管路備份系統(tǒng)。

4.5 IT設備區(qū)的熱管背板系統(tǒng)制冷劑管路設計

機房機柜每列為單回路管路設計方式熱管背板的管路連接方式為相鄰兩個機架連接不同的中間換熱器。以滿足熱管背板系統(tǒng)單回路冗余備份的設計要求。當其中一個背板發(fā)生故障時，其鄰近的背板將感應到環(huán)境溫度有上升的趨勢，此時鄰近的背板將增大循環(huán)風量，提高冷量輸出，以補償故障背板的冷量。發(fā)生故障熱管背板可在線檢修、單獨在線更換。

通過以上幾方面的改造和優(yōu)化，能夠在數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有設施設備的基礎上，快速搭建適合高密度服務器的機房。

5 結 語

隨著云計算技術的普遍應用，服務器向著高功率、高密度的方向發(fā)展。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的末端空調(diào)形式無法解決高密度服務器的散熱需求。本文通過分析各類空調(diào)末端的優(yōu)劣，考慮應用現(xiàn)有制冷系統(tǒng)設備，末端空調(diào)改造的可行性，提出使用水冷離心式冷水機組作為冷源，使用中間換熱器，末端使用背板式熱管系統(tǒng)的優(yōu)化建議。

主要參考文獻

[1]鄧維，劉方明. 云計算數(shù)據(jù)中心的新能源應用：研究現(xiàn)狀與趨勢[J]. 計算機學報，2013（3）：583-598.

[2]王建民，曹繼業(yè)，趙世萍. 自由冷卻技術在大型數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)中的設計原理[J].信息與電腦，2013（9）：117-118.

[3]Zhenying Wang， Xiaotong Zhang， Zhen Li，Ming Luo.Analysis on Energy Efficiency of an Integrated Heat Pipe System in Data Centers[J].Applied Thermal Engineering，2015（90）：937-944.

[4]Tao Ding ， Zhi guang He ， Tian Hao ， Zhen Li.Application of Separated Heat Pipe System in Data Center Cooling[J].Applied Thermal Engineering，2016（109）：207-216.