包 仁 標(biāo)

(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(jī)房局部熱點(diǎn)中的應(yīng)用研究

包 仁 標(biāo)

(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(jī)房對(duì)溫度的要求,結(jié)合某中型數(shù)據(jù)中心機(jī)房實(shí)例,應(yīng)用CFD 6Sigma軟件構(gòu)建機(jī)房對(duì)應(yīng)的三維模型,模擬出機(jī)房?jī)?nèi)部的氣流組織和溫度場(chǎng)情況,尋找機(jī)房中的局部熱點(diǎn)。對(duì)冷通道隔離前后機(jī)房?jī)?nèi)的氣流組織和溫度場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)局部熱點(diǎn)有了明顯的改善,說(shuō)明冷通道隔離技術(shù)對(duì)于改善機(jī)房局部熱點(diǎn)具有一定的效果。

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

0 引 言

由于IT設(shè)備的特殊性,維持機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備高效運(yùn)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(diǎn)問(wèn)題依然存在,長(zhǎng)此以往必然成為機(jī)房宕機(jī)的隱患[1]。因此,在對(duì)機(jī)房運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行深入研究后,選取具有代表性的某中型數(shù)據(jù)中心機(jī)房作為研究對(duì)象,應(yīng)用CFD 6Sigma軟件按照實(shí)際的設(shè)計(jì)建造情況構(gòu)建機(jī)房對(duì)應(yīng)的三維模型,通過(guò)軟件仿真模擬出機(jī)房?jī)?nèi)部的氣流組織與溫度場(chǎng)情況,找出機(jī)房中的局部熱點(diǎn),再將模擬的溫度值與實(shí)測(cè)的溫度值進(jìn)行比較,證明模擬的準(zhǔn)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(duì)增加冷通道隔離后機(jī)房?jī)?nèi)的氣流組織與溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬,將兩者進(jìn)行對(duì)比分析,說(shuō)明冷通道隔離對(duì)改善機(jī)房局部熱點(diǎn)的效果。

1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房對(duì)溫度的要求

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

在數(shù)據(jù)機(jī)房中,空氣調(diào)節(jié)是最重要的環(huán)節(jié)之一,對(duì)空氣進(jìn)行調(diào)節(jié),從而使環(huán)境達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)為了保障IT設(shè)備能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn),對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)部溫度也作出了相關(guān)要求[2],如表1、表2所示。

表1 開(kāi)機(jī)時(shí)機(jī)房?jī)?nèi)溫度要求

參數(shù)A級(jí)夏季冬季B級(jí)C級(jí)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(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范按照機(jī)房的使用性質(zhì)及重要性等方面為標(biāo)準(zhǔn)確定了相對(duì)應(yīng)的所屬級(jí)別,從高到低分別為A級(jí)、B級(jí)、C級(jí)。由表1、表2可見(jiàn),在IT設(shè)備正常運(yùn)行時(shí),機(jī)房的溫度一般維持在20～30 ℃之間,而對(duì)A級(jí)機(jī)房的要求更嚴(yán)格。

表2 關(guān)機(jī)時(shí)機(jī)房?jī)?nèi)溫度要求

參數(shù)A級(jí)B級(jí)C級(jí)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(jī)房中溫度是保障服務(wù)器正常運(yùn)行的基礎(chǔ)條件,有些半導(dǎo)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(guò)規(guī)定范圍的10 ℃左右時(shí),可靠性降低至原來(lái)的3/4,使用期限也明顯縮短[3]。因此會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器穩(wěn)定性下降,隨時(shí)產(chǎn)生宕機(jī)甚至燒毀服務(wù)器的危險(xiǎn),造成無(wú)可挽回的損失。另外,空調(diào)中的冷風(fēng)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(shí)際的工作環(huán)境溫度會(huì)因季節(jié)而有所波動(dòng),考慮到設(shè)備的節(jié)能和可靠性等因素,當(dāng)處于夏季時(shí),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(shí)正好相反,應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)而偏下限。

2 具體項(xiàng)目分析

目前,國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到55萬(wàn)以上,按機(jī)柜數(shù)量、功率等級(jí)可將數(shù)據(jù)中心機(jī)房分為大型數(shù)據(jù)機(jī)房、中型數(shù)據(jù)機(jī)房、小型數(shù)據(jù)機(jī)房[4],如表3所示。其中,中小型數(shù)據(jù)中心機(jī)房的占比不低于80%,但大部分采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)房為對(duì)象進(jìn)行機(jī)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(jī)架數(shù)與功率的機(jī)房分類

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

2.1 項(xiàng)目概況

數(shù)據(jù)中心機(jī)房位于一棟大樓的6樓,17 m(長(zhǎng))×14.2 m(寬)×3.44 m(高),面積約為240 m2。數(shù)據(jù)中心機(jī)房3D模型如圖1所示。與之相對(duì)應(yīng)的鋼瓶間、觀測(cè)監(jiān)控室等支持用房間單獨(dú)設(shè)置,緊鄰數(shù)據(jù)中心,并未在模型中體現(xiàn)。機(jī)房?jī)?nèi)部布置有精密空調(diào)、機(jī)柜高架地板、配電柜、強(qiáng)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(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房3D模型

由圖1可以看出,機(jī)房安裝了ACU01～ACU05 5臺(tái)精密空調(diào)為機(jī)房制冷,其中ACU01、ACU03、ACU05為P2040機(jī)型,ACU02、ACU04為P2070機(jī)型。該機(jī)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛用作中小型數(shù)據(jù)中心的制冷設(shè)備。

空調(diào)送風(fēng)采用傳統(tǒng)的下送風(fēng)上回風(fēng)的方式:冷氣流從精密空調(diào)的靜壓箱被送出,通過(guò)機(jī)房?jī)?nèi)高架地板下的各個(gè)支風(fēng)管道穿過(guò)機(jī)柜前的穿孔地板而進(jìn)入到機(jī)柜內(nèi)部,冷氣流流經(jīng)機(jī)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(fēng)口進(jìn)入到空調(diào)室。

該機(jī)房擁有84臺(tái)機(jī)柜,機(jī)房設(shè)備布置情況如圖2所示,右側(cè)為2個(gè)配電柜,其配電傳輸線路經(jīng)由高架地板下走線,給每個(gè)機(jī)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(duì)面形式對(duì)機(jī)柜進(jìn)行排布。

由圖2可以看出,整個(gè)機(jī)房中共有A～L共12列機(jī)柜,每列都由7個(gè)機(jī)柜組成,采用面對(duì)面、背對(duì)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(jī)柜布置方法,機(jī)房中的冷熱氣流不至于混合過(guò)于嚴(yán)重,從而降低制冷效率。

圖2 機(jī)房設(shè)備布置情況

機(jī)房?jī)?nèi)有84臺(tái)機(jī)柜,主要包括服務(wù)器機(jī)柜、網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜、存儲(chǔ)設(shè)備機(jī)柜和刀片服務(wù)器機(jī)柜,數(shù)量分別為52臺(tái)、6臺(tái)、12臺(tái)、14臺(tái)。滿負(fù)荷下平均每個(gè)機(jī)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(fù)荷

根據(jù)提供的配置,可計(jì)算出機(jī)房?jī)?nèi)的IT設(shè)備負(fù)荷。服務(wù)器機(jī)柜負(fù)荷Q1=52×3=156 kW,網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜負(fù)荷Q2=10×2.2=22 kW,存儲(chǔ)設(shè)備機(jī)柜負(fù)荷Q3=12×4.3=51.6 kW,刀片服務(wù)器機(jī)柜負(fù)荷Q4=10×6=60 kW。因此,IT設(shè)備熱負(fù)荷為

QIT=(Q1+Q2+Q3+Q4)η1η2η3

(1)

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

在機(jī)房負(fù)荷計(jì)算中往往以其最大功耗為基準(zhǔn),而實(shí)際情況下這些功耗并非是完全轉(zhuǎn)化到熱能而釋放到機(jī)房空間,因此需對(duì)上述系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。一般,三者乘積,每個(gè)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(fù)荷QR=Q照明+QIT=4.8+148.3=153.1 kW。

2.1.2 環(huán)境冷負(fù)荷

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

Qw=KF(tzp-tn)

(2)

式中:K——維護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù),取1.5;F——維護(hù)結(jié)構(gòu)面積,m2;tzp——機(jī)房?jī)?nèi)溫度,℃;tn——機(jī)房外計(jì)算溫度,℃。

通?？砂磘zp-tn=10 ℃計(jì)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(fù)荷QE=Qw=12.16 kW。

通過(guò)對(duì)室內(nèi)負(fù)荷、環(huán)境冷負(fù)荷兩部分的計(jì)算,可得出整個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)房所需總冷負(fù)荷Qt=153.1+12.16=165.26 kW。

按照上述5臺(tái)精密空調(diào)的搭配,可以計(jì)算出機(jī)房中空調(diào)所能提供的總制冷量。空調(diào)不同機(jī)型的參數(shù)如表4所示。

表4 空調(diào)不同機(jī)型的參數(shù)

類型參數(shù)機(jī)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(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量/(m3·h-1)11520115201440014400風(fēng)機(jī)功率/kW1．41．42．22．2風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)2222

2.2 數(shù)據(jù)中心機(jī)房局部熱點(diǎn)模擬

6SigmaDC是一款專業(yè)用于通信數(shù)據(jù)機(jī)房的氣流模擬軟件,由于模型中的模塊均來(lái)自于廠家的真實(shí)產(chǎn)品數(shù)據(jù),且主要集中于相關(guān)設(shè)備的熱負(fù)載模擬,模型中很多數(shù)據(jù)均來(lái)源于機(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn),直接根據(jù)機(jī)房實(shí)際尺寸和設(shè)備的實(shí)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(duì)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行求解。

機(jī)房中5臺(tái)空調(diào)模擬出的送風(fēng)溫度在13～15.2 ℃之間,而回風(fēng)溫度控制在21.5～24 ℃之間。模擬與實(shí)測(cè)溫度值比較如表5所示。

表5 模擬與實(shí)測(cè)溫度值比較

參數(shù)ACU01送風(fēng)回風(fēng)ACU02送風(fēng)回風(fēng)ACU03送風(fēng)回風(fēng)ACU04送風(fēng)回風(fēng)ACU05送風(fēng)回風(fēng)模擬值/℃13．521．915．223．114．823．813．923．314．122．1實(shí)測(cè)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(jiàn),模擬值與實(shí)測(cè)值之間的誤差控制在可接受范圍內(nèi),符合機(jī)房的工作情況,表明機(jī)房的仿真結(jié)果符合實(shí)際情況。

機(jī)房?jī)?nèi)部空間層次及IT設(shè)備的布置不同,導(dǎo)致不同高度的溫度場(chǎng)會(huì)有一定的區(qū)別。高度分別為0.3 m、1.6 m、1.9 m處的機(jī)房溫度分布如圖3～圖5所示[7]。

圖3 高度為0.3 m處的機(jī)房溫度分布

圖4 高度為1.6 m處的機(jī)房溫度分布

圖5 高度為1.9 m處的機(jī)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(guò)24 ℃的區(qū)域主要分布在機(jī)房熱通道中,熱空氣并未有太大的擴(kuò)散,同時(shí)大量的熱氣流主要被中間3臺(tái)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(chǎng)分布情況隨著高度的改變而發(fā)生了偏移與變動(dòng),熱氣流開(kāi)始向外部延伸,到了1.9 m高度熱空氣向機(jī)房底部遠(yuǎn)離空調(diào)的一側(cè)擴(kuò)散,與冷空氣結(jié)合,導(dǎo)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(diǎn),這是顯著的高溫區(qū)域,機(jī)柜出風(fēng)溫度已經(jīng)達(dá)到34.8 ℃,但在圖5中斑點(diǎn)卻并不顯著,原因是機(jī)柜中的IT設(shè)備并未全部放滿,機(jī)柜頂部還有剩余空間用于散熱[8]。對(duì)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(jī)柜內(nèi)的冷量不斷減少,且在冷熱空氣交界處機(jī)柜的散熱受到一定影響,主要表現(xiàn)在出風(fēng)溫度的增加以及熱點(diǎn)的出現(xiàn)。同時(shí)由于A區(qū)域兩列為刀片服務(wù)器機(jī)柜,其機(jī)架功率比普通機(jī)柜要高,對(duì)冷量的要求也更多。

對(duì)溫度場(chǎng)的分析中發(fā)現(xiàn)以下主要問(wèn)題:

(1) 高負(fù)荷機(jī)柜的安排不當(dāng),影響機(jī)柜的散熱效率。

(2) 冷熱通道中氣流的混合,導(dǎo)致局部熱點(diǎn)的產(chǎn)生。

(3) 空調(diào)安排不妥,導(dǎo)致中間3臺(tái)空調(diào)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)不利于氣流循環(huán)。

2.3 數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)溫度場(chǎng)模擬仿真對(duì)比

機(jī)房?jī)?nèi)部出現(xiàn)的溫度分布不均以及局部熱點(diǎn)的問(wèn)題,是由于冷熱氣流混合,導(dǎo)致散熱不均以及空調(diào)安排不當(dāng)而造成,因而把機(jī)柜的冷熱通道進(jìn)行相應(yīng)的隔離,將較大功率的2臺(tái)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(shí)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(fēng)量的利用率達(dá)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(shí)調(diào)高了空調(diào)送風(fēng)溫度,通道隔離前后的溫度分布對(duì)比如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知,在對(duì)冷熱通道進(jìn)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(fēng)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(diǎn)問(wèn)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(shuō)明空調(diào)系統(tǒng)的冷量和風(fēng)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(huì)擴(kuò)散至其他區(qū)域,因而熱氣流被單獨(dú)隔離,帶來(lái)的是機(jī)房?jī)?nèi)部整個(gè)溫度的提升,從優(yōu)化前的21.3 ℃增高到23.7 ℃。按照機(jī)房的運(yùn)行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn),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(duì)比

圖8 隔離前后1.9 m溫度分布對(duì)比

2.4 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

隔離前后冷氣流、熱氣流對(duì)比如圖9與圖10所示。

圖9 隔離前后冷氣流對(duì)比

由圖9、圖10可以看出,左側(cè)的冷氣流有了一定的加強(qiáng),具體在制冷上反映是回風(fēng)熱氣流溫度的降低,通過(guò)冷通道隔離后氣流的穩(wěn)定性得到了加強(qiáng),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(dá)到了改進(jìn)所需要的效果。將冷熱氣流結(jié)合進(jìn)行模擬的情況如圖11所示。

由圖11可見(jiàn),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(fēng)口,從而回風(fēng)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(fēng)溫度較低的現(xiàn)象,避免了冷量的過(guò)度浪費(fèi)。

圖10 隔離前后熱氣流對(duì)比

圖11 機(jī)房空調(diào)氣流組織對(duì)比

3 結(jié) 語(yǔ)

本文選取最具代表性的中型數(shù)據(jù)中心機(jī)房為研究對(duì)象,應(yīng)用CFD 6Sigma軟件構(gòu)建機(jī)房對(duì)應(yīng)的三維模型,通過(guò)軟件仿真模擬出機(jī)房?jī)?nèi)部的氣流組織與溫度場(chǎng)情況,找出機(jī)房中的局部熱點(diǎn)。再對(duì)增加冷通道隔離后機(jī)房?jī)?nèi)的氣流組織與溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬。將兩者進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)局部熱點(diǎn)有了明顯的改善,說(shuō)明冷通道隔離技術(shù)對(duì)于改善機(jī)房局部熱點(diǎn)具有一定的效果。

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捕捉行業(yè)熱點(diǎn) 引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展

學(xué)術(shù)交流園地 產(chǎn)品推介平臺(tái)

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(biāo)(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