數(shù)據(jù)機(jī)房解決散熱問題方案探討

從目前看來，空調(diào)系統(tǒng)制冷量或送風(fēng)量設(shè)計過小、機(jī)房大環(huán)境氣流組織不合理、機(jī)柜內(nèi)部小環(huán)境氣流組織不合理、機(jī)柜發(fā)熱量過大、機(jī)柜排列過于密集等問題是導(dǎo)致局部過熱的主因，解決這些因素，應(yīng)從機(jī)房的規(guī)劃設(shè)計、制冷系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備選型、應(yīng)用維護(hù)等三個方面著手予以分析論證，并給出高密系統(tǒng)的解決辦法。一、數(shù)據(jù)中心機(jī)房的規(guī)劃設(shè)計1、對機(jī)房進(jìn)行分類明確定義功率密度。根據(jù)機(jī)房數(shù)據(jù)設(shè)備安放與耗電密集度，將機(jī)房分為高負(fù)荷機(jī)房、中負(fù)荷機(jī)房及低負(fù)荷機(jī)房三種，其單位面積和單機(jī)柜耗電指標(biāo)、單機(jī)柜設(shè)備配置數(shù)量限值見表1。表1單位面積和單機(jī)柜耗電指標(biāo)、單機(jī)柜設(shè)備配置數(shù)量限值注：單機(jī)柜功率超過4kVA/柜時，應(yīng)根據(jù)機(jī)柜發(fā)熱量有針對性進(jìn)行調(diào)整。2、減少機(jī)房受環(huán)境影響。對于新建機(jī)房，可以考慮外墻的朝向，將機(jī)房設(shè)計在建筑的東側(cè)或北側(cè)，在相對一側(cè)留有走廊等通道。機(jī)房內(nèi)盡量不設(shè)計窗口，選用密封性能好和自動關(guān)閉式的防火門。3、適當(dāng)?shù)臋C(jī)房面積。大型數(shù)據(jù)中心機(jī)房不宜正方形，而是適應(yīng)長條形，經(jīng)濟(jì)面積宜為500至800平方米。4、合理布置設(shè)備。布置數(shù)據(jù)中心設(shè)備區(qū)域，應(yīng)根據(jù)設(shè)備種類、系統(tǒng)成組特性、設(shè)備的發(fā)熱量、機(jī)柜設(shè)備布置密度、設(shè)備與機(jī)柜冷卻方式等，合理考慮機(jī)房區(qū)域、機(jī)柜列組、機(jī)柜內(nèi)部三個層面的精密空調(diào)設(shè)備制冷的氣流組織。設(shè)備布置應(yīng)明確劃分冷熱通道,以保障送風(fēng)氣流直接送至冷通道。當(dāng)機(jī)柜內(nèi)或機(jī)架上的設(shè)備為前進(jìn)風(fēng)/后出風(fēng)方式冷卻時，機(jī)柜或機(jī)架的布置宜采用面對面、背對背方式。熱通道間距應(yīng)大于冷通道間距，以有利于熱通道散熱。一般采用地板下送風(fēng)上部回風(fēng)的氣流組織方式，其送風(fēng)通道和回風(fēng)通道均可在需要的位置開設(shè)風(fēng)口。采用架空地板作為送風(fēng)靜壓箱，架空地板的高度應(yīng)根據(jù)負(fù)荷密度、機(jī)房面積綜合確定。地板下面禁止走線纜、水管，以防止阻塞風(fēng)道。二、制冷系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備選型目前數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)都必須符合可擴(kuò)展性和適應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)化、簡單化、智能化、可管理化等五種關(guān)鍵要求。當(dāng)前的設(shè)計思路和設(shè)備沒有解決的、最為緊迫的核心問題是數(shù)據(jù)中心適應(yīng)變化能力較差。數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)必須對不斷變化的要求有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，對不斷增長和無法預(yù)測的功率密度制定規(guī)劃，同時要設(shè)計出冷卻系統(tǒng)適應(yīng)能力強(qiáng)甚至易于改進(jìn)。數(shù)據(jù)中心設(shè)計中最重要的一個部分就是冷空氣的供應(yīng)和排出的熱空氣的回流路徑，這對于高密度環(huán)境極具有挑戰(zhàn)性，因為氣流速度必須克服空氣分配和回流系統(tǒng)的阻力。故要解決冷卻系統(tǒng)的問題，就需要對現(xiàn)行的設(shè)計思路進(jìn)行改進(jìn)，主要包括冷卻設(shè)備技術(shù)和設(shè)計的改進(jìn)，以及如何測定數(shù)據(jù)中心的冷卻要求等。1、選用高效機(jī)房專用空調(diào)設(shè)備道地板出風(fēng)方式，當(dāng)機(jī)柜采用面對面、背靠背排列時，應(yīng)保證過道內(nèi)每600mm長度上輸出的基本出風(fēng)量達(dá)到50m3/min以上;機(jī)柜采用統(tǒng)一朝向排列時，應(yīng)保證過道內(nèi)每600mm長度上輸出的基本出風(fēng)量達(dá)到25m3/min以上。若使用高負(fù)荷機(jī)柜，則出風(fēng)量也應(yīng)相應(yīng)加大(刀片服務(wù)器系統(tǒng)進(jìn)氣口需要大約1,180升/秒的冷空氣)。(2)根據(jù)機(jī)房室內(nèi)狀態(tài)點及熱濕負(fù)荷，可由濕空氣焓濕圖確定送風(fēng)狀態(tài)點。進(jìn)而得出空調(diào)機(jī)組供冷量、再熱量、加濕量及送風(fēng)量。按相關(guān)規(guī)定，送風(fēng)溫差宜控制在6~10℃。(3)大型數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)適合長邊側(cè)進(jìn)風(fēng)，不宜短邊側(cè)進(jìn)風(fēng)。下送風(fēng)走向與機(jī)架走道同向,不宜與架間走道垂直。(4)建立冷熱通道圍欄系統(tǒng)。為進(jìn)一步阻隔冷熱空間的混和，可利用隔熱能力極強(qiáng)、熔點很高的乙烯基塑料隔板(VinylCurtain)，一方面密封熱通道的兩邊出口，另一方面包圍冷通道的整體范圍，使冷空氣與熱空氣的隔絕，以便更好地調(diào)節(jié)機(jī)架頂部到底部的空氣溫度。(5)為了避免大型機(jī)房內(nèi)近處出風(fēng)量過大、遠(yuǎn)處出風(fēng)量過小的不均衡現(xiàn)象，應(yīng)在機(jī)房地板下架設(shè)多條大口徑主輸風(fēng)管延伸至機(jī)房最遠(yuǎn)端。(6)當(dāng)機(jī)柜內(nèi)設(shè)備的發(fā)熱功率密度明顯過大，無法通過機(jī)房大環(huán)境中冷熱氣流自然對流方式解決降溫問題，導(dǎo)致機(jī)柜內(nèi)溫度嚴(yán)重超過設(shè)備運行允許溫度范圍時，為加快機(jī)柜內(nèi)熱氣的排走速度，可選擇在底部和后部加裝強(qiáng)迫散熱裝置的機(jī)柜，如安裝軸向水平的強(qiáng)排風(fēng)扇。3、合理布置機(jī)柜機(jī)架，提高設(shè)備散熱效率(1)合理布置機(jī)柜對于確保機(jī)柜擁有適當(dāng)溫度和足夠的空氣非常重要。采取"面對面、背靠背"的機(jī)柜擺放及將空調(diào)設(shè)備與熱通道對齊方式，這樣在兩排機(jī)柜的正面面對通道中間布置冷風(fēng)出口，形成一個"冷通道"的冷空氣區(qū)，冷空氣流經(jīng)設(shè)備后形成了熱空氣，再被排放到兩排機(jī)柜背面中的"熱通道"中，最后通過熱通道上方布置的回風(fēng)口回到空調(diào)系統(tǒng)，使整個機(jī)房氣流、能量流流動通暢，不但提高了機(jī)房精密空調(diào)的利用率，而且還進(jìn)一步提升了制冷效果。圖1機(jī)柜或機(jī)架面對面、背對背的布置方式(2)機(jī)柜氣流和機(jī)柜設(shè)計是引導(dǎo)空氣最大限度改進(jìn)冷卻效果的關(guān)鍵因素。機(jī)柜對于防止設(shè)備排出的熱氣短路循環(huán)進(jìn)入設(shè)備進(jìn)氣口至關(guān)重要。熱空氣將被輕微增壓，再加上設(shè)備進(jìn)氣過程中的吸力，將可能導(dǎo)致熱空氣被重新吸入設(shè)備進(jìn)氣口。氣流短路問題可能導(dǎo)致IT設(shè)備的溫度上升8℃，其結(jié)果的將要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱氣造成的影響。由于模塊化數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基本上是水平方向進(jìn)出風(fēng)(最常見的方式是前進(jìn)后出)，因此空調(diào)制冷氣流也應(yīng)符合這種氣流組織：盡量將冷氣送到所有數(shù)據(jù)設(shè)備的前方位置。采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜和盲板可以大幅減少氣流短路比例，能消除機(jī)架正面的垂直溫度梯度，防止高溫排出空氣回流到機(jī)架前部區(qū)域，并確保供應(yīng)的冷空氣在機(jī)架上下配送均勻。下送風(fēng)機(jī)房機(jī)柜前后門的設(shè)計應(yīng)符合最佳制冷效率的要求，有2種方式可選擇：a)前門完全密閉，不做通風(fēng)孔;后門通風(fēng)網(wǎng)孔大小為Ф5，后門通風(fēng)率30-40%，這種方式，由機(jī)柜底部調(diào)節(jié)的開口，在機(jī)柜內(nèi)設(shè)備正面送冷風(fēng)，由后門和機(jī)柜頂部散熱;每個機(jī)柜需要側(cè)門，側(cè)門不帶通風(fēng)孔，冷風(fēng)通道完全在機(jī)柜下方。b)前后門底部起1/2密閉，不做通風(fēng)孔，機(jī)柜上部1/2為通風(fēng)散熱部分，通風(fēng)網(wǎng)孔大小為Ф5，通風(fēng)率30-40%，這種方式主要出風(fēng)口在機(jī)柜的底部，同時可以在機(jī)柜列間通道開輔助送風(fēng)口，在機(jī)柜內(nèi)設(shè)備正面送冷風(fēng)，由后門和機(jī)柜頂部散熱。每個機(jī)柜需要側(cè)門，側(cè)門不帶通風(fēng)孔。冷風(fēng)通道在機(jī)柜下方和機(jī)柜列間通道。機(jī)柜內(nèi)數(shù)據(jù)設(shè)備與機(jī)柜前、后面板的間距寬度應(yīng)不小于150mm。機(jī)柜層板應(yīng)有利于通風(fēng)，為避免阻擋空氣流通，層板深度應(yīng)不大于600mm。多臺發(fā)熱量大的數(shù)據(jù)設(shè)備不宜疊放在同一層板上，最下層層板距離機(jī)柜底部應(yīng)不小于200mm。把熱負(fù)荷最大的設(shè)備安裝在機(jī)柜中部位置，以便獲得最大的配風(fēng)風(fēng)量。機(jī)柜底部采用活動抽屜板，隨設(shè)備多少，改動冷氣入口大小。機(jī)柜底部后半部堵住，阻止冷空氣從底部向后面流去。三、加強(qiáng)數(shù)據(jù)中心維護(hù)管理一旦冷卻系統(tǒng)設(shè)計安裝完成，為保證系統(tǒng)的高性能，進(jìn)行后續(xù)檢查工作是很重要的。更重要的是，要維護(hù)從服務(wù)器排出的熱空氣到空調(diào)裝置的回流空氣管道之間的潔凈通道。很多因素都會降低現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)的運作效率和功率密度能力。故在日常維護(hù)管理注意以下幾點：1、進(jìn)行"健康檢查"。檢查總的冷卻能力，確保數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備對冷卻的需要沒有超過總的冷卻能力。檢查所有風(fēng)扇和報警裝置是否運行正常，確保過濾器的清潔狀態(tài)。檢查冷卻器和外部冷凝器及初級冷卻回路的狀況。檢查數(shù)據(jù)中心通道中重要位置的溫度。記錄每套機(jī)架底部、中部和頂部的空氣入口處的溫度，并與IT設(shè)備生產(chǎn)商的推薦值進(jìn)行比較。檢查可能影響冷卻性能的機(jī)架間隙(沒裝擋板的閑置機(jī)架空間、沒裝擋板的空刀片插槽、未封閉的電纜開口)或多余的纜線。在機(jī)架中安裝擋板，實行電纜管理制度。讓設(shè)備底部流出的熱空氣可以通過機(jī)架內(nèi)未被利用的縱向空間回到空氣入口處，使設(shè)備沒有必要升溫。2、啟動冷卻系統(tǒng)維護(hù)制度。應(yīng)該實行定期維護(hù)制度，以達(dá)到冷卻設(shè)備生產(chǎn)商推薦的指導(dǎo)方針。空調(diào)調(diào)試時只重視單機(jī)運行工況調(diào)測，忽視空調(diào)機(jī)組聯(lián)合運行之空調(diào)綜合能效調(diào)測，應(yīng)靜態(tài)模擬終局運行之設(shè)計要求N臺機(jī)組同時運行時每臺機(jī)組送風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、機(jī)外余值、各送風(fēng)口處內(nèi)外靜壓值。3、將高密度機(jī)架分開。如果高密度機(jī)架緊密聚集在一起，則大多數(shù)冷卻系統(tǒng)的冷卻能力都不夠用。建議建設(shè)部門與業(yè)務(wù)部門配合，建設(shè)部門應(yīng)將驗收測試的結(jié)果提交業(yè)務(wù)部門，作為總體指導(dǎo)規(guī)劃各租戶安裝使用區(qū)域，提供差異化服務(wù)(個別耗電量大的通信機(jī)柜應(yīng)優(yōu)先安排在高靜壓區(qū)域以便得到高出平均值的冷量)。4、制定各數(shù)據(jù)中心機(jī)房用戶上架規(guī)范。根據(jù)各數(shù)據(jù)中心機(jī)房的設(shè)計數(shù)據(jù)和后期整改情況，明確規(guī)定各機(jī)房的機(jī)架最大用電量、機(jī)架最多上架服務(wù)器數(shù)量和服務(wù)器安裝間隔等強(qiáng)制性要求，指引業(yè)務(wù)部門發(fā)展用戶和保障整個機(jī)房安全。5、及時封堵地板孔隙、清除地下障礙物并封閉地板間隙、及時開啟對應(yīng)區(qū)域空調(diào)機(jī)組、主動定期測試各機(jī)柜排風(fēng)側(cè)溫度以便進(jìn)行調(diào)整各機(jī)柜送風(fēng)量及內(nèi)向，及時根據(jù)裝拆動態(tài)情況調(diào)整各機(jī)柜進(jìn)風(fēng)量。對現(xiàn)用設(shè)備所做的空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)應(yīng)以總冷量、總送風(fēng)量及溫度數(shù)據(jù)為依據(jù)。6、服務(wù)器的風(fēng)扇盡可能低速轉(zhuǎn)，盡可能讓冷空氣在服務(wù)器待的時間長，提高溫升，溫升若能達(dá)到13℃以上最好。7、建模計算智能散熱系統(tǒng)?；诳照{(diào)工程、計算流體力學(xué)與傳熱學(xué)理論，按照DCTA熱模型的設(shè)計方法，采用相關(guān)專業(yè)軟件如Tileflow和Flovent等軟件經(jīng)過計算，建立起數(shù)據(jù)中心機(jī)房的基本CFD(計算機(jī)流體力學(xué))模型，在激活模型后，根據(jù)數(shù)據(jù)中心不同的布局場景進(jìn)行CFD模型模擬分析，得出不同場景數(shù)據(jù)中心的溫度場分布圖，以及其它相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果，指導(dǎo)機(jī)房整體布局。四、解決散熱難點的方法和策略1、高密度機(jī)柜環(huán)境制冷方法規(guī)模越大、密度越高，冷卻系統(tǒng)越復(fù)雜。表2給出了每種冷卻系統(tǒng)相應(yīng)的解決方法。表2活動地板環(huán)境選擇冷卻系統(tǒng)2、應(yīng)用高密度機(jī)柜和刀片服務(wù)器有六種基本解決方法：(1)分散負(fù)載。將負(fù)載超過平均值的機(jī)柜中的負(fù)載分散到多個機(jī)柜中。(2)基于規(guī)則的散熱能力轉(zhuǎn)借。通過采用一些規(guī)則允許高密度機(jī)柜借用鄰近的利用率不高的冷卻能力。(3)安裝氣流輔助裝置。使用輔助散熱設(shè)備為功率密度超過機(jī)柜設(shè)計平均值的機(jī)柜提供所需的散熱能力。在有足夠平均冷卻能力，但卻存在高密度機(jī)架造成熱點的場合，可以通過采用有風(fēng)扇輔助的設(shè)備來改善機(jī)架內(nèi)的氣流，并可使每一機(jī)架的冷卻能力提高到3kW-8kW。安裝特制的(柵格式)地板磚或風(fēng)扇增強(qiáng)CRAC(計算機(jī)機(jī)房空調(diào))對機(jī)柜的冷空氣供應(yīng)。安裝特制的回流管道或風(fēng)扇從機(jī)柜中排出熱空氣，使機(jī)器排出的熱空氣回流到空調(diào)。(4)安裝自給高密度設(shè)備。在功率密度接近或超過每機(jī)架8kW的場合，需要將冷空氣直接供應(yīng)到機(jī)架的每一層(而不是從頂部或底部)，以便從上到下的溫度保持一致。(5)設(shè)定專門的高密度區(qū)。在房間內(nèi)設(shè)定一個有限的專門的區(qū)域提供強(qiáng)散熱能力，將高密度機(jī)柜限制在這一區(qū)域內(nèi)。(6)全房間制冷。為機(jī)房內(nèi)每個機(jī)柜提供能夠為期望達(dá)到的功率峰值提供電力和散熱的能力。這種解決方案的結(jié)果會造成極大的浪費和極高的成本。此外，每個機(jī)柜的整體機(jī)柜功率密度超過6kW的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行設(shè)計需要極復(fù)雜的