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一、 概述
隨著大量采用的新型高熱密度機(jī)架式服務(wù)器和刀片式服務(wù)器,目前國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的熱密度每年成上升的趨勢,且這種趨勢還在繼續(xù),新型數(shù)據(jù)中心應(yīng)具有“高效、節(jié)能、可管理”的優(yōu)勢。通過很多案例以及儀器(熱成像儀)軟件(CFD)模擬發(fā)現(xiàn),局部熱點的產(chǎn)生主要是因為,管理者沒有對機(jī)房氣流組織進(jìn)行有效的管控,機(jī)房冷熱氣流紊亂產(chǎn)生的。局部熱點的現(xiàn)象,造成IT設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣,損壞設(shè)備,造成經(jīng)濟(jì)損失。可見管控機(jī)房氣流是消除局部熱點的關(guān)鍵所在,所以我們要對機(jī)房氣流組織進(jìn)行研究分析,明確其危害,掌握一些解決辦法以及最佳實踐。達(dá)到改善IT設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境,消除局部熱點的目的。
二、 數(shù)據(jù)中心機(jī)房局部熱點
在鋪有高架地板的數(shù)據(jù)機(jī)房,空調(diào)的冷空氣常透過地板底下的通道送達(dá)至每個機(jī)柜。然而,冷空氣傳達(dá)到遠(yuǎn)程的機(jī)柜時,風(fēng)量已經(jīng)減弱,再加上高架地板下通常也布滿電纜線以及管路,更對冷空氣的傳送增加了阻礙,造成熱點的重大問題,經(jīng)過多個項目的現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn),以及依據(jù)國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及最佳實踐,總結(jié)出產(chǎn)生局部熱點的原因主要有以下6方面:
1) 單個機(jī)柜對應(yīng)的穿孔地板的送風(fēng)量與機(jī)柜內(nèi)IT設(shè)備所需的風(fēng)量不匹配
機(jī)柜內(nèi)沒有安裝設(shè)備,對應(yīng)的穿孔地板風(fēng)閥沒有完全關(guān)閉,或者穿孔地板完全關(guān)閉了也存在漏風(fēng)現(xiàn)象,造成冷風(fēng)量的損失,降低了整體制冷效率;
機(jī)柜內(nèi)安裝了設(shè)備,對應(yīng)的穿孔地板的送風(fēng)量不足,無法滿足設(shè)備的需求風(fēng)量,造成設(shè)備無法吸入有效的冷量,使得設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度升高。
2) 機(jī)柜內(nèi)空閑U位未安裝盲板
機(jī)柜內(nèi)空閑U位是指,機(jī)柜內(nèi)尚未安裝IT設(shè)備的U位,所有U位的空間尺寸相同,均為1U的服務(wù)器的寬*高:48.26cm(19英寸)*4.445cm(1.75 英寸)。機(jī)柜內(nèi)空閑U位未安裝盲板,導(dǎo)致機(jī)柜內(nèi)微環(huán)境氣流紊亂,經(jīng)檢測,IT設(shè)備排出的熱氣流,經(jīng)空閑U位回流至設(shè)備進(jìn)風(fēng)口,致使設(shè)備入口溫度大于機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度,使得設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度升高。
3) 同列相鄰機(jī)柜間空隙
同列相鄰機(jī)柜間空隙是指,兩個機(jī)柜之間尚未布置機(jī)柜的空間或布置機(jī)柜后形成了機(jī)柜間無法再布置機(jī)柜的空間。同列相鄰機(jī)柜間空隙的存在,使得冷熱氣流隔離效果不好,引起冷熱氣流混合的現(xiàn)象,造成冷量的浪費,熱氣流的回流使得機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)溫度升高。
4) 機(jī)柜底部與靜電地板間空間
機(jī)柜底部與靜電地板間空間是指,機(jī)柜支腿與靜電地板間的空間,一般尺寸為0.6m*0.07m。機(jī)柜底部與靜電地板間空間的存在,會出現(xiàn)熱氣流從該空間回流至冷通道的現(xiàn)象,冷熱氣流混合,使得設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度升高。
5) 熱負(fù)荷與投入制冷量的匹配程度
依據(jù)能量守恒定律,產(chǎn)生多少的熱就需要多少的冷來抵消他,若機(jī)房制冷設(shè)備產(chǎn)生的總冷量,低于設(shè)備產(chǎn)生的總熱量,將無法有效的帶走設(shè)備產(chǎn)生的廢熱,出現(xiàn)局部熱點,使得設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度升高。
6) 機(jī)柜孔密度與設(shè)備風(fēng)量的匹配
機(jī)柜孔密度小的機(jī)柜安裝了大出風(fēng)量的設(shè)備,設(shè)備排出的熱氣無法高效的被散出,造成機(jī)柜內(nèi)渦流,致使機(jī)柜內(nèi)壓力高、溫度高。
三、 局部熱點的危害
局部熱點會影響IT設(shè)備的運(yùn)行可靠性,因為依據(jù)ASHRAE 2008 推薦的IT設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度在18-27℃范圍內(nèi)為最佳,通過調(diào)查以及詢問IT設(shè)備廠商,統(tǒng)計出數(shù)據(jù)中心機(jī)房各類IT設(shè)備對環(huán)境的要求(見下圖),均滿足ASHRAE 2008 推薦范圍。目前,服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)溫度過高是目前數(shù)據(jù)中心普遍存在的問題,由于服務(wù)器內(nèi)溫升過高導(dǎo)致服務(wù)器宕機(jī)的例子也不鮮見,有機(jī)構(gòu)對數(shù)據(jù)中心服務(wù)器宕機(jī)的原因做過統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)除了服務(wù)器本身出現(xiàn)故障導(dǎo)致宕機(jī)外,另外兩個最主要的原因分別是環(huán)境溫度過高(占32%)和斷電(占22%)。由此可見局部熱點這是一個普遍問題。所以,當(dāng)有局部熱點現(xiàn)象存在時,會對設(shè)備的運(yùn)行造成影響,過高的進(jìn)風(fēng)溫度使得IT設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境惡劣,設(shè)備電源模塊由于溫度過高容易損毀,也降低了設(shè)備的運(yùn)行可靠性,造成直接的經(jīng)濟(jì)損失。
各類IT設(shè)備對環(huán)境的要求
四、 局部熱點的解決方法
傳統(tǒng)局部熱點的解決方法多數(shù)都是加大整個房間的制冷量,這樣不但能耗加大,而且局部熱點還會時不時出現(xiàn)。另外,還有增加點對點的主動制冷方式,即機(jī)架式精確送風(fēng)空調(diào),但這種方式,投資大,部署周期長,部署也比較空難。中科依據(jù)多年的項目經(jīng)驗,以及國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及最佳實踐,對于局部熱點現(xiàn)象的解決方法主要有以下7方面。
1) 使用Tate DirectPerf導(dǎo)向型通風(fēng)板和手動風(fēng)閥,對冷氣流進(jìn)行導(dǎo)流,使90%的冷量直接吹向設(shè)備,而且安裝方便、簡單,不影響設(shè)備的正常運(yùn)行。
2) 對沒有安裝盲板的空閑U位加裝盲板,阻止氣流的紊亂現(xiàn)象;
3) 封堵同列相鄰機(jī)柜間空隙,有效隔離冷熱通道;
4) 封堵機(jī)柜底部與靜電地板間空間,阻止熱氣流回流的現(xiàn)象。
5) 熱負(fù)荷與投入制冷量的匹配程度,依據(jù)能量守恒定律,空調(diào)實際輸出的制冷量與區(qū)域熱量應(yīng)是守恒的,安全角度考慮要配備一定的制冷余量,以單臺空調(diào)出現(xiàn)散熱失效不影響區(qū)域內(nèi)設(shè)備正常運(yùn)行為準(zhǔn)。
6) 風(fēng)量供給與設(shè)備需求的匹配程度,該指標(biāo)從微觀上講應(yīng)保證機(jī)柜不出現(xiàn)因風(fēng)量不足而引起局部過熱,宏觀上講區(qū)域總供風(fēng)量應(yīng)控制在需求總量的 90% - 110%之間。
7) 匹配調(diào)整穿孔地板開孔率,測量出風(fēng)量,按設(shè)備需求量供給;
五、 成果案例
2014年9月12號博悅能工程有限公司對位于微軟研發(fā)集團(tuán)總部1號樓18層和2號樓15層的兩個機(jī)房進(jìn)行了現(xiàn)場測試。本次測試意在消除機(jī)房局部熱點、節(jié)約成本的目的,通過測量,博悅能公司提出了將現(xiàn)有送風(fēng)口改用Tate DirectPerf導(dǎo)向型通風(fēng)板和手動風(fēng)閥(有實際負(fù)載區(qū)域完全打開風(fēng)閥,沒有實際負(fù)載區(qū)域完全關(guān)閉風(fēng)閥)、機(jī)柜沒有IT設(shè)備的區(qū)域加裝盲板、封堵相鄰機(jī)柜間空隙、封堵機(jī)柜底部與靜電地板間空間等節(jié)能改造措施,不僅可以減少機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的能耗,還能避免局部熱點的現(xiàn)象,消除IT設(shè)備故障隱患。經(jīng)上述改造后,微軟兩個機(jī)房每年共節(jié)省耗電4005072KWH,共節(jié)約電費3204057元,共減少1784180kg的CO2排放量。
1) 使用 Tate DirectPerf導(dǎo)向型通風(fēng)板和手動風(fēng)閥替換普通穿孔地板。風(fēng)口前有運(yùn)行負(fù)載的區(qū)域,按需求量打開風(fēng)閥;風(fēng)口前沒有負(fù)載的區(qū)域,完全關(guān)閉風(fēng)閥,防止漏風(fēng)。經(jīng)測量、分析,對兩種地板的送風(fēng)量、支持負(fù)載功率進(jìn)行分析比較,明顯看出,機(jī)柜前安裝導(dǎo)向型通風(fēng)板后,機(jī)柜獲得的風(fēng)量大,滿足高熱密度機(jī)柜對大風(fēng)量的需求。
2) 機(jī)柜內(nèi)空閑U位加裝盲板,消除氣流紊亂現(xiàn)象,消除局部熱點。下圖是使用盲板封堵空閑U位前后,用熱成像儀拍攝的圖,以及對應(yīng)點溫度的變換情況。
3) 同列相鄰機(jī)柜間空隙進(jìn)行封堵,有效隔離冷熱氣流混合。下圖是相鄰機(jī)柜間空隙進(jìn)行封堵前后,用熱成像儀拍攝的圖,以及對應(yīng)點溫度的變換情況。
4) 機(jī)柜底部與靜電地板間空間進(jìn)行封堵,阻止熱氣流回流的現(xiàn)象。下圖為機(jī)柜底部與靜電地板間空間封堵前后,用熱成像儀拍攝的圖,以及對應(yīng)點溫度的變換情況。
六、 小結(jié)
通過以上論述,了解了熱點的產(chǎn)生、危害以及解決辦法,明確氣流組織的優(yōu)劣直接影響設(shè)備的運(yùn)行可靠性,并對制冷系統(tǒng)能效和費用成本產(chǎn)生直接影響。那么,如何在保持高可靠性的前提下,建設(shè)安全、穩(wěn)定、高效、節(jié)能的數(shù)據(jù)中心,作為管理者我們應(yīng)主動的去研究機(jī)房氣流、管控氣流,為IT設(shè)備營造優(yōu)良、舒適的工作環(huán)境,進(jìn)而提高設(shè)備的工作穩(wěn)定性和使用壽命。