详述数据中心内部通风的几种形态,数据中心空

日期:2019-10-25编辑作者:澳门金莎娱乐手机版

目前影响机房部分温度过高的原因是:气流组织不合理;机房内部的气流分部混乱,不能形成空气有序的循环;局部风量分配不足。为解决这些问题,必须重新组织气流结构,使其有效对流,带走热量。采用管道精确送风,存在机柜间距离过小,正常管道影响布线及维护工作,管道过细不好风阻过大,达不到精确送风效果。

数据中心机房内部设备密集,运转起来所有设备都产生热量,发热量还大,这时必须要进行通风降温,尽可能给设备提供一个恒温恒湿的运行环境。其实,数据中心里的很多设备都是很娇贵的,工作温度范围很窄,一般在20~45摄氏度之间,而且温度频繁变化对设备运行寿命也有影响,那些动辄上百万的设备,如果用一两年就坏掉,对数据中心来说损失不小,延长设备使用寿命,本身就可以给数据中心节省成本。运行中的设备不断产生热量,并且随着业务量大小的变化,散热量也在变化之中,这就需要有合理的气流组织分配和分布,有效移除这些设备产生的热量,确保机房内保持恒温恒湿的环境。

一、数据中心空调系统的发展历程

数据中心内设备众多,内部虽然有完善的空调系统,但实际上内部温度分布是不够均衡的。即便现在的数据中心部署了出入通风道,机柜前面是入风道,后面是出风道,这样可以及时将热量带走。不过,由于不同的设备发热功率是不同的,局部区域若放置有大功率设备,容易造成机房局部区域过热现象,威胁数据中心的安全运行,甚至造成个别设备因过热而宕机、硬件损坏等严重问题,所以将数据中心机房内的温度控制在一定范围内,消除或降低局部热点是非常重要的。为保证数据中心长期稳定运行,改善IT设备的运行环境,消除局部热点、降低机柜局部温度,下面我们就来探讨一下数据中心局部热点处理的一些方案。

一、机房现存在的问题

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随着数据中心行业的不断发展,与之配套的数据中心空调技术也在迅速发展,其发展大致可分为以下三个时期:

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机房现状:通化移动生产五楼交换机房安装了五台精密空调分别是:9AU16一台、9AU22两台、M40一台、M60一台,送风方式均为上送风,目前采用风帽直吹式送风。

保持机房内环境的恒温恒湿离不开空调,当然那些处于特定物理环境的除外,这些数据中心利用自然条件进行自然散热,绝大部分的数据中心都是需要利用空调来保持恒温恒湿环境。我们在家里使用空调不难发现,虽然一个屋子里随着空调的开启,慢慢整体变得凉快起来了,但站在空调的出风口处,还是能感到比其它地方要凉,其实空气温度传导速度是比较慢的,所以在屋子里面,部分位置的温度会有差别。数据中心的机房面积可比家里大得多,这时在机房里简单地放置几台空调是无法满足的,必须要进行通风系统设计,设计通风通道。让机房内的冷热空气有序循环起来,这样才能达到恒温恒湿的目的,也使得机房内的热交换效果最高,节约数据中心能耗,要知道数据中心的能耗中,空调部分一般就占了三分之一,那让我们看看数据中心内部有哪些通风方式。数据中心机房内部,按照送、回风口布置位置和形式的不同,可以有各种各样的通风形式,大致可以归纳为以下五种:上送下回、侧送侧回、中送上下回、上送上回及下送上回。

1. 早期数据中心空调系统(1950-1970年)

一、现状调查

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上送下回指的是冷气从机房上面注入,热气从下面地板带走,这种方式在日常的办公写字楼都是这种。屋顶有多个进风口,不断将冷空气注入,给室内降温,不过办公室的地板下一般不会有通风口,所以热风还是要通过空调带走。在数据中心机房内,地板都是由很多块孔板组成的,方便将热量从地板带走。这种方式送风经过顶棚上的空调风口往下送冷空气,至室内先与机房内的空气混合,通过设备自带的风机,再进入需送风冷却的设备。不过我们知道这样一个常识,就是空气随着温度的升高而密度会变小,这样热空气会变轻,热空气会慢慢向上聚积而不是向下,这样热空气不容易从下部出去,影响散热效果。所以这种方式,要想达到散热效果,必须要加大上面送入冷空气的力度,从而使得能源消耗较大。因此上送下回方式适宜在机房面积不大于100m2,散热量较小的中小型数据中心使用,在大型的数据中心机房,效果并不理想。

前期的机房是为某台计算机(大、中、小型机)专门建设的,并没有统一的标准,完全是在摸索建设的。由于没有专门的机房专用空调设备,这是机房的空调采用普通民用空调或者利用大楼空调系统集中供冷的舒适性空调设备,然而,舒适性空调是针对人所需求的环境条件设计的,并非为了处理数据机房的热负荷集中和热负荷组成,只有降温功能,没有精密的温度控制,没有湿度控制功能,没有严格的除尘措施,也没有测试指标。在机房内使用舒适性空调时遇到如下问题:

数据中心产生局部热点的原因主要有以下7个方面:

图1现实机房平面示意图

侧送侧回的冷气是通过机房的侧墙上横向送入,气流吹对面墙上转折下落到机柜区以较低速度流过机柜,再由布置在同侧的回风口送出。根据机房内部两侧墙面跨度大小,可以布置成单侧回和双侧送双侧回。由于送风射流在到达机柜之前,已与房间空气进行了比较充分的混合,速度场与温度场都趋于均匀和稳定,能保证机柜气流速度和温度的均匀性。侧送侧回方式,随着距离送风墙越远,风力越小,甚至如果两侧墙距离很远,距离送风墙远的地方甚至没有冷风,这样局部降温效果会很差。侧送侧回会使距离送风墙近的地方效果很好,随着距离的拉开,效果不断降低,为了维持降温效果,就要加大送风风力,所以这种方式能耗也不低,如果机房两侧距离过远,不宜采用这种方式,一般在普通建筑中侧送侧回用得较多。

  • 舒适性空调无法保持机房温度恒定,可能会导致电子元器件的寿命大大降低。
  • 无法保持机房温度均匀,局部环境容易过热,从而导致机房电子设备突然关机。
  • 无法控制机房湿度,机房湿度过高,会导致产生凝结水,可能造成微电路局部短路;机房湿度过低,会产生有破坏性的静电,导致设备运行失常。
  • 风量不足和过滤效果差、机房洁净度不够,会产生灰尘的枳聚而造成电子设备散热困难,容易过热和腐蚀。
  • 舒适性空调的设计选材可靠性差,从而造成空调维护量大,寿命短。

1.单个机柜对应的穿孔地板的送风量与机柜内IT设备所需的风量不匹配造成机柜内温度升高。

因机房内留有余地,便于以后增加机柜设备,但由于机房设备的扩充,机柜的体积大小不一,布局不够均匀,其中有部分机柜的间距过大或过小,造成冷风送不进去的现象,阻挡了空气的对流。

下送上回的冷气通过在活动地板上装设的送风口进入机房或机柜内,回风通过机房顶棚上装设的风口回至空调装置。下送风机房活动地板的空调送风风口一般布置在机柜近侧或机柜底部,冷却空气从设在机柜近侧或机柜底部的活动地板风口送出,送出的低温空气只在瞬间与机房内的热空气混合,即刻从机柜的进风口进入机柜,有效地提高了送入机柜冷却空气的质量,用较少的风量,提高了机柜的冷却效果。下送上回方式,活动地板下用作送风静压箱,当机房内的设备进行增减或更新时,可方便地调动或新增地板送风口及机柜接线口的位置及数量,机房顶部留有的空间既可用作回风静压箱,又可敷设各种管线。从制冷效果和效率来看,下送风方式优于其它送风方式,所以在机房条件允许的前提下,可以确定以下送风为主,上送风为辅的设计方式。实际上,在如今的数据中心机房,下送上回已经成为了实践中的默认标准。下送上回方式的优点很多:地板下送风与走线架上走线方式,兼顾了地板高效制冷与送风、安静整洁、走线架易于电缆扩容与维护等两方面优点,下送上回制冷效率较高、安装简单、安装整洁等。下送上回已经成为数据中心制冷中机房送风方式的最佳方式之一,在金融信息中心、企业数据中心、运营商IDC等各行各业的数据中心中都有广泛使用,成为新一代数据中心通风方式的标准使用方式。不过有一点要注意下,有的数据中心采用地板下方作为电缆走线空间,使用中容易出现的问题是,地板下走线拥堵,送风不畅导致空调耗能增加。

2. 发展数据中心空调系统(1970-2000年)

2.机柜内空闲U位空隙造成机柜内温度升高。

机房装机密集、走线架多、空气流通性差,局部设备散热分布不均匀,在机房专用空调配置较合理的情况下,仍存在局部高温报警现象。由于空调采用直吹式送风,风送的不远,产生局布温度过热,并加之机柜发热量过大,从而使整个机房的温度过高。

中送上下回和上送上回方式也是可以采用的通风方式,实际数据中心里使用较少,在此不再详述,实质上就是机房内部空气流动的方向差异而已。

出现了专门为当个计算机系统设计的机房,有了专用的机柜(大、中、小机柜),并且开始逐步制订标准,包括机房选址、面积等。机房制冷也从普通的民用舒适性空调机和集中冷却,开始转向采用恒温恒湿的机房专用精密空调机,机房除尘方面采用新风系统和机房正压除尘,从而实现数据中心保持适度恒定,良好的空气洁净度、具备远程监控等要求。

3.同列相邻机柜间空隙造成机柜内温度升高。

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机房专用精密空调在设计上与传统的舒适性空调有着很大的区别,表现在以下几个方面:

4.机柜底部与静电地板间空间造成机柜内温度升高。

图2现实气流示意图

  • 大风量、小焓差
  • 全年制冷运行
  • 恒温恒湿控制
  • 送风方式多样
  • 可靠性高

5.热负荷与投入制冷量的匹配不当造成机柜内温度升高。

综上所述,目前影响部分温度过高的原因是:气流组织不合理;机房内部的气流分部混乱,不能形成空气有序的循环;局部风量分配不足。为解决这些问题,必须重新组织气流结构,使其有效对流,带走热量。采用管道精确送风,存在机柜间距离过小,正常管道影响布线及维护工作,管道过细不好风阻过大,达不到精确送风效果。

3. 创新期数据中心空调系统(2000年-至今)

6.机柜孔密度与设备风量的匹配造成机柜内温度升高。

注:1)红色机柜为高发热量机柜,2)北侧10扇窗户,3)南例8扇窗户1扇阳台门。

随着互联网的发展,信息化的来临,对数据中心的需求也逐渐增大;数据中心也逐渐进入到各个行业,大家对数据中心的理解和要求也出现了不同之处;一般企业认为数据中心是成本中心,数据中心租赁企业认为数据中心是利润中心,金融行业对数据中心可靠性要求严格,制造业数据中心对易用性和成本提出很高要求。多种不同的需求促进数据中心行业的迅速发展和创新方案的产生。

7.数据中心设备随着使用时间的延长,机柜内一些老旧设备发热设备自身产生的热风无法高效的被排出,造成机柜内涡流,致使机柜内压力高、温度高,形成局部高热。而局部热点的现象容易造成机柜内的设备运行环境恶劣,发生设备损坏等问题,进而造成经济损失。

...

如送风方式的创新,从下送风到靠近电源的列间空调设备;冷源的创新,自然冷源的应用逐渐走向普及;建设模式的创新,模块化的方案;工业化的创新,大型数据中心引入工业化的建设理念;各种空调设备的创新,目前设备的能效、性能、控制等和十年前不可同日而语。

二、可行性分析

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在机房中我们选取设备出风口方位作为机柜平均温度观察对象,实测机柜温度为43.8度:业内标准为:35度+5度或35度-5度范围

二、数据中心空调系统的发展趋势

这个机柜温度达到了43.8度,超过标准温度最高值3.8度。

为了保障数据中心空调系统的高可用性,在空调系统设计中,可用性、绿色节能、动态冷却则是未来的发展趋势。

现在针对此现象,我们对降低机柜温度的可行性进行了研究:

1. 可用性

开孔地板手动风阀-可行(预计改善2度)

数据中心对可用性的要求远远高于普通的商业楼宇,空调系统同样如此;目前对可用性的要求一般分为A级和B级,需要空调系统有冗余设计,出现故障要有应急方案;传统的分散式空调系统可用性比较高,设置冗余后,单台机组不会影响数据中心的正常运行;大型数据中心应用的集中冷源系统,对可用性带来更多的挑战,多个节点需要设计能备份的冗余方案。

加盲板-可行(预计改善2度)

2. 绿色节能

加屏风-可行(预计改善2度)

随着绿色数据中心概念的深入人心,建设具备节能环保特点的绿色数据中心已经成为数据中心建设和使用以及设备供应商的共识;在低碳化潮流下,数据中心急需有所作为;制冷系统是数据中心的耗电大户,约占整个系统能耗的30%-45%,制冷系统的节能受到了前所未有的关注。优化送风方式、冷热通道布局、冷热通道隔离、智能群控、利用室外自然冷源等方案已经呈现出百花齐放的现象;还有数据中心采用了热回收装置产生热水,作为生活、洗澡、游泳池等用途,降低整个系统的碳消耗。

加围挡-可行(预计改善2度)

在温湿度设定方面,ASHRAE在2011版本中推荐的温度范围为18℃-27℃,推荐的湿度范围为大于5.5℃的露点温度的相对湿度,即小于60%的相对湿度和15℃的露点温度;放宽的要求在保证机房设备正常运行的同时,可以减少机房制冷、加热、加湿、除湿的耗能,降低机房空调系统的能耗并提高能耗。

加冷量-可行(预计改造4度)

在节能机房空调设备方面,变容量压缩机、高效EC风机、节能智能控制、利用自然冷源等技术的应用使得机房空调机组的能效和适应性越来越强。

开门孔-可行(预计改善2度)

对于水的关注也逐步进入了大家的视野,WUE,水的消耗和循环水应用,雨水的应用也在数据中心的设计中得到重视。

加风机-可行(预计改善4度)

3. 动态化

三、 解决方案

在新型数据中心的建设和应用中心,“按需制冷”或者“动态制冷”也成为数据中心冷却方案中一项很重要的评价标准。所谓“按需制冷”指的是数据中心空调的冷量输出是伴随着IT热负荷的变化而变化,是一个动态的、可调节的输出;随数据中心发热密度的不断增大,数据中心空调出来提供稳定、可靠、绿色的冷却的同时,如何防止出现局部热点也成为冷却方案需要重点考虑的需求之一。

传统局部热点的解决方案多数都是加大整个房间的制冷量,这样不但能耗加大,而且局部热点还会时不时出现。另外,还有增加点对点的主动制冷方式,即机架式精确送风空调,但这种方式,投资大,部署周期长,部署也比较困难。依据多年的经验,以及国内外相关标准及最佳实践,对于局部热点现象的解决方案主要有以下7方面。

数据中虚拟化的发展使得服务器等设备的发热量会有更大波动,包括不同时间以及不同空间的变化;机房内不同的IT设备所需的冷却温度是不同的,甚至不同年代的同类型设备所需的冷却温度也不同;这就相应地要求制冷系统适应这种趋势,要能提供动态的制冷方案,满足不同时间不同空间的需求;因此,动态制冷更能适应虚拟化需求。

1.使用导向型通风板和手动风阀,对冷气流进行导流,使90%的冷量直接吹向设备,而且安装方便、简单,不影响设备的正常运行。

目前,动态制冷主要应用的技术有风量智能调节技术(温度控制或静压控制),变容量压缩机技术,智能控制系统等;采用动态智能制冷技术就是为了区别对待数据中心机房不同设备的冷却需要;动态智能冷却技术通过建置多个传感器群组的感应器来监控温度根据散热需求针对性地动态供应冷却气流,其风量大小可以根据需要随时调节,从而达到节能目的。

2.封堵没有设备的空闲U位,阻止气流的紊乱现象;

冷源的利用率的提升也是提高数据中心冷却效率的另外一个重要途径,并被业界所重视;在气流组织优化方面,从最初的大空间自然送风方式,逐渐升级到如地板送风、风道送风等一些粗放型的有组织送风方式,再到当前的机柜送风或者封闭通道冷却方式的运行,甚至有了更前沿的针对机柜、芯片、散热元件的定点冷却方式的应用。

3.封堵同列相邻机柜间空隙

4. 高密度

4.封堵机柜底部与静电地板间空间,阻止热气流回流的现象。

随着数据中心单位用电量不断增加,机房的发热量越来越高,而高功率密度机架服务器、刀片服务器等高密度设备的应用,造成机房的单个机柜功率不断提高,单位面积热量急剧上升,因此高密度的机房一些问题逐渐涌现出来。

5.热负荷与投入制冷量的匹配程度,依据能量守恒定律,空调实际输出的制冷量与区域热量应是守恒的,安全角度考虑要配备一定的制冷余量,以单台空调出现散热失效不影响区域内设备正常运行为准。

经过大量的实验验证发现,当单个机柜(服务器)的热负荷过高时,如果还是采用传统方式的机房专用空调来解决,就会造成以下问题:

6.风量供给与设备需求的匹配程度,该指标从微观上讲应保证机柜不出现因风量不足而引起局部过热,宏观上讲区域总供风量应控制在需求总量的 90% - 110%之间。并匹配调整穿孔地板开孔率,测量出风量,按设备需求量供给。

  • 机房环境温度控制得不理想,会有局部“热点”存在;
  • 由于设备需要通过大量的循环风来带走如此多的热量,采用传统的机房空调系统会占用大量的机房空间;上送风机组需要采用风管的截面积尺寸非常巨大,下送风机组的架空地板的高度需要提高很对,会造成很对已经运行的机房将无法继续使用。

7.通过加装散热单元,增加风的流速和流量;

因此,机房空调制冷系统也必须做出相应的改进;高热密度制冷系统在解决机房内局部过热方面,成为机房制冷系统的重要组成部分。目前,高密度制冷方面,应用较成熟的技术主要有封闭冷热通道、列间制冷,而背板冷却、芯片冷却等新技术则是未来发展方向。

通过对局部环境的改善、提升,数据中心的局部热点现象已明显减少,但由于自身排风不畅导致的局部热点现象仍然存在,还需要进一步的探索。

更有甚者,在部分高热流密度应用中,放弃了传统的对流散热方式而采用导热散热方式,比如微通道冷却技术,冷板(Clod Plate)散热技术的应用等等。

四、定制化风机的测试

综合来看,与Free-Cooling应用、精确送风、定点冷却这些元素相关的应用成为当前数据中心冷却技术的热点及发展方向。

与厂家合作,研发定制版散热风机,达到增加机柜进、出口风的流速和流量,解决机柜内部的局部过热问题,进而平衡机房内冷热气流。通过加装散热风机,增加风的流速和流量,解决机柜内部的局部过热问题。

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具体测试

数据中心为无尘机房、环境比较理想,没有粉尘、油雾、水汽等影响柜内的各元器件正常工作的,本测试采用进气口安装风扇,出气口安装风扇分别测试。

机箱机柜散热风扇的选型根据柜内温度与环境温度的差值以及柜内热损耗在风扇的特性选取。本次测试风扇设备为直流48V/1.5A及交流1.5W两款风扇。

冷风通道温度机柜温度

交流风机直流风机未安装风扇设备温度17.1摄氏度43.8摄氏度进风口安装17.1摄氏度42摄氏度出风口安装17.1摄氏度41摄氏度32.9摄氏度

结论

出风口安装直流风机机柜温度下降达到10.9摄氏度。

五、效果对比

安装风机前后机柜热成像对比:

为了进一步降低和消除数据中心机房的局部热点,完善机房管理,我们采取了以下措施:1、统计数据中心所有机柜局部热点的存在情况。2、针对局部热点机柜存在的排风不畅缺陷,进行加装散热风机。3、制定观察计划,定期查看机柜现状。

总结

消除和降低数据中心的局部热点,不仅可以保障设备的安全稳定运行,也可以构建健康绿色的数据中心。无论采用哪种方案,都需要结合自身的数据中心实际情况进行分析,通过部署实施这些解决局部高热的方案,为建设一个安全、稳定、高效、节能的数据中心提供有力保障。

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