熱管制冷背板系統在數據機房應用的安全性研究

劉 清

（中國移動通信集團山西分公司，山西 太原045000）

1 概 述

近年來，隨著信息技術的飛速發展，數據中心的建設規模進入了快速增長期，平均每年保持20%以上的增長［1］。“云計算”、“云服務”的提出，更是進一步提高了互聯網企業對數據中心的投資力度。“云計算”的提出，刀片服務器的使用，改變了傳統數據中心模式，呈現虛擬化、共享化的特征。數據中心IT設備向著小型化、高發熱密度方向發展，高密度的設備（例如刀片服務器）服務企業數據中心，在未來的年復合增長率將達到7.1%［2］。

“云”會替我們做存儲和計算的工作，刀片式服務器與虛擬化的結合正在迅速發展。而高功率密度機架服務器、刀片服務器等高熱密度設備的應用，造成機房的單個機柜功耗不斷提高，單位面積熱量急劇上升，高發熱密度機房的散熱問題日益突出。

高發熱密度機房最突出的問題是局部熱點，目前解決高發熱密度機房局部熱點問題常用的解決方案有列間空調、吊頂式空調、熱管制冷背板等。列間空調需要改變現有機柜布局，吊頂式空調易產生冷凝水。熱管制冷背板既不需要改變現有機柜的布局情況，也不會產生冷凝水，是解決局部熱點問題的首選解決方案。本文將探討熱管制冷背板系統在數據機房中應用的運行安全性問題。

2 方案介紹

該項目位于中國移動通信集團公司的樞紐樓，機房現有全部空調均全負荷運行，沒有冷量冗余。經現場測定回風溫度，IBM的P系列小型機出風溫度明顯高于其他機組，且超出或接近IBM廠家規定的溫度，已達臨界。局部過熱時間過長，服務器甚至可能會出現宕機，這將會導致計費系統的嚴重事故。

針對上述問題，該項目選取了機房中局部過熱較為嚴重的功率較大的機架使用熱管制冷背板冷卻系統，平均每個機架的發熱量在7 kW左右。熱管制冷背板系統流程圖如圖1所示，熱管制冷背板安裝位置如圖2所示（數字框）。

圖1 熱管制冷背板系統流程圖

圖2 熱管制冷背板安裝位置平面圖（數字框）

3 測試方案介紹

選取10＃機柜做代表性測試，模擬風機故障時機柜溫度的變化。

使用“溫度自記儀”（如圖3所示）測量機柜內不同位置的溫度，找出溫度最高點，即機柜內散熱效果最惡劣的點或者是發熱量最大的點。將“溫度自記儀”測點布置在機柜內溫度最高處。

先后模擬熱管背板上兩個風機上開下關、上關下開、都關、重啟四種情況。機柜內溫度最高點的溫度變化情況。

4 測試結果

4.1 設備正常運行狀態測試

實驗前，10＃機柜兩個風機正常運行下，測試各測點溫度如圖4所示，機柜內溫度最高處位于機柜內排風機的風口處，該處測點的溫度為44.8℃。

圖4 各測點溫度

根據測試的溫度分布情況，取機柜內出風溫度最高處的實時觀察測點，當此測點溫度發生明顯上升時，表明機柜的冷卻效果變差。為保障實驗過程中IT設備的運行不受過多的影響，避免設備發生故障，在實驗過程中，如果機柜內測點的溫度達到48℃，則應立即恢復熱管背板原有的運行狀態，或者立即打開機柜的柜門，恢復機柜的正常散熱狀態。

4.2 關閉熱管背板上的一個風機

10＃機柜關閉一個背板風機時機柜的出風溫度測試結果如表1所示。

表1 10＃機柜關閉一個風機時機柜的出風溫度

可見，當僅有一個背板風機故障時，機柜出風溫度最高點的溫度僅上升0.6～0.7℃，對機房安全影響不大。

兩臺風機其中任何一個發生故障停轉時，對機柜內溫度的影響程度非常接近，說明該熱管背板在設計時，兩個風機是互相備份的冗余設計。

4.3 關閉熱管背板上的兩個風機

同時關閉10＃機柜的兩個風機，以測試當熱管背板的電源被切斷時，機柜內部溫度的變化情況。

當熱管背板兩個風機均關閉時，15 min后測點處的溫度上升到47.6℃，上升約2.2℃，為避免實驗對IT設備的運行帶來影響，此時迅速開啟風機，測點處溫度先上升了約0.5℃，1 h后降低約2.0℃。

也就是說，當兩臺風機均故障無法運轉時，機柜內的溫度不會突然上升，但呈現緩慢上升的趨勢，因此，運維人員在接到熱管背板風機的報警信號后，需要盡快到故障現場采取處理措施。

4.4 關閉所有機柜熱管背板系統的風機

進一步將所有機柜背板的風機關停，以檢驗熱管系統配電柜電源被切斷的情況，觀察其它機柜出風處最高溫度點的溫度變化，如圖5所示，隨著風機關閉，機柜出風溫度升高，不同機柜上升幅度不同，但均在18 min內上升1～2℃。

圖5 關閉所有背板風機時機柜出風溫度變化（以8＃、12＃、13＃為例）

4.5 小結

通過以上測試，表明本項目的熱管背板系統具有較高的安全性：

（1）熱管背板的風機采用了冗余設計，當其中一個風機發生故障停轉時，對機柜的散熱效果影響很小，僅有0.6～0.7℃，可忽略不計。

（2）當單個機柜上的熱管背板的風機全部關停時（即單個熱管背板掉電時），機柜的溫度不會發生突變，在15 min后，機柜的最高溫度點的溫度會逐漸上升1～3℃。

熱管背板的風機都關停后，機柜內的熱空調需要在IT設備自帶風機的推動力下，穿越熱管背板，排放至機房的環境中，此時，熱管背板的風阻越小，機柜內的熱空氣越容易穿過熱管背板，機柜內的溫度上升就越慢。

（3）當整個熱管背板系統的風機全部關停時（即熱管背板系統掉電時），各機柜內的溫度變化與單個機柜的熱管背板風機關停時的變化情況相同，在18 min內上升1～3℃。

5 結 論

本文以中國移動某典型數據機房應用項目為例，討論熱管制冷背板冷卻技術在數據機房應用的安全性。

5.1 實驗結論

在實驗中分別模擬了：熱管背板上的一個風機停轉時，對機柜柜內散熱環境的影響；熱管背板的兩個風機都停轉時，對機柜柜內散熱環境的影響；熱管背板系統的所有風機均停轉時，對機柜內散熱環境的影響。結論如下：

（1）當一個熱管背板僅有一個風機停轉（模擬“熱管背板的單個風機發生故障”），其他風機均正常運行時，機柜出風溫度最高點的溫度僅上升0.6～0.7℃，對機柜柜內的散熱環境影響較小。

（2）當一個熱管背板上的所有風機均停轉時（模擬“一個熱管背板的供電電源被切斷”），15 min后測點處的溫度上升約2.2℃。雖然在一個背板上的所有風機停轉時，機柜內溫度上升的趨勢較為緩慢，但為了保證IT設備的正常運行，運維人員需要在接到熱管背板系統的報警信號后，及時到故障現場處理。

（3）當熱管背板系統的所有風機停轉（模擬“熱管背板系統配電單元的供電被切斷”），機柜內溫度升高，在18 min內上升1～3℃。

經過試驗測試，本案例中的熱管背板系統的安全性能良好，是數據機房消除局部熱點的較好的解決方案。

5.2 熱管背板系統“安全性”的基本設計要求

數據機房對設備的安全性等級要求較高，每一項應用于數據機房的技術都應該經過嚴格的安全性檢驗。

根據實驗結果，為使熱管制冷背板系統在數據機房的應用中具有良好的安全性，需要對熱管背板系統的設計作如下要求：

（1）對于7 kW的熱管背板產品需要自帶風機；

（2）熱管背板產品的風機需要考慮冗余設計，至少為N＋1冗余，即其中1個風機停轉時，其他風機的風量必須能夠滿足機柜冷卻的循環風量要求；

（3）熱管背板設計時，風阻應該盡量減小，熱管背板的風阻越小，在熱管背板風機全部停轉時，機柜內部的溫度上升趨勢越緩慢，熱管背板的安全性越高；

（4）熱管背板系統必須具備高溫報警、風機故障報警功能，以便系統發生故障時，運維人員能夠及時到達現場進行處理。

［1］全球數據中心市場現狀與趨勢［EB／OL］.http：／／www.hyqb.sh.cn／tabid.

［2］中國數據中心建設市場保持穩定增長——能耗和IT資源管理成為用戶最關心的問題［J］.辦公自動化，2010，（11）：09.