冷通道隔離在改善數據中心機房局部熱點中的應用研究

葉寧

摘 要：隨著社會經濟和科學技術的發展，數據中心的功耗也是與日俱增。調查顯示，空調系統的用電量已占到機房電量總支出的一半以上，可見機房空調及其送風系統的研究優化已迫在眉睫。本文結合過往經驗，對于冷通道隔離在改善數據中心機房局部熱點中的應用進行研究和分析，以供參考。

關鍵詞：冷通道;機房溫度;研究分析

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）18-0066-02

因為it設備的特殊性，因此維持數據中心機房內的溫度十分重要，雖然近年來在不斷研究數據中心機房的降溫措施，但局部熱點的問題仍然存在，若長久得不到解決勢必會造成安全隱患。機房安全可靠所要達到的目標是將機房因局部熱點而導致的設備損壞率降低至零故障率。高效節能是在取得安全可靠目標的同時，使制冷系統更佳高效運行，能耗成本降低，降低PUE指標。很多數據中心機房內局部區域設備安裝量已突破了原設計水平，機房內局部區域熱點與冷點頻現，熱點多造成機房存在較大的安全隱患，冷點會導致高耗能，尤其在夏季高溫環境條件下，機房運行狀況面臨著極大的考驗。文章以上海某中心機房為例，經過實地調查后使用cfd 6sigma軟件參照該機房進行三維數據模型的構建，通過該數據模型模擬出機房內溫度及氣流的分布情況，并找出溫度較高的區域。將模擬出的結果與實地調查的數據進行對比，發現并無較大差別。然后在該三維數據模型上進行機房內部的冷熱通道隔離模擬，研究冷熱通道隔離對于改善數據中心機房內部熱點以及功耗的問題，并將研究結果付諸行動。

1 溫度對數據中心機房的影響

機房的作用在于安裝和保護it設備。it設備是由半導體組件、各種元器件和晶體管組成，其本身非常脆弱，對于溫度的變化也非常敏感，溫度過高或過低都有可能對設備中的零件造成損壞，因此一定要保證it設備運行環境的穩定。根據目前國內控制數據中心機房溫度的手段來看，空氣調節是最常用的一種，為了保證機房里的設備正常運行，對于溫度的要求是有明確規定的。

數據中心機房設計標準按照機房功能性的不同都有對應的級別，從高到低按照a、b、c排列，在機房系統正常運行的情況下，a級機房23±1℃，b級機房23±1℃，c級18-28℃。

溫度是保障機器能夠穩定運行的基本條件之一，溫度過高或過低對于it設備性能影響非常大，比如電腦主機的硬盤，溫度一旦超過60℃會導致電腦不斷藍屏死機，cpu等其它零件同樣如此，由此可見一定要確保it設備的運行溫度。當數據及房中的溫度超過規定范圍10℃左右時，會使設備的性能下降至原來的四分之三左右，隨時會引起系統癱瘓，造成不必要的損失。因此將環境溫度保持在一定范圍內就顯得很重要。夏季時應將溫度控制在規定范圍的偏上限，冬季反之即可[1]。

2 冷通道隔離在改善數據中心機房局部熱點中的應用研究

隨著社會經濟和科學技術的不斷發展，我國數據中心機房的數量也是直線上升，在實際使用中根據機房功率的不同可以將機房分為大、中、小三類。其中中小型數據機房的數量最多，達到80%以上，但大多數因成本及空間限制，其設計方式仍然比較傳統，與大型數據機房相比在綠色節能方面略顯不足，因此，以中小型數據機房作為研究對象，對綠色節能方面進行優化和改善，更能突出問題的重點，也方便針對問題進行分析和研究。

2.1 項目概況

該數據中心機房級別為中小型，長寬高分別為17m、14.2m、3.44m，面積約240m2，使用cfd 6sigma軟件根據該數據中心的實際情況構建機房對應的數據模型，機房內部主要由空調、機柜高架地板、配電柜、服務器等幾個部分組成，根據模型顯示，機房中配有5臺p2070機型的精密空調為機房提供制冷，該類型的精密空調是當前數據中心機房制冷的主流空調之一。

空調的送風方式仍然比較傳統，采用的是下送風上回風的方式。機房內有84臺機柜，每兩臺機柜為一組，采取背對背的形式進行排列，7組為一列，共6列，這種排列方式也是國內數據中心機房常見的機柜排列方式。根據這種排列形式形成的冷熱通道，能夠有效控制數據中心機房內的冷熱氣流混合程度，避免對制冷效果造成影響。機房內的所有機柜同時運行的平均功率約為3.4kw，也是比較常見的一個功率配置。

2.2 室內負荷和配置

根據該數據中心機房的配置，可以計算出室內的總負荷。計算方式如下：

該中小型數據中心機房內有84臺機柜，每臺機柜按平均3.4kw額定功率計算，則IT設備總負荷為84*3.4=286kw，根據同時使用系數、利用系數以及負荷工作均勻系數這三者功耗轉化為熱能的計算方式，取值0.8，則it設備的總負荷為286*0.8=229kw。機房內圍護結構和照明熱負荷根據現場實際估算按每平米120w計，則機房環境熱負荷240*0.12=29kw。（關于環境負荷：數據中心機房一般是沒有窗戶的，即使有窗戶也是雙面玻璃并且無法打開的“死窗戶”，太陽照射對機房的溫度影響幾乎可以忽略不計。也可按下述公式計算：建筑維護結構的總負荷=維護結構的導熱系數*維護結構面積*機房內溫度與機房外溫度平均差值）。

通過對室內負荷和環境負荷兩部分數值的計算，可以得到機房所需要的總冷負荷為229+29=258kw[2]。按8+1冗余方式，即精密空調臺數≦8臺，按1臺冗余，機房配置精密空調p2070機組共5臺，4用1備，單臺冷量66.9kw。

2.3 數據中心機房局部熱點模擬

6sigmadc軟件是專門用來模擬數據中心機房內氣流的，在設備的熱負載模擬方面，數據都來自于機房實測，因此結果的是準確可靠的。使用使用cfd 6sigma軟件進行三維數據模型的建立，根據機房實際情況布置好各項設備，力求最大程度還原機房實景。三維數據模型建立成功后，利用軟件自帶的求解器根據機房情況進行相關參數的求解。根據求解結果顯示，模型模擬出機房內5臺空調的送風溫度和回風溫度分別位于13-15℃以及21-24℃之間，與實際測量結果對照后發現誤差控制在6%以內，屬于可接受范圍，接近機房實際工作中的溫度。由于機房內部it設備的分布問題，會導致不同地方的溫度會有差別。根據建模結果顯示，不同高度的氣流形式與流向不同，溫度分布也不均勻，給散熱帶來了一定的困難。超過24℃的區域主要集中在機房熱通道當中，熱空氣并未進行擴散。冷通道中的溫度分布較為均勻，主要集中在13℃左右，整體上來看散熱情況還可以接受。

溫度場的分布情況會隨著高度的改變而改變，在1.9m左右的空氣中熱氣流開始擴散，并向機房底部遠離空調的一側延伸，對該區域內的冷氣流進行同化，導致溫度較高的區域不斷擴大。在機柜中it設備并未放滿的區域，因為機柜頂部還有散熱空間，因此溫度不像it設備密集區那樣高。根據出風溫度的增加以及熱點出現的位置可判斷出兩側冷通道中氣流的變化，即隨著高度與柜內的冷量成反比，高度越高，冷量越少，因此在冷熱空氣的交界處柜機的散熱會受到影響。部分服務器機柜的功率比較高，因此對冷風的需求也就更多。通過對數據模型中溫度場的分析發現主要存在以下幾點問題，首先，負荷較大的機柜分布不合理，影響機柜散熱;其次，冷熱通道中的氣流會混合，產生局部熱點;最后，空調的分布位置也不妥當，不利于氣流循環[3]。

3 冷通道隔離在改善數據中心機房局部熱點中的應用

機房內氣流遏制系統的是根據冷熱空氣分離后會有序流動的原理進行工作的。冷熱通道隔離后冷空氣經冷通道進入房間，需要降溫的設備將冷空氣吸入，冷空氣在設備內流轉進行降溫，然后通過設備后端的專用連接管流至熱通道，返回到空調回風口。熱回風與冷量完全隔離。封閉冷通道可最大程度地利用空調送出的冷量和風量，提高內部的冷氣利用率，能夠有效降低房間內的溫度并防止熱點出現，達到降耗節能的目的。

3.1 機房冷熱通道隔離前后的對比

冷熱氣流混合和空調位置安放不合理會導致機房內部出現溫度分布不均勻以及局部熱點的現象。因此需要把機房內的冷熱通道進行隔離，合理安排精密空調在機房內的布局和服務器機柜內發熱設備的布局，保證冷通道內的冷氣流不會受到熱氣流以及其它因素的干擾，提高空調的制冷效率。

冷通道與熱通道隔離的方法可以將空調送出的冷風最大作用于it設備降溫，將制冷效率發揮到最大。因為通道的隔離材料通常使用的是透明玻璃或者透光性較好的pc板，這樣就保證了冷熱通道隔離后通道內的亮度，符合相關規定。冷熱通道隔離后可以提高空調的送風溫度，根據模型顯示通道隔離前后溫度變化較大。在冷熱通道隔離后，冷熱氣流的混合導致溫度升高的問題明顯得到改善，嘗試將空調的送風溫度從13℃調到14℃，依然能夠控制機房內的溫度，并且局部熱點問題也得到了相應的緩解。同時熱氣流的溫度也比隔離前更低，說明空調的制冷效果已充分應用于it設備的降溫，不再受到冷熱氣流混合的干擾。冷熱通道隔離后冷空氣不會擴散到其它地方，導致機房內部的整體溫度從隔離前的21.3℃增加至23.7℃，雖然溫度有所上升，但仍在機房運行環境規定之內，不會對機房的正常運行造成影響。

3.2 數據中心機房內氣流組織分布優化仿真對比

在對數據中心機房的氣流組織分布進行優化后，從模型中可以明確觀察到機房左側的氣流有了一定的加強，使氣流整體的穩定性得到提升，不會再受到冷熱氣流混合的影響。冷熱通道隔離后機柜內的降溫效果明顯，熱氣流溫度也得到了降低，達到了改進的目的。在熱氣流合并的基礎上可以發現氣流組織得到了明顯的優化，優化前機房內氣流流向毫無規律，尤其在空調附近更加明顯，導致該區域內的冷氣并未參與制冷，冷空氣因氣流流向影響直接流到了回風口，導致回風溫度降低，影響到空調的制冷效率;優化后氣流流向比較穩定，分布也比較均勻，避免了冷量的浪費，提高了冷風的利用率[4]。

4 結語

文章以國內數量最多的中小型數據中心機房為研究對象，使用cfd 6sigma軟件構建三維數據模型，通過模型對機房內部的氣流組織與溫度場進行模擬試驗，找出機房內部存在的問題。再通過數據模型進行模擬調整，改善機房內局部熱點的問題，模擬結果表明冷熱通道隔離前后機房內部熱點變化較為明顯，因此，冷熱通道隔離技術值得推廣和應用。

參考文獻

[1] 張林鋒，歐陽述嘉，胡宇昭，等.數據中心機房冷通道封閉對機房氣流組織及能效的影響研究[J].電力信息與通信技術，2018，16（5）：63-67.

[2] 原世杰，謝靜.數據中心機房不同封閉方案的熱環境仿真模擬與分析[J].電信技術，2017（8）：98-100.

[3] 翟麗娜.數據中心封閉通道方案分析[J].通訊世界，2018，No.335（4）：22-23.

[4] 許泉明.送風控制在冷通道封閉數據中心中的應用[J].暖通空調，2018，48（10）：68-70.