采用新型局部擋板結構的數據中心熱性能優化辦法

黃渤

（中海油信息科技有限公司，廣東 深圳 518067）

數據中心的能耗由IT設備能耗、冷卻系統能耗、電源和照明能耗構成。冷卻系統的能耗約占總能耗的40%，是數據中心的主要能耗來源之一。由于數據中心IT設備散熱量大，并且要求冷卻系統不間斷運行，所以，空調系統面臨著嚴峻的挑戰，不僅要滿足數據中心的可靠性要求，而且要達到節能的目的。氣流組織對數據中心的熱性能影響很大，與冷卻系統的能耗有著密切的關系。當采用良好的空氣分配方案時，可以有效消除過熱和過冷現象，優化冷通道氣流的均勻性被認為是改善空氣分布和熱性能的有效解決方案。本文提出了一種新的局部擋板結構，并對一系列數據中心模型進行了仿真，驗證了該模型對提高系統熱性能的有效性，同時，研究了局部擋板的優化配置問題。

1 物理模型和工作條件

本文中基本物理模型是一個模擬數據中心機房，其尺寸為10900mm（D）×7300mm（W）×3000mm（H），該機房采用地板下送風（UFAD）系統。房間內共有44個服務器機架，平均分為4排。機架排以熱通道/冷通道（HA/CA）的形式排列。每排之間的距離是1200mm。機房空調（CRAC）布置在靠墻的冷通道線上。

仿真的部分參數如表1所示。許多研究人員研究了關于的地板下靜壓層的幾何結構對數據中心熱性能的影響，發現了穿孔率為20%～30%的穿孔地板能達到最優的熱工性能，而600～800mm被認為是地板下靜壓層可以獲得最均勻氣流分布的理想高度。根據之前的調研和參考資料，本次調研的靜壓層高度設定為600mm，穿孔地板的穿孔率設定為20%。

表1 基本模型的參數

模型設計如圖1所示。模型a）是基本模型，在地板下送風系統中沒有任何擋板。b）以及c）使用擋板在地板下送風系統中創建了兩個獨立的空氣分配室。通過這種配置，一個CRAC為相應的一個冷通道服務。新的擋板結構目的在于改善氣流的均勻性，并消除靠近CRAC的機架上出現的熱點。因此，增加了局部擋板，以增加靠近地板處的壓力，并將適量的空氣分配到較遠的位置。垂直于冷通道的局部穿孔擋板，穿孔率分別為0%、20%和80%。所有其他擋板都是全封閉的，沒有穿孔。

表2 數值模擬結果

圖1 仿真模型方案

2 結果

數值模擬得到的機架表面溫度分布和氣流溫度分布結果如表2所示。選取1500mm和500mm高度氣流溫度分布的平板等高線，研究了不同結構對氣流溫度分布和熱性能的影響。

3 討論

根據機架表面溫度結果，1#、4#、6#、7#型可以明顯地注意到熱點出現在靠近CRAC的機架頂部。這種現象是由靜壓層內的壓力分布引起的。穿孔地板流出的流量取決于房間壓力與地板下靜壓之間的壓降。當它靠近CRAC時，流量會增加，從而導致高動態壓力和相應的低靜態壓力。這使得地板的流出率比其他地板低。同時，熱點通常出現在靠近機架的位置。

機架表面溫度測試結果還表明，02#、03#、05#消除了熱點。從機架冷通道側面的溫度分布來看，02#的氣流均勻性表現出最佳的熱性能。然而，對比機架頂部1500mm高度處的氣流溫度，除02#和03#外，熱點仍然存在。4#和7#穿孔率80%的穿孔擋板甚至使局部過熱問題更嚴重。

模擬結果表明，該情況下最高溫度比基本情況下的最高溫度提高了2.1℃，而5#和6#情況下在氣流分布上表現出很大的不均勻性，其中，第4～6機架有大量冷空氣進入，導致過冷。總的來說，03#的穿孔率20%穿孔擋板和02#的封閉擋板是優化數據中心熱性能和空氣分布的有效改進結構。

500mm高度處的氣流溫度分布接近地板，能夠反映不同模型的氣流分布。使封閉擋板情況下的模型2和模型5結果表明，封閉擋板能夠提高局部靜壓，增大風量，改善局部熱環境。但也需要指出的是，使用局部封閉擋板后會出現明顯的溫升。據估計，封閉的擋板會導致其后面的壓力下降，并形成低壓區。因此，如果需要獲得更均勻的氣流，就必須對局部擋板進行穿孔設計。位于5號地板處的局部擋板確實對氣流分布有影響，但它影響的是中部的機架，而不是靠近CRAC的機架。在2號地板處采用封閉式擋板的模型2#完全消除了熱點，而封閉式擋板導致氣流明顯不均勻，當工況變化時，可提高系統的可靠性。在位于2號地板處位置采用20%穿孔擋板的模型3#消除了大部分熱點，并顯示出極大的均勻性。

擋板結構還可以改善局部地板和最近兩個地板處氣流的熱性能。擋板結構對局部地板處氣流的影響大于對周圍地板處氣流的影響。最嚴重的過熱問題是靠近CRAC的1號地板處的第一個機架。因此，應考慮在1號地板處布置擋板結構，以使改進與具有不同嚴重程度過熱問題的機架相匹配。

4 結語

為了改善數據中心的氣流組織和熱性能，本研究提出了一種新的帶有局部擋板的地板下送風氣流組織結構。對不同擋板結構的不同模型進行了仿真研究和分析。結果如下：

（1）這種新型的帶有局部擋板的地板下送風結構被證明對改善數據中心的氣流組織和熱性能是有效的。

（2）局部封閉擋板結構位于2號地板處，能徹底消除熱點；當帶有穿孔率20%穿孔擋板結構位于2號地板處時，氣流最均勻。

（3）在2號地板處使用局部擋板的結構比，在位于5號擋板處時有更好的改善作用。將擋板布置在5號地板上時，并不能明顯改善靠近CRAC的機架的過熱問題。

（4）局部擋板可布置在1號地板處，以適應未來研究工作中過熱問題嚴重程度的改善。