关于解决数据中心局部热点问题的研究

作者:兰洋科技    浏览量:3983    时间:2023年11月09日    标签: 精密空调 气流组织 热通道

摘 要:传统数据中心因设计、建设之初规划经验不足,随着数据中心设备的不断增加,数据中心内部分设备因制冷量不够、散热受阻等原因造成热量堆积,不仅影响设备正常运行,甚至宕机,严重的时候导致业务中断、数据丢失。在如何解决数据中心内设备的局部热点问题方面进行研究,为数据中心使用方提供多种解决方案,以保证传统数据中心在线使用的情况下,消除局部热点,保障设备的安全、稳定运行。

一些在用的传统的数据中心,在建设之初,因对整体设计缺乏经验,存在精密空调气流组织不理想、制冷量不足、设备摆放不合理等状况,随着数据中心设备的不断增加,机柜内设备温度提升,部分机柜或机柜内部分区域出现过热情况,形成局部热点。GB 50174-2017《数据中心设计规范》对数据中心内的温度要求为(开机时)18℃~28℃,当出现局部热点时,局部热点区域设备将面临运行速度缓慢、宕机等风险,严重的情况下会造成业务中断及数据丢失,需耗用大量的人力物力进行业务及数据的恢复工作。而出现局部热点的数据中心一般处于运行状态,业务无法中断,无法对数据中心进行整体改造,本文主要针对该类数据中心局部热点问题产生的主要原因和解决方式进行阐述。

1 数据中心局部热点产生的主要原因

以某数据中心为例,平面布局见图1,数据中心区域面积约260㎡,层高4.2m,设计机柜数量41台,按单个机柜运行负荷4kW计算,设备运行总负荷164kW,该数据中心配备35kW制冷量下送风、上回风精密空调6台,空调总制冷量210kW。

图1 某数据中心平面图.jpg

图1 某数据中心平面图

图例:①精密空调②网络机柜③服务器机柜

对比以上数据,空调的总制冷量容量已经超出IT设备的冗余。但在数据中心的运行中发现,数据中心内仍出现局部热点现象,尤其在发热量较大的小型机区域,局部温度超过30℃,通过实地勘测,发现主要原因如下:

1)数据中心内部机柜摆放虽然采用了机柜面对面、背对背的摆放方式,且所有的通风地板安装在机柜的正面,满足机柜前部进风后部回风的送风模式,但机柜区域没有进行冷/热通道封闭,造成大量冷风在没有进入机柜内部的情况下,直接与数据中心热空气对流形成混风,造成冷量流失。图2是数据中心规划之初时设计的理想状态下的空气走向图,但与将电流限制在线缆中并作为设计的一部分的清晰可见的配电系统不同,气流只是大体受限于数据中心设计,实际的气流在实施过程中并不可见,而且不同部署地点之间会有很大差异。实际运行中,空气气流组织受各种条件影响,无法完全按照设计图纸所示意的气流方向流通,常出现冷热风短路和横向混合等现象。

图2 空气走向示意图.jpg

图2 空气走向示意图

2)机柜之间的空机柜位造成冷量流失,本数据中心中机柜与机柜之间存在间隔布置的情况,造成机柜前方通风地板送出的冷风有部分直接通过机柜 之间的空隙流失至热风区域,造成冷量流失。

3)数据中心的设备种类很多,如服务器设备、网络设备、存储设备等。因每台机柜内布置的设备类型和设备数量不相同,且不同的设备其物理尺 寸、功率均不相同,导致数据中心内每台机柜的密度和功率有高低区别。而数据中心采用房间级制冷的方式,当单台机柜的功率、密度较高时,对应的通风地板的送风量与机柜内IT设备所需的制冷量不匹配时,将会导致机柜内设备因制冷量不足出现局部热点现象。

4)数据中心内所有通风地板的开孔率一致,离精密空调出风口位置近的通风地板的出风量大,远端随着风压降低,送风量逐渐变小,可导致精密空调送风距离较远的末端区域设备的制冷量不足,形成局部热点区域。

5)数据中心内的部分机柜内有空U位或设备和设备之间留有空装空隙,这些空位没有采用机柜盲板进行封闭,机柜前方的冷空气可直接通过机柜空位进入热风区域,造成冷量的流失。

6)部分机柜本身散热问题,如机柜门开孔率低、机柜风扇老化等,导致机柜内的热风堆积,散热阻碍,机柜内部出现局部热点。

7)设备本来身散热问题,如设备因老旧散热系统老化或发生故障,导致设备自身产生的热量无法高效的被排出,造成机柜内涡流,致使机柜内压力 和温度升高,形成局部热点。

8)架空地板下空间不足,再加上架空地板下布放桥架、强弱电管路、消防管路等,对冷空气的送风通道形成了阻碍,冷风不能足量到达设备区域, 造成了数据中心热点。

2 数据中心局部热点的解决方式

2.1 进行冷/热通道封闭和封堵同行相邻机柜间的空隙

对数据中心的冷通道或热通道进行封闭处理,同时对相邻机柜间的空隙进行封堵处理,有效的对数据中心的送风和回风气流进行的隔离分配,避免了冷空气和热空气的直接混合,减少了冷量的浪费。冷/通道封闭和机柜间的空隙封堵后,冷空气必须经过机柜内的设备才能释放到机柜背面的热通道内,机柜内的设备的制冷量增加,局部热点将有所改善。

2.2 安装可调节风量的通风地板

传统数据中心精密空调大多采用下送风、上回风的送风方式,地板下空间作为空调的静压箱,在机柜前方安装通风地板为数据中心送风,这样就造成了靠近精密空调端的通风地板因为送风压力强,出风量大,而远端则反之,数据中心远端机柜位会出现制冷量不足现象。这种现象可以考虑在安装可调节风量的通风地板来改善,在靠近数据中心精密空调端将通过地板的送风量调低,靠近远端或高密度、大功率设备处则调高,这样可有改善数据中心的局部热点。

2.3 精密空调底板安装导流板

下送风的精密空调的出风口在精密空调底部,因为数据中心的架空地板高度一般为300mm~500lm,部分冷风从风口吹出后,会撞击地面形成回风再吹向架空地板面,形成S形送风,送风阻力变大,送风距离下降约40%~60%,造成数据中心精密空调送风远端制冷量不足,形成局部过热。可以在精密空调送风口处设置弧形送风导流板,冷风随着导流板的方向向前推进,减少送风阻力,延长送风距离,有效的避免数据中心精密空调远端机柜位置制冷量不足。

2.4 均衡单机柜设备功率

将数据中心的大功率的设备分散在不同的机柜或区域安装,将其安装于机柜中下部,避免大功率机柜和高热区域出现。

2.5 将地板下的桥架和线管改造到机柜上

地板下的强弱电桥架、管线等导致空调风阻变大,在改造时,将下走线线缆和桥架改造成上走线形式,增加地板下的空间,利于精密空调的送风。

2.6 在高密度机柜里安装风扇

数据中心内的机柜因为安装设备的密度或设备的功率不一样,机柜所需的制冷量也就不一样,而传统数据中心大部分采取房间级制冷,无法精确的针对每台机柜所需的制冷量来定制每台机柜的送风量,容易出现局部热点。考虑在机柜前部和机柜顶 端各设置两套风扇,通过加速机柜内部气流的流通,能够快速带走机柜内设备产生的热量。

2.7 在高密度机柜前安装主动进风的风口板

数据中心内的通风地板常为固定开孔率或为机械调节风量式,地板下的冷风只能在精密空调的冷风将地板下空间全部充满后,通过风压将冷风通过通风地板压送至地板上空,这种送风的气流速度较慢,这种气流速度往往无法满足高密度或大功率设备的制冷需求,形成局部过热现象。可以将该类设备的前方的通风地板更换成主动进风的风口地板,更换后的地板可根据热点区域温度和地板下的冷气温度,自动调节送风风量,消除机柜温度热点。

2.8 封堵没有设备的空闲U位

在进行了冷/热通道封闭后,如果机柜内有空闲的U位,可以通过安装机柜盲板封堵空闲的U位,让通道内的冷量必须通过机柜设备位置才能排放至机柜外,直接带走设备的热量,有效的防止冷通道内的冷量流失。

2.9 增加辅助空调

依据能量守恒定律,数据中心的空调制冷量热负荷与区域热量应是守恒的,从设备安全稳定运行的角度考虑可以有一定的制冷余量,一般以单台空调出现散热失效而不影响区域内设备正常运行为准(N+l模式),当数据中心出现局部热点时,在局部热点区域增加辅助空调是一个快捷、简便的方法,只是投入成本和数据中心的运行成本会增加。

3 结语

随着机房规划、建设水平的不断提升,绿色数据中心逐渐替代了传统数据中心,数据中心的PUE值也越来越低,响应了国家的节能减排的号召。但因为数据中心建设投资高、建设周期长等原因,一些传统的数据中心还需持续运行,所以对于解决传统数据中心运行中出现的问题,还需要不断的解决,本文通过对一例在运行的数据中心的空气调节系统现状,对数据中心局部热点问题进行了阐述,提出了解决方案。在实际项目运行中,需结合项目实际情况,综合考虑解决方式的可行性、安全性、经济性、先进性等,选择合适的改造方案。

本文标题:关于解决数据中心局部热点问题的研究

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