冷通道隔离在改善数据中心机房局部热点中的应用研究

叶宁

摘 要：随着社会经济和科学技术的发展，数据中心的功耗也是与日俱增。调查显示，空调系统的用电量已占到机房电量总支出的一半以上，可见机房空调及其送风系统的研究优化已迫在眉睫。本文结合过往经验，对于冷通道隔离在改善数据中心机房局部热点中的应用进行研究和分析，以供参考。

关键词：冷通道;机房温度;研究分析

中图分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）18-0066-02

因为it设备的特殊性，因此维持数据中心机房内的温度十分重要，虽然近年来在不断研究数据中心机房的降温措施，但局部热点的问题仍然存在，若长久得不到解决势必会造成安全隐患。机房安全可靠所要达到的目标是将机房因局部热点而导致的设备损坏率降低至零故障率。高效节能是在取得安全可靠目标的同时，使制冷系统更佳高效运行，能耗成本降低，降低PUE指标。很多数据中心机房内局部区域设备安装量已突破了原设计水平，机房内局部区域热点与冷点频现，热点多造成机房存在较大的安全隐患，冷点会导致高耗能，尤其在夏季高温环境条件下，机房运行状况面临着极大的考验。文章以上海某中心机房为例，经过实地调查后使用cfd 6sigma软件参照该机房进行三维数据模型的构建，通过该数据模型模拟出机房内温度及气流的分布情况，并找出温度较高的区域。将模拟出的结果与实地调查的数据进行对比，发现并无较大差别。然后在该三维数据模型上进行机房内部的冷热通道隔离模拟，研究冷热通道隔离对于改善数据中心机房内部热点以及功耗的问题，并将研究结果付诸行动。

1 温度对数据中心机房的影响

机房的作用在于安装和保护it设备。it设备是由半导体组件、各种元器件和晶体管组成，其本身非常脆弱，对于温度的变化也非常敏感，温度过高或过低都有可能对设备中的零件造成损坏，因此一定要保证it设备运行环境的稳定。根据目前国内控制数据中心机房温度的手段来看，空气调节是最常用的一种，为了保证机房里的设备正常运行，对于温度的要求是有明确规定的。

数据中心机房设计标准按照机房功能性的不同都有对应的级别，从高到低按照a、b、c排列，在机房系统正常运行的情况下，a级机房23±1℃，b级机房23±1℃，c级18-28℃。

温度是保障机器能够稳定运行的基本条件之一，温度过高或过低对于it设备性能影响非常大，比如电脑主机的硬盘，温度一旦超过60℃会导致电脑不断蓝屏死机，cpu等其它零件同样如此，由此可见一定要确保it设备的运行温度。当数据及房中的温度超过规定范围10℃左右时，会使设备的性能下降至原来的四分之三左右，随时会引起系统瘫痪，造成不必要的损失。因此将环境温度保持在一定范围内就显得很重要。夏季时应将温度控制在规定范围的偏上限，冬季反之即可[1]。

2 冷通道隔离在改善数据中心机房局部热点中的应用研究

随着社会经济和科学技术的不断发展，我国数据中心机房的数量也是直线上升，在实际使用中根据机房功率的不同可以将机房分为大、中、小三类。其中中小型数据机房的数量最多，达到80%以上，但大多数因成本及空间限制，其设计方式仍然比较传统，与大型数据机房相比在绿色节能方面略显不足，因此，以中小型数据机房作为研究对象，对绿色节能方面进行优化和改善，更能突出问题的重点，也方便针对问题进行分析和研究。

2.1 项目概况

该数据中心机房级别为中小型，长宽高分别为17m、14.2m、3.44m，面积约240m2，使用cfd 6sigma软件根据该数据中心的实际情况构建机房对应的数据模型，机房内部主要由空调、机柜高架地板、配电柜、服务器等几个部分组成，根据模型显示，机房中配有5台p2070机型的精密空调为机房提供制冷，该类型的精密空调是当前数据中心机房制冷的主流空调之一。

空调的送风方式仍然比较传统，采用的是下送风上回风的方式。机房内有84台机柜，每两台机柜为一组，采取背对背的形式进行排列，7组为一列，共6列，这种排列方式也是国内数据中心机房常见的机柜排列方式。根据这种排列形式形成的冷热通道，能够有效控制数据中心机房内的冷热气流混合程度，避免对制冷效果造成影响。机房内的所有机柜同时运行的平均功率约为3.4kw，也是比较常见的一个功率配置。

2.2 室内负荷和配置

根据该数据中心机房的配置，可以计算出室内的总负荷。计算方式如下：

该中小型数据中心机房内有84台机柜，每台机柜按平均3.4kw额定功率计算，则IT设备总负荷为84*3.4=286kw，根据同时使用系数、利用系数以及负荷工作均匀系数这三者功耗转化为热能的计算方式，取值0.8，则it设备的总负荷为286*0.8=229kw。机房内围护结构和照明热负荷根据现场实际估算按每平米120w计，则机房环境热负荷240*0.12=29kw。（关于环境负荷：数据中心机房一般是没有窗户的，即使有窗户也是双面玻璃并且无法打开的“死窗户”，太阳照射对机房的温度影响几乎可以忽略不计。也可按下述公式计算：建筑维护结构的总负荷=维护结构的导热系数*维护结构面积*机房内温度与机房外温度平均差值）。

通过对室内负荷和环境负荷两部分数值的计算，可以得到机房所需要的总冷负荷为229+29=258kw[2]。按8+1冗余方式，即精密空调台数≦8台，按1台冗余，机房配置精密空调p2070机组共5台，4用1备，单台冷量66.9kw。

2.3 数据中心机房局部热点模拟

6sigmadc软件是专门用来模拟数据中心机房内气流的，在设备的热负载模拟方面，数据都来自于机房实测，因此结果的是准确可靠的。使用使用cfd 6sigma软件进行三维数据模型的建立，根据机房实际情况布置好各项设备，力求最大程度还原机房实景。三维数据模型建立成功后，利用软件自带的求解器根据机房情况进行相关参数的求解。根据求解结果显示，模型模拟出机房内5台空调的送风温度和回风温度分别位于13-15℃以及21-24℃之间，与实际测量结果对照后发现误差控制在6%以内，属于可接受范围，接近机房实际工作中的温度。由于机房內部it设备的分布问题，会导致不同地方的温度会有差别。根据建模结果显示，不同高度的气流形式与流向不同，温度分布也不均匀，给散热带来了一定的困难。超过24℃的区域主要集中在机房热通道当中，热空气并未进行扩散。冷通道中的温度分布较为均匀，主要集中在13℃左右，整体上来看散热情况还可以接受。

温度场的分布情况会随着高度的改变而改变，在1.9m左右的空气中热气流开始扩散，并向机房底部远离空调的一侧延伸，对该区域内的冷气流进行同化，导致温度较高的区域不断扩大。在机柜中it设备并未放满的区域，因为机柜顶部还有散热空间，因此温度不像it设备密集区那样高。根据出风温度的增加以及热点出现的位置可判断出两侧冷通道中气流的变化，即随着高度与柜内的冷量成反比，高度越高，冷量越少，因此在冷热空气的交界处柜机的散热会受到影响。部分服务器机柜的功率比较高，因此对冷风的需求也就更多。通过对数据模型中温度场的分析发现主要存在以下几点问题，首先，负荷较大的机柜分布不合理，影响机柜散热;其次，冷热通道中的气流会混合，产生局部热点;最后，空调的分布位置也不妥当，不利于气流循环[3]。

3 冷通道隔离在改善数据中心机房局部热点中的应用

机房内气流遏制系统的是根据冷热空气分离后会有序流动的原理进行工作的。冷热通道隔离后冷空气经冷通道进入房间，需要降温的设备将冷空气吸入，冷空气在设备内流转进行降温，然后通过设备后端的专用连接管流至热通道，返回到空调回风口。热回风与冷量完全隔离。封闭冷通道可最大程度地利用空调送出的冷量和风量，提高内部的冷气利用率，能够有效降低房间内的温度并防止热点出现，达到降耗节能的目的。

3.1 机房冷热通道隔离前后的对比

冷热气流混合和空调位置安放不合理会导致机房内部出现温度分布不均匀以及局部热点的现象。因此需要把机房内的冷热通道进行隔离，合理安排精密空调在机房内的布局和服务器机柜内发热设备的布局，保证冷通道内的冷气流不会受到热气流以及其它因素的干扰，提高空调的制冷效率。

冷通道与热通道隔离的方法可以将空调送出的冷风最大作用于it设备降温，将制冷效率发挥到最大。因为通道的隔离材料通常使用的是透明玻璃或者透光性较好的pc板，这样就保证了冷热通道隔离后通道内的亮度，符合相关规定。冷热通道隔离后可以提高空调的送风温度，根据模型显示通道隔离前后温度变化较大。在冷热通道隔离后，冷热气流的混合导致温度升高的问题明显得到改善，尝试将空调的送风温度从13℃调到14℃，依然能够控制机房内的温度，并且局部热点问题也得到了相应的缓解。同时热气流的温度也比隔离前更低，说明空调的制冷效果已充分应用于it设备的降温，不再受到冷热气流混合的干扰。冷热通道隔离后冷空气不会扩散到其它地方，导致机房内部的整体温度从隔离前的21.3℃增加至23.7℃，虽然温度有所上升，但仍在机房运行环境规定之内，不会对机房的正常运行造成影响。

3.2 数据中心机房内气流组织分布优化仿真对比

在对数据中心机房的气流组织分布进行优化后，从模型中可以明确观察到机房左侧的气流有了一定的加强，使气流整体的稳定性得到提升，不会再受到冷热气流混合的影响。冷热通道隔离后机柜内的降温效果明显，热气流温度也得到了降低，达到了改进的目的。在热气流合并的基础上可以发现气流组织得到了明显的优化，优化前机房内气流流向毫无规律，尤其在空调附近更加明显，导致该区域内的冷气并未参与制冷，冷空气因气流流向影响直接流到了回风口，导致回风温度降低，影响到空调的制冷效率;优化后气流流向比较稳定，分布也比较均匀，避免了冷量的浪费，提高了冷风的利用率[4]。

4 结语

文章以国内数量最多的中小型数据中心机房为研究对象，使用cfd 6sigma软件构建三维数据模型，通过模型对机房内部的气流组织与温度场进行模拟试验，找出机房内部存在的问题。再通过数据模型进行模拟调整，改善机房内局部热点的问题，模拟结果表明冷热通道隔离前后机房内部热点变化较为明显，因此，冷热通道隔离技术值得推广和应用。

参考文献

[1] 张林锋，欧阳述嘉，胡宇昭，等.数据中心机房冷通道封闭对机房气流组织及能效的影响研究[J].电力信息与通信技术，2018，16（5）：63-67.

[2] 原世杰，谢静.数据中心机房不同封闭方案的热环境仿真模拟与分析[J].电信技术，2017（8）：98-100.

[3] 翟丽娜.数据中心封闭通道方案分析[J].通訊世界，2018，No.335（4）：22-23.

[4] 许泉明.送风控制在冷通道封闭数据中心中的应用[J].暖通空调，2018，48（10）：68-70.