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(五)数据中心三种热气流管理方案的对比分析


数据中心热气流管理是将IT设备的热排风通过风管直接导入吊顶回风通道中,然后通过机房精密空调将热回风从吊顶通道中抽出并进行冷却,冷却后的空气被再次送入IT机房进行服务器的冷却。与冷通道气流遏制相比,热气流管理具有如下优势:

为IT人员提供舒适的工作环境,并为数据中心的外围设备(如:磁盘,大型主机等)提供更好的冷却条件

通过增加热回风与外界环境空气间的温差,提高了数据中心的能效

由于热气流管理对吊顶的独特依赖性,我们需要对该气流遏制方法进行更详细的探讨。吊顶通道的性能,尤其是否能够提供轻微负压(相对于机房内空气而言)的能力,是影响热气流管理系统性能的关键因素。如果使用得当,热气流遏制系统不仅对于新建数据中心设施而言不失为一个合理的选择,而且对提高已有设施能效以及延长其使用寿命尤其是一个理想的选择。


一、热气流管理的三种方案


1. 被动式垂直风管热通道气流遏制

下图所示为热通道气流遏制系统(HACS)示例。该系统是用实心板,或者有时用塑料帘在机柜行末端将整个热通道封闭起来。由于建筑立柱的限制、供应商兼容性问题或机柜行长度不匹配等因素,可能需要使用定制的气流遏制方案。尽管需要特定的机柜朝向和配置,但该热通道气流遏制系统不需要使用机柜后门和内部侧板。共用的热通道为IT设备的热排风提供了大容量的无障碍气流通道,从而使该方案在高密度机柜应用中效果显著。

2. 被动式垂直风管机柜气流遏制

下图所示为被动式垂直风管机柜气流遏制系统示例。该气流遏制策略通过风管将机柜逐个连接到吊顶回风通道。除了风管本身以外,还在后门或者有时在未连接风管的部分安装实心板,用于最大限度地减少气流的泄漏。被动式独立垂直风管机柜气流遏制系统可能更倾向于使用深机柜,尤其对于高密度机柜,从而为IT设备的热排风提供更大的无障碍气流通道。

3. 主动式垂直风管机柜气流遏制

下图所示为主动式垂直风管机柜气流遏制示例。主动式垂直风管机柜系统中的散热风扇允许机柜功率密度达到12kW,并能克服因服务器排气口电缆密集造成的通道逆向压力或压降。但是,主动式系统容易在数据中心其他地方产生意料之外的不良后果,因此部署时需要格外谨慎。该图所示方案中机柜整体深度增加了大约250毫米,从而增大了相邻机柜行的间距。主动式系统还会消耗电能,并需要进行监控和维护。


二、被动式系统的冷却性能对比


垂直风管式系统的冷却性能在很大程度上取决于整个数据中心的配置。相较于垂直风管式系统自身的具体结构参数,多余的冷却气流量(相对于IT设备)、吊顶系统的"泄漏程度"、吊顶通道深度、机柜功率密度以及设备物理布局等参数对冷却性能的影响通常更大。如果数据中心的设计能够在垂直风管系统上方产生足够的真空(理想)压力,那么几乎任何垂直风管式架构都可以支持极高密度的机柜。另一方面,如果总体设计只在垂直风管系统上产生一个中和气压,甚至是正压(逆向压力),那么冷却性能就会很差,因为IT设备的热排风会通过"阻力最小的路径"回流到IT设备入口处。


下图显示了垂直风管机柜与垂直风管热通道气流遏制系统的冷却性能与吊顶通道压力以及机柜功率密度的函数关系。冷却性能基本以IT 设备的热排风再循环量来评定,分为"好"、"临界"和"不良"。 "好"意味着所有的IT 设备热排风均被吊顶通道收集,好与临界的交界对应着服务器的中和压力环境——无逆向压力或额外吸力。"不良"指的是至少有10%的IT 设备的热排风再循环,有90%的IT 设备的热排风被吊顶通道收集。我们得出了以下两条主要结论:

冷却性能与吊顶通道内压力紧密相关。只有在保持合理的通道真空压力时,垂直风管热通道气流遏制系统与独立垂直风管机柜气流遏制系统才都可能支撑相当高的机柜密度。

在相同吊顶通道真空压力下,相较于独立垂直风管机柜气流遏制系统,垂直风管热通道气流遏制系统能够冷却的机柜功率密度要高的多。"例如,在真空压力为0.03 inH2O(7.5Pa)时,独立垂直风管机柜气流遏制的冷却效果上限约为8kW/机柜,而垂直风管热通道气流遏制系统能达到约16kW/机柜。此外,独立垂直风管机柜气流遏制系统的冷却效果为"不良"时,垂直风管热通道气流遏制系统的冷却效果至少为"临界"。

下图总结了最大机柜功率密度的限制,并且给出了风管式机柜和风管式HACS系统之间更为直接的性能对比。较低的吊顶真空压力会造成部分热排风再循环,但是,较高的真空压力则意味着制冷功耗的增加,这是因为机房(旁通)气流容易被吸入吊顶通道中。该图还显示了达到特定吊顶通道压力值的可操作性。通过减少进线口、使用更多限制性结构(或消除)穿孔天花板以及选用不会形成大面积泄漏路径的节能灯具等措施,可以实现大于0.03 inH2O(7.5Pa)的吊顶真空压力。当吊顶真空压力增加到约0.06 inH2O(15Pa)以上时,常规密度的天花板开始抬升,由此产生的泄漏气流会限制真空压力的进一步升高。

总结分析结果可知,平均制冷性能对吊顶通道深度和机柜功率密度的依赖性相当弱;较深的吊顶通道以及较低的机柜功率密度会带来较好的制冷性能。制冷性能也受到吊顶泄漏程度的适度影响,"密闭较好的"吊顶通道一般具有较好的制冷性能,虽然"正常"吊顶通道的制冷性能比"有泄漏"的吊顶通道更接近"密封良好"的吊顶通道。最终,制冷性能很大程度上取决于冷风供需比(冷风送风风量/IT机柜所需风量),数值越大性能越佳。就后者而言,通常对于垂直风管热通道气流遏制系统,数值1.0是可以接受的,但是垂直风管机柜气流遏制可能要求冷风供需比数值达到1.2或更高。


三、热气流管理系统的选择


下表总结了在选择特定吊顶回风垂直风管式系统架构时应考虑的主要因素。被动式系统的投资成本相近,但主动式风管机柜的投资成本却高出很多。由于主动式系统消耗风扇功率,在运行成本上也会高出许多,因此抵消掉一些气流遏制的节能效益。

被动式垂直风管热通道气流遏制系统的主要制约因素是其安装部署需要特定的平面布局。但是,由于标准的冷/热通道架构多年以来一直是最佳实践标准,因此上述问题可能并非真正的制约因素。在可以安装部署垂直风管热通道气流遏制系统的场合,可以为高密度的IT设备提供最佳的性能,并且不需要增加机柜深度或使用特定的机柜或附件。然而,如果只是小部分的机柜需要风管式排风或垂直风管热通道气流遏制系统要求的布局并不现实,那么可以采用独立式垂直风管机柜气流遏制。无论采用哪一种系统,被动式垂直风管机柜总体上来说是一个不错的选择,尤其适用于达到中等密度的长度"较短"的服务器,例如高达8kW/机柜的功率密度或者更高,前提是能够实现吊顶通道内所需的真空压力。

如果由于机房布局限制使得采用垂直风管热通道气流遏制系统不切实际,以及在最大可实现吊顶通道真空压力下被动式风管机柜功率密度限制过大,那么主动式风管系统便可显现其独特优势。但是,我们并不推荐将主动式风管系统作为补偿不理想吊顶通道压力的通用方案,因为主动式风管系统可能会在数据中心的其它地方产生冷却问题。最佳策略是在部署任何类型的风管式设备之前,首先解决吊顶通道压力问题(例如通过增大风管冷却气流,提高吊顶的"密闭性",以及/或者增加通道深度)。


其它的考虑因素也可能会引导选择特定的风管式气流遏制架构。这其中包括对消防和照明的可能干扰、紧急情况下的制冷性能,以及噪音影响等等。还要提醒读者的是,除了本文中讨论的吊顶回风垂直风管式系统之外,还有其它的冷通道和热通道气流遏制方案可供选择。


四、安装部署指南


1. 确保足够的吊顶通道真空压力

在理想情况下,新的设计方案或翻新方案都需要使用CFD软件进行模拟,以确保在整个吊顶通道内能够获得足够的真空度以及合理均匀的气压。至少,需要遵循下列最佳实践:

任何情况下,吊顶通道深度至少应为450mm,在实际应用中越深越好。

大多数情况下风管排出气流量至少应超出风管式IT设备排风量的10%,在相对有泄漏的吊顶系统中采用被动式垂直风管机柜气流遏制时至少应超出20%。

吊顶通道真空度应最大化:

o 最小化且密封吊顶内的泄漏路径

o 最小化穿孔天花板的数量,使用更多限制性结构的天花板

风管式系统的配置应采用合理统一的布局(符合几何配置和IT设备功率密度),以实现通道内压力均匀性的最大化。请注意,非风管式系统不一定需要符合上述指南,因为其并不影响吊顶通道内气流的动态特性。

2. 最小化气流遏制系统中的泄漏路径

我们应该尽可能地密封气流遏制系统中的泄漏路径,以确保吊顶通道一直是机柜热排风的"最小阻力通道"。请遵循下列最佳实践:

使用盲板或毛刷来封堵机柜未使用空间,以最大限度地减少热排风从机柜后再循环到机柜前。

尽可能多地封盖住机柜外壳上的开孔,若采用的是被动式垂直风管机柜,还需密封机柜的后门。

使IT设备后面的空间尽可能保持自由,清除电缆和其它障碍物。如果采用被动式垂直风管机柜,确保服务器背面与机柜后门的间隙至少有200mm。如有必要,使用深机柜来达到上述要求。

对于被动式风管机柜,将较深的IT设备安装在机柜的底部,以避免产生排风气流的阻塞点。

3. 谨慎采用主动式垂直风管气流遏制系统

如果数据中心配置包含主动式气流遏制系统,更具可行性的做法是事先通过CFD验证预期应用的性能。采用主动式系统的风险在于,尽管主动式风管设备"消除"热点的效果显著,但是会在数据中心的其它地方产生问题。这些问题可能并非显而易见或者并不容易解决。无论如何,通过遵循上述推荐的最佳实践可以提高安装部署的成功性,即使采用主动式系统也是如此。


五、结论


垂直风管式气流遏制系统可以同时提高数据中心的能效和可靠性。由于所有的风管式设备、风管式冷却单元和吊顶通道都作为单体运行,建议使用CFD建模来指导新的部署方案,尤其是设计的制约因素接近文中所提及的最佳实践限制时。无论是哪种情况,建议部署均围绕如何确保吊顶通道内有足够和均匀的真空压力。实现这一要求的方法包括:提供充足的风管冷却气流、打造相对"密闭"的吊顶系统、采用较深的吊顶通道,以及密封机柜与气流遏制系统中不必要的泄漏路径。

 

通过气流管理专题的探讨,我们得知气流管理在数据中心的重要性,其中包括对热点的消除,对能效和可用性的贡献等等。同时也清楚地知道数据中心气流遏制系统的所有类型,以及部署气流遏制系统需要考虑的种种因素,并给出选择气流遏制系统的指导方针。数据中心功率密度的制定一直困扰着数据中心从业人员,因为它关系到数据中心设计中的方方面面。敬请关注下一专题系列:施耐德数据中心论坛 | 功率密度专题(一)数据中心功率密度传统定义方法的缺陷及代价



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| 发布时间:2017.05.23    来源:    查看次数:

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