數(shù)據(jù)中心被動式散熱解決方案——通向綠色數(shù)據(jù)中心之路

1、數(shù)據(jù)中心被動式散熱解決方案通向綠色數(shù)據(jù)中心之路數(shù)據(jù)中心被動式散熱解決方案通向綠色數(shù)據(jù)中心之路文ICPI公司亞太區(qū)張愚1前言隨著新一代計(jì)算機(jī)設(shè)備的計(jì)算能力和功率能耗的大幅度提高,傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心如何增加每機(jī)柜的功率密度也變得越來越重要.Intel的研究表明,同樣的計(jì)算能力在2002年時(shí)需要25個(gè)機(jī)柜和128kW的能耗(5.1kW每機(jī)柜),到2008年時(shí),只需一個(gè)機(jī)柜21kW的能耗(21kW每機(jī)柜).對比之下,我們節(jié)省了107kW的能耗,并且也大大節(jié)省了數(shù)據(jù)中心的物理大小和結(jié)構(gòu).這種大幅度的計(jì)算能力的提升得益于虛擬計(jì)算,內(nèi)存系統(tǒng),多核CPU系統(tǒng),CPU速度和GPGPU技術(shù)的飛速發(fā)展.虛擬計(jì)算大大提高了

2、服務(wù)器的使用效率,從而增加了單個(gè)機(jī)柜的發(fā)熱密度.隨著內(nèi)存容量和速度的飛速發(fā)展,最新的DRAM技術(shù)使得內(nèi)存的發(fā)熱量也大大的提升.工程和科學(xué)研究等應(yīng)用大量使用圖形浮點(diǎn)運(yùn)算,GPGPU使得顯卡的發(fā)熱量從25W提高到300W以上.雖然服務(wù)器的功耗持續(xù)不斷的提高,但是性能和功耗比在不斷的下降.從以上的例子可以看出,數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能夠高效的對機(jī)柜進(jìn)行冷卻,將大大降低數(shù)據(jù)中心的總能耗,在本質(zhì)上我們可以真正擁有一個(gè)綠色數(shù)據(jù)中心.提高空調(diào)的制冷效率并節(jié)約能源只是數(shù)據(jù)中心管理的重要一部分,然而每機(jī)柜的熱密度不停的增加則帶給我們更多的挑戰(zhàn).目前全球數(shù)據(jù)中心的每機(jī)柜的平均熱密度大概為6.5kW,但是ASHRAE2預(yù)

3、測在2014年數(shù)據(jù)中心平均每機(jī)柜所需的制冷量為37kW,這種5倍的熱密度飛躍,需要我們對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行不斷的革新來解決.本文將對被動式散熱解決方案以及如何利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心進(jìn)行介紹.2數(shù)據(jù)中心散熱基礎(chǔ)首先,我們將對數(shù)據(jù)中心散熱做一個(gè)基本的研究.IT設(shè)備散熱所需的風(fēng)量可用下列等式來表明:m./H=2.9W÷T其中:m./H為機(jī)柜中的設(shè)備散熱所需的風(fēng)量(立方米冷風(fēng)/每小時(shí));W=瓦特?cái)?shù)(IT設(shè)備的功耗);T=IT設(shè)備的溫差(設(shè)備回風(fēng)溫度減去設(shè)備的進(jìn)風(fēng)溫度)c該等式表明了機(jī)柜的散熱能力和高架送風(fēng)地板的送風(fēng)能力有著密不可分的關(guān)系.由于高架送風(fēng)地板所送的冷風(fēng)風(fēng)量的不充足,使機(jī)柜上部的

4、IT設(shè)備進(jìn)風(fēng)風(fēng)扇所造成的負(fù)壓,會將機(jī)柜后部熱通道中的熱空氣抽入lT設(shè)備中,從而造成服務(wù)器過熱的問題.研究表明,在一個(gè)設(shè)計(jì)不合理的數(shù)據(jù)中心內(nèi),60%的空調(diào)機(jī)冷送風(fēng)由于氣流組織的不合理而被浪費(fèi).目前,傳統(tǒng)的開放式熱通道結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中心面臨著兩大氣流管理難題:冷熱空氣相混合現(xiàn)象和空調(diào)冷送風(fēng)的浪費(fèi)現(xiàn)象,這兩種現(xiàn)象大大降低了空調(diào)制冷的效率.其中,冷熱空氣相混合現(xiàn)象指的是由設(shè)備產(chǎn)生的熱空氣和空調(diào)機(jī)的冷送風(fēng)相混合,從而提高了設(shè)備的進(jìn)風(fēng)溫度;空調(diào)冷送風(fēng)的浪費(fèi)現(xiàn)象則是指空調(diào)機(jī)的冷送風(fēng)并未進(jìn)入設(shè)備并對設(shè)備進(jìn)行冷卻,而是直接回流到空調(diào)機(jī)的現(xiàn)象.冷熱空氣混合現(xiàn)象也是導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心溫度不一致的主要原因,并且這種現(xiàn)象也大nte

5、lligentBuilding&CityInformation20123No.18421OurEyes本期關(guān)注大降低了數(shù)據(jù)中心空調(diào)的制冷效率和制冷能力.如何解決這兩種現(xiàn)象,最簡單,有效的方法就是將冷熱空氣物理隔離開.3數(shù)據(jù)中心散熱管理基線隔離冷熱空氣Intel公司多年的研究和實(shí)驗(yàn)表明,良好的氣流組織管理,能夠大大減少冷熱空氣相混合現(xiàn)象和空調(diào)冷送風(fēng)的浪費(fèi)現(xiàn)象.lntel公司現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心的熱密度也從單個(gè)機(jī)柜310WPSF增力口至781WPSF(每機(jī)柜15kW增力口至140kW以上).另夕卜,Dell4幣口HP5的數(shù)據(jù)中心也正在使用冷池或熱池技術(shù).本文將對這種被動型(通過物理手段,

6、無任何有源設(shè)備)對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行散熱做出研究,并對可行的方案做出比較,從而找出最佳的數(shù)據(jù)中心散熱解決方案.目前,主動性數(shù)據(jù)中心散熱也在行業(yè)內(nèi)普遍使用.但是其高昂的投資成本,復(fù)雜的安裝過程和維護(hù)等問題,我們將不在本文中討論4數(shù)據(jù)中心散熱解決方案4.1方案1:冷池和熱池?zé)嵬ǖ婪忾]或熱池(HAC)是將熱通道密閉起來并通過回風(fēng)管將熱回風(fēng)傳回?cái)?shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng),如圖1所示.對比熱池,冷池(CAC)是將冷通道密閉起來.這兩種技術(shù)都將空調(diào)的冷送風(fēng)和熱回風(fēng)隔離開來,并使空調(diào)機(jī)回風(fēng)溫度提高以此來提高空調(diào)的制冷效率.這兩種方式的區(qū)別主要是可擴(kuò)展性,散熱管理和工作環(huán)境的適宜性.冷池的可擴(kuò)展性主要是受地板下送風(fēng)和如何將地

7、板下冷風(fēng)送入多個(gè)冷池的制約.目前業(yè)界對該技術(shù)有著很多的誤解,很多人認(rèn)為空調(diào)機(jī)的出風(fēng)量能滿足設(shè)備的散熱風(fēng)量即可.他們忽略了高架地板下冷送風(fēng)對于多個(gè)冷池的壓力影響和空間的限制.相反,熱池則是使用整個(gè)數(shù)據(jù)中心作為冷通道來解決這個(gè)問題,正因?yàn)檫@樣,擴(kuò)大了冷通道的空間.這樣熱池相比于冷池有著更多的空調(diào)冗余性能,多出的熱通道空間將會在空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),能夠給予更多的寶貴維修時(shí)間.而22智能建筑與城市信息2012年第3期總第184期且隨著服務(wù)器設(shè)備的散熱能力的提高,服務(wù)器所需的散熱風(fēng)量將會大大的減少.現(xiàn)在很多服務(wù)器的熱風(fēng)出風(fēng)溫度可以達(dá)到55.冷池的未被隔離部分空間的溫度將會比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心大大的提高,這將大

8、大增加數(shù)據(jù)中心工作人員的舒適度和減少數(shù)據(jù)中心其他設(shè)備的使用壽命.綜上所述,雖然這兩種方法都可以提高每臺機(jī)柜的熱密度,但是當(dāng)合理使用熱池時(shí),熱池的效率比冷池更加有效可靠.通過以上的對比,我們可以發(fā)現(xiàn)熱池比冷池有著更多的優(yōu)點(diǎn).另外在數(shù)據(jù)中心斷電的情況下,冷池?cái)?shù)據(jù)中心的冷空氣只存在于高架地板下和密閉冷通道中,相反熱池?cái)?shù)據(jù)中心中的冷空氣存在于高架地板下和房間內(nèi)的絕大多數(shù)地方,所以冷池?cái)?shù)據(jù)中心的冷空氣體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熱空氣的體積.當(dāng)數(shù)據(jù)中心斷電或空調(diào)出現(xiàn)問題時(shí),冷池?cái)?shù)據(jù)中心在幾秒鐘可以喪失所有的lT設(shè)備.所以在有可能的情況下,我們應(yīng)該盡量采用熱池而不是冷池.使用部分密閉熱池或冷池的數(shù)據(jù)中心的熱點(diǎn)現(xiàn)象可能還會

9、存在,其消防設(shè)施的位置也需要額外注意,但相比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心則大大提高了每機(jī)柜的熱密度.但是,要到達(dá)2014年每機(jī)柜37kW的熱密度,這些是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的.4.2方案2:垂直排風(fēng)管機(jī)柜除此之外,另一種方案是機(jī)柜級的冷熱風(fēng)隔離系統(tǒng),如圖2所示.這種系統(tǒng)通常是機(jī)柜的一個(gè)延伸部分,最常見的系統(tǒng)為機(jī)柜垂直排風(fēng)管系統(tǒng),或稱作煙囪機(jī)柜系統(tǒng).垂直排風(fēng)管系統(tǒng)將密閉機(jī)柜內(nèi)的熱回風(fēng)導(dǎo)入到天花板上方.對比冷池或熱池,煙囪機(jī)柜系統(tǒng)有著巨大的優(yōu)點(diǎn):首先,對于機(jī)柜而言,煙囪機(jī)柜隔離冷熱空氣系統(tǒng)比冷池或熱池系統(tǒng)隔離整排機(jī)柜的冷熱空氣更為簡單有效,并且煙囪機(jī)柜在所有解決方案中是最簡單的全密閉系統(tǒng).另外,煙囪機(jī)柜系統(tǒng)不和空調(diào)系統(tǒng)相連,

10、這樣我們可以隨著需求的增加來任意增加機(jī)柜,從而達(dá)到更高的可擴(kuò)展性.最后,該系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的獨(dú)立性確保了數(shù)據(jù)中心可以使用大型的空調(diào)系統(tǒng)來提高制冷效率和節(jié)能.使用垂直排風(fēng)管系統(tǒng),冷空氣可使用高架地板(常用送風(fēng)方法)送風(fēng)或直接將冷風(fēng)吹入數(shù)據(jù)中心內(nèi)部來送風(fēng),并且可以結(jié)合使用空氣節(jié)能器來起到更佳的節(jié)能效果,垂直排風(fēng)管系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心內(nèi)的應(yīng)用,如圖3所示.垂直排風(fēng)管系統(tǒng)機(jī)柜的第一個(gè)挑戰(zhàn)是必須使用天花吊頂或者使用回風(fēng)管,這樣,數(shù)據(jù)中心就需要額外的高度.第二個(gè)挑戰(zhàn)是風(fēng)壓差,我們必須確保機(jī)柜前后具有風(fēng)壓,使得冷風(fēng)可以進(jìn)入機(jī)柜來對機(jī)柜散熱.這種挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在機(jī)柜前部的送風(fēng)風(fēng)壓壓力,機(jī)柜后部熱回風(fēng)的風(fēng)壓,機(jī)柜后部的理

11、線等功能區(qū)對風(fēng)壓的影響以及機(jī)柜頂部垂直排風(fēng)管的大小和長度.因此,必須在設(shè)計(jì)時(shí)特別注意,確保該垂直排風(fēng)管系統(tǒng)不會造成錯(cuò)誤的壓差.我們可以通過控制機(jī)柜內(nèi)部的空氣流速來控制機(jī)柜內(nèi)部的空氣壓力,即使在沒有任何有源設(shè)備的情況下,利用自然壓力差將更ntelligentBuilding&CityInformation20123No18423_OurEyes本期關(guān)注多的冷送風(fēng)吸入機(jī)柜,并將熱回風(fēng)排放至天花板上部.5通向綠色數(shù)據(jù)中心之路垂直排風(fēng)管機(jī)柜5.1防止無效的冷送風(fēng)浪費(fèi)現(xiàn)象Uptime(美國最大,最權(quán)威的數(shù)據(jù)中心研究機(jī)構(gòu))曾對美國的大型數(shù)據(jù)中心做過一次研究,美國平均每個(gè)數(shù)據(jù)中心冷送風(fēng)風(fēng)量是

12、實(shí)際需求的2.7倍,但是這么多的冷量仍無法對大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行冷卻很多數(shù)據(jù)中心存在著局部過熱問題.實(shí)際上這么多的冷量并沒有進(jìn)入機(jī)柜對lT設(shè)備進(jìn)行降溫,而完全浪費(fèi)掉.比如,我們通常所見高架地板上的過線孔,在下走線的數(shù)據(jù)中心內(nèi),很多過線孔是開在熱通道或機(jī)柜底部,這些開口在過線的同時(shí)也將空調(diào)的冷送風(fēng)送入了熱通道或機(jī)柜底部,從而繞開了設(shè)備的進(jìn)風(fēng)風(fēng)扇.我們甚至不止一次的見到,由于水平走線的原因,有些數(shù)據(jù)中心在數(shù)據(jù)中心高級地板墻壁上開了很大的孔,該孔造成了大量空調(diào)冷送風(fēng)向數(shù)據(jù)中心外部泄露,這些被浪費(fèi)的冷送風(fēng)帶來高架地板靜壓箱送風(fēng)風(fēng)壓的損失,從而導(dǎo)致冷送風(fēng)不能送達(dá)關(guān)鍵的位置.Uptime通過實(shí)際測量很多數(shù)

13、據(jù)中心,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心都存在不正確的浪費(fèi)現(xiàn)象,其浪費(fèi)達(dá)到50%甚至更多.如果將這些不正確的開孔密閉起來,可以大大提高數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷的效果.如果我們把這50%的冷量節(jié)省下來,該數(shù)據(jù)中心就有巨大的節(jié)能效果.我們用表1對同一數(shù)據(jù)中心做一個(gè)比24智能建筑與城市信息2012年第3期總第184期較,在一個(gè)30個(gè)機(jī)柜的低熱密度的機(jī)房內(nèi),如果我們將地板過線孔都密封起來,該數(shù)據(jù)中心空調(diào)運(yùn)行每小時(shí)節(jié)省262度電.表1開放過線孔數(shù)據(jù)中心密閉過線孔數(shù)據(jù)中心機(jī)柜數(shù)量3O3O機(jī)柜熱密度4kW4kW設(shè)備溫度升高1111每個(gè)機(jī)柜所需的風(fēng)量662CFM662CFM所需總風(fēng)量1986019860總送風(fēng)量397201986

14、0數(shù)據(jù)中心溫度升高5C1OC所需CRAC數(shù)量480fONS240fons所用電費(fèi)5256kWh262.8kWh5-2提高空調(diào)機(jī)熱回風(fēng)溫度來提高空調(diào)制冷性能眾所周知,空調(diào)的制冷效率和性能與空調(diào)機(jī)熱回風(fēng)和冷送風(fēng)的溫差有關(guān),如表2所示.表2空調(diào)機(jī)型號冷送風(fēng)溫度熱回風(fēng)溫度制冷量LieberiFH20010噸2178lons冷量空調(diào)機(jī)3215.5fons15,5405cc20.7lONSLieberlFH600C2123.0fons32cc46.0ions30噸冷量空調(diào)機(jī)4O.561.3lons對于絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心而言,它們給空調(diào)機(jī)的回風(fēng)溫度并不高,這些可能是因?yàn)閿?shù)據(jù)中心的布局不好或者是熱回風(fēng)在回流空

15、調(diào)機(jī)時(shí)被旁路(浪費(fèi)的)冷送風(fēng)降溫,從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心的空調(diào)制冷效能未達(dá)到空調(diào)機(jī)的性能值.我們以LibertFH600C30噸的空調(diào)機(jī)來看,大多冷熱通道布局的數(shù)據(jù)中心溫差為5.5(21回風(fēng)溫度,15.5C送風(fēng)溫度),這時(shí)空調(diào)機(jī)的制冷量僅為23噸,遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)空調(diào)機(jī)額定正常制冷指標(biāo).如果我們將回風(fēng)溫度從21提高到40.5時(shí),我們可以將空調(diào)額定制冷量翻倍,30噸冷量的空調(diào)機(jī)實(shí)際制冷效率為61.3噸.提高回風(fēng)溫度,不僅可以少買空調(diào)機(jī)來節(jié)約投資費(fèi)用,同時(shí)在數(shù)據(jù)中心實(shí)際運(yùn)行中也節(jié)省了很多電費(fèi).那么如何提高回風(fēng)溫度?答案很簡單:使用煙囪機(jī)柜.因?yàn)槭褂脽焽铏C(jī)柜,我們幾乎忽略設(shè)備熱回風(fēng)的路徑.所有熱空氣在天花板上方,

16、冷熱空氣不再混合,所以不存在熱空氣在向空調(diào)機(jī)回流時(shí)被冷卻的現(xiàn)象.5.3提高空調(diào)機(jī)冷送風(fēng)溫度采用冷熱通道布局的數(shù)據(jù)中心,房間內(nèi)部的溫度不一.由于冷熱空氣的相混合和避免機(jī)柜過熱的問題,空調(diào)機(jī)通常的冷送風(fēng)溫度在1113之間.但是在煙囪機(jī)柜的數(shù)據(jù)中心中,機(jī)柜頂部的垂直排風(fēng)管將機(jī)柜內(nèi)部的熱回風(fēng)導(dǎo)流至天花板上方,從而使機(jī)房內(nèi)部再無冷熱空氣混合的現(xiàn)象.lT設(shè)備過熱要求設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度不能超過25oC,這樣,對于空調(diào)機(jī)而言,24oC的冷送風(fēng)完全能夠冷卻數(shù)據(jù)中心.通過提高空調(diào)機(jī)的冷送風(fēng)溫度,可以提高冷凍水管的水溫和冷水機(jī)組的制冷效率.6結(jié)束語PUE是全球用來衡量數(shù)據(jù)中心是否綠色節(jié)能的重要一個(gè)技術(shù)指標(biāo).美國高性能數(shù)據(jù)

17、中心的PUE值大概為2.0左右.這代表了數(shù)據(jù)中心每用2度電,只有1度電是被lT設(shè)備用掉,另外1度電是用在管理該數(shù)據(jù)中心.通過對數(shù)據(jù)中心管理用電使用情況分析,得出空調(diào)和氣流管理大概占到40%左右的結(jié)論.國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的PUE值比歐美發(fā)達(dá)國家要大,這也意味著同樣的數(shù)據(jù)中心,我們使用了更多的能源.其中主要問題是管理人員對數(shù)據(jù)中心散熱的不熟悉,不重視.主要問題體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:一味購買更多的,更大的空調(diào)機(jī)來對數(shù)據(jù)中心制冷;空調(diào)冷送風(fēng)溫度過低;熱回風(fēng)回流空調(diào)機(jī)時(shí),預(yù)冷卻回風(fēng)從而降低了空調(diào)的制冷效率;機(jī)房布局不合理,機(jī)柜冷熱空氣相混合現(xiàn)象嚴(yán)重;大量的錯(cuò)誤地板開孔導(dǎo)致大量冷送風(fēng)被浪費(fèi).機(jī)柜的傳統(tǒng)概念正在被垂直排風(fēng)管系統(tǒng)慢慢改變,機(jī)柜不再是傳統(tǒng)意義上只是用來安裝設(shè)備的柜子而已,使用垂直排風(fēng)管機(jī)柜可將冷熱空氣徹底隔離,成為數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)密不可分的一個(gè)重要組成部分.目前垂直排風(fēng)管機(jī)柜在國際數(shù)據(jù)中心中逐步應(yīng)用.其中Intel在全球30個(gè)高熱密度數(shù)據(jù)中心廣泛使用.lntel在實(shí)際應(yīng)用中,每機(jī)柜熱密度高達(dá)32kW,在機(jī)房中無任何機(jī)柜局部過熱現(xiàn)象.在高效地對lT設(shè)備進(jìn)行散熱之外,該機(jī)柜還通過提高空調(diào)回風(fēng)溫度和提高空調(diào)機(jī)冷送風(fēng)溫度來大大節(jié)約數(shù)據(jù)中心能源.高密度刀片機(jī)柜