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一、 概述
隨著大量采用的新型高熱密度機(jī)架式服務(wù)器和刀片式服務(wù)器，目前國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的熱密度每年成上升的趨勢，且這種趨勢還在繼續(xù)，新型數(shù)據(jù)中心應(yīng)具有“高效、節(jié)能、可管理”的優(yōu)勢。通過很多案例以及儀器(熱成像儀)軟件(CFD)模擬發(fā)現(xiàn)，局部熱點(diǎn)的產(chǎn)生主要是因?yàn)?，管理者沒有對(duì)機(jī)房氣流組織進(jìn)行有效的管控，機(jī)房冷熱氣流紊亂產(chǎn)生的。局部熱點(diǎn)的現(xiàn)象，造成IT設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣，損壞設(shè)備，造成經(jīng)濟(jì)損失?？梢姽芸貦C(jī)房氣流是消除局部熱點(diǎn)的關(guān)鍵所在，所以我們要對(duì)機(jī)房氣流組織進(jìn)行研究分析，明確其危害，掌握一些解決辦法以及最佳實(shí)踐。達(dá)到改善IT設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，消除局部熱點(diǎn)的目的。
二、 數(shù)據(jù)中心機(jī)房局部熱點(diǎn)
在鋪有高架地板的數(shù)據(jù)機(jī)房，空調(diào)的冷空氣常透過地板底下的通道送達(dá)至每個(gè)機(jī)柜。然而，冷空氣傳達(dá)到遠(yuǎn)程的機(jī)柜時(shí)，風(fēng)量已經(jīng)減弱，再加上高架地板下通常也布滿電纜線以及管路，更對(duì)冷空氣的傳送增加了阻礙，造成熱點(diǎn)的重大問題，經(jīng)過多個(gè)項(xiàng)目的現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，以及依據(jù)國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及最佳實(shí)踐，總結(jié)出產(chǎn)生局部熱點(diǎn)的原因主要有以下6方面：
1) 單個(gè)機(jī)柜對(duì)應(yīng)的穿孔地板的送風(fēng)量與機(jī)柜內(nèi)IT設(shè)備所需的風(fēng)量不匹配
機(jī)柜內(nèi)沒有安裝設(shè)備，對(duì)應(yīng)的穿孔地板風(fēng)閥沒有完全關(guān)閉，或者穿孔地板完全關(guān)閉了也存在漏風(fēng)現(xiàn)象，造成冷風(fēng)量的損失，降低了整體制冷效率;
機(jī)柜內(nèi)安裝了設(shè)備，對(duì)應(yīng)的穿孔地板的送風(fēng)量不足，無法滿足設(shè)備的需求風(fēng)量，造成設(shè)備無法吸入有效的冷量，使得設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度升高。
2) 機(jī)柜內(nèi)空閑U位未安裝盲板
機(jī)柜內(nèi)空閑U位是指，機(jī)柜內(nèi)尚未安裝IT設(shè)備的U位，所有U位的空間尺寸相同，均為1U的服務(wù)器的寬*高：48.26cm(19英寸)*4.445cm(1.75 英寸)。機(jī)柜內(nèi)空閑U位未安裝盲板，導(dǎo)致機(jī)柜內(nèi)微環(huán)境氣流紊亂，經(jīng)檢測，IT設(shè)備排出的熱氣流，經(jīng)空閑U位回流至設(shè)備進(jìn)風(fēng)口，致使設(shè)備入口溫度大于機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度，使得設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度升高。
3) 同列相鄰機(jī)柜間空隙
同列相鄰機(jī)柜間空隙是指，兩個(gè)機(jī)柜之間尚未布置機(jī)柜的空間或布置機(jī)柜后形成了機(jī)柜間無法再布置機(jī)柜的空間。同列相鄰機(jī)柜間空隙的存在，使得冷熱氣流隔離效果不好，引起冷熱氣流混合的現(xiàn)象，造成冷量的浪費(fèi)，熱氣流的回流使得機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)溫度升高。
4) 機(jī)柜底部與靜電地板間空間
機(jī)柜底部與靜電地板間空間是指，機(jī)柜支腿與靜電地板間的空間，一般尺寸為0.6m*0.07m。機(jī)柜底部與靜電地板間空間的存在，會(huì)出現(xiàn)熱氣流從該空間回流至冷通道的現(xiàn)象，冷熱氣流混合，使得設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度升高。
5) 熱負(fù)荷與投入制冷量的匹配程度
依據(jù)能量守恒定律，產(chǎn)生多少的熱就需要多少的冷來抵消他，若機(jī)房制冷設(shè)備產(chǎn)生的總冷量，低于設(shè)備產(chǎn)生的總熱量，將無法有效的帶走設(shè)備產(chǎn)生的廢熱，出現(xiàn)局部熱點(diǎn)，使得設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度升高。
6) 機(jī)柜孔密度與設(shè)備風(fēng)量的匹配
機(jī)柜孔密度小的機(jī)柜安裝了大出風(fēng)量的設(shè)備，設(shè)備排出的熱氣無法高效的被散出，造成機(jī)柜內(nèi)渦流，致使機(jī)柜內(nèi)壓力高、溫度高。
三、 局部熱點(diǎn)的危害
局部熱點(diǎn)會(huì)影響IT設(shè)備的運(yùn)行可靠性，因?yàn)橐罁?jù)ASHRAE 2008 推薦的IT設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度在18-27℃范圍內(nèi)為最佳，通過調(diào)查以及詢問IT設(shè)備廠商，統(tǒng)計(jì)出數(shù)據(jù)中心機(jī)房各類IT設(shè)備對(duì)環(huán)境的要求(見下圖)，均滿足ASHRAE 2008 推薦范圍。目前，服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)溫度過高是目前數(shù)據(jù)中心普遍存在的問題，由于服務(wù)器內(nèi)溫升過高導(dǎo)致服務(wù)器宕機(jī)的例子也不鮮見，有機(jī)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器宕機(jī)的原因做過統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)除了服務(wù)器本身出現(xiàn)故障導(dǎo)致宕機(jī)外，另外兩個(gè)最主要的原因分別是環(huán)境溫度過高(占32%)和斷電(占22%)。由此可見局部熱點(diǎn)這是一個(gè)普遍問題。所以，當(dāng)有局部熱點(diǎn)現(xiàn)象存在時(shí)，會(huì)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行造成影響，過高的進(jìn)風(fēng)溫度使得IT設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境惡劣，設(shè)備電源模塊由于溫度過高容易損毀，也降低了設(shè)備的運(yùn)行可靠性，造成直接的經(jīng)濟(jì)損失。
各類IT設(shè)備對(duì)環(huán)境的要求
四、 局部熱點(diǎn)的解決方法
傳統(tǒng)局部熱點(diǎn)的解決方法多數(shù)都是加大整個(gè)房間的制冷量，這樣不但能耗加大，而且局部熱點(diǎn)還會(huì)時(shí)不時(shí)出現(xiàn)。另外，還有增加點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的主動(dòng)制冷方式，即機(jī)架式精確送風(fēng)空調(diào)，但這種方式，投資大，部署周期長，部署也比較空難。中科依據(jù)多年的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，以及國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及最佳實(shí)踐，對(duì)于局部熱點(diǎn)現(xiàn)象的解決方法主要有以下7方面。
1) 使用Tate DirectPerf導(dǎo)向型通風(fēng)板和手動(dòng)風(fēng)閥，對(duì)冷氣流進(jìn)行導(dǎo)流，使90%的冷量直接吹向設(shè)備，而且安裝方便、簡單，不影響設(shè)備的正常運(yùn)行。
2) 對(duì)沒有安裝盲板的空閑U位加裝盲板，阻止氣流的紊亂現(xiàn)象;
3) 封堵同列相鄰機(jī)柜間空隙，有效隔離冷熱通道;
4) 封堵機(jī)柜底部與靜電地板間空間，阻止熱氣流回流的現(xiàn)象。
5) 熱負(fù)荷與投入制冷量的匹配程度，依據(jù)能量守恒定律，空調(diào)實(shí)際輸出的制冷量與區(qū)域熱量應(yīng)是守恒的，安全角度考慮要配備一定的制冷余量，以單臺(tái)空調(diào)出現(xiàn)散熱失效不影響區(qū)域內(nèi)設(shè)備正常運(yùn)行為準(zhǔn)。
6) 風(fēng)量供給與設(shè)備需求的匹配程度，該指標(biāo)從微觀上講應(yīng)保證機(jī)柜不出現(xiàn)因風(fēng)量不足而引起局部過熱，宏觀上講區(qū)域總供風(fēng)量應(yīng)控制在需求總量的 90% - 110%之間。
7) 匹配調(diào)整穿孔地板開孔率，測量出風(fēng)量，按設(shè)備需求量供給;
五、 成果案例
2014年9月12號(hào)博悅能工程有限公司對(duì)位于微軟研發(fā)集團(tuán)總部1號(hào)樓18層和2號(hào)樓15層的兩個(gè)機(jī)房進(jìn)行了現(xiàn)場測試。本次測試意在消除機(jī)房局部熱點(diǎn)、節(jié)約成本的目的，通過測量，博悅能公司提出了將現(xiàn)有送風(fēng)口改用Tate DirectPerf導(dǎo)向型通風(fēng)板和手動(dòng)風(fēng)閥(有實(shí)際負(fù)載區(qū)域完全打開風(fēng)閥，沒有實(shí)際負(fù)載區(qū)域完全關(guān)閉風(fēng)閥)、機(jī)柜沒有IT設(shè)備的區(qū)域加裝盲板、封堵相鄰機(jī)柜間空隙、封堵機(jī)柜底部與靜電地板間空間等節(jié)能改造措施，不僅可以減少機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的能耗，還能避免局部熱點(diǎn)的現(xiàn)象，消除IT設(shè)備故障隱患。經(jīng)上述改造后，微軟兩個(gè)機(jī)房每年共節(jié)省耗電4005072KWH，共節(jié)約電費(fèi)3204057元，共減少1784180kg的CO2排放量。
1) 使用 Tate DirectPerf導(dǎo)向型通風(fēng)板和手動(dòng)風(fēng)閥替換普通穿孔地板。風(fēng)口前有運(yùn)行負(fù)載的區(qū)域，按需求量打開風(fēng)閥;風(fēng)口前沒有負(fù)載的區(qū)域，完全關(guān)閉風(fēng)閥，防止漏風(fēng)。經(jīng)測量、分析，對(duì)兩種地板的送風(fēng)量、支持負(fù)載功率進(jìn)行分析比較，明顯看出，機(jī)柜前安裝導(dǎo)向型通風(fēng)板后，機(jī)柜獲得的風(fēng)量大，滿足高熱密度機(jī)柜對(duì)大風(fēng)量的需求。
2) 機(jī)柜內(nèi)空閑U位加裝盲板，消除氣流紊亂現(xiàn)象，消除局部熱點(diǎn)。下圖是使用盲板封堵空閑U位前后，用熱成像儀拍攝的圖，以及對(duì)應(yīng)點(diǎn)溫度的變換情況。
3) 同列相鄰機(jī)柜間空隙進(jìn)行封堵，有效隔離冷熱氣流混合。下圖是相鄰機(jī)柜間空隙進(jìn)行封堵前后，用熱成像儀拍攝的圖，以及對(duì)應(yīng)點(diǎn)溫度的變換情況。
4) 機(jī)柜底部與靜電地板間空間進(jìn)行封堵，阻止熱氣流回流的現(xiàn)象。下圖為機(jī)柜底部與靜電地板間空間封堵前后，用熱成像儀拍攝的圖，以及對(duì)應(yīng)點(diǎn)溫度的變換情況。
六、 小結(jié)
通過以上論述，了解了熱點(diǎn)的產(chǎn)生、危害以及解決辦法，明確氣流組織的優(yōu)劣直接影響設(shè)備的運(yùn)行可靠性，并對(duì)制冷系統(tǒng)能效和費(fèi)用成本產(chǎn)生直接影響。那么，如何在保持高可靠性的前提下，建設(shè)安全、穩(wěn)定、高效、節(jié)能的數(shù)據(jù)中心，作為管理者我們應(yīng)主動(dòng)的去研究機(jī)房氣流、管控氣流，為IT設(shè)備營造優(yōu)良、舒適的工作環(huán)境，進(jìn)而提高設(shè)備的工作穩(wěn)定性和使用壽命。