采用新型局部挡板结构的数据中心热性能优化办法

2020-07-29黄渤

中国设备工程 2020年15期

黄渤

（中海油信息科技有限公司，广东深圳 518067）

数据中心的能耗由IT设备能耗、冷却系统能耗、电源和照明能耗构成。冷却系统的能耗约占总能耗的40%，是数据中心的主要能耗来源之一。由于数据中心IT设备散热量大，并且要求冷却系统不间断运行，所以，空调系统面临着严峻的挑战，不仅要满足数据中心的可靠性要求，而且要达到节能的目的。气流组织对数据中心的热性能影响很大，与冷却系统的能耗有着密切的关系。当采用良好的空气分配方案时，可以有效消除过热和过冷现象，优化冷通道气流的均匀性被认为是改善空气分布和热性能的有效解决方案。本文提出了一种新的局部挡板结构，并对一系列数据中心模型进行了仿真，验证了该模型对提高系统热性能的有效性，同时，研究了局部挡板的优化配置问题。

1 物理模型和工作条件

本文中基本物理模型是一个模拟数据中心机房，其尺寸为10900mm（D）×7300mm（W）×3000mm（H），该机房采用地板下送风（UFAD）系统。房间内共有44个服务器机架，平均分为4排。机架排以热通道/冷通道（HA/CA）的形式排列。每排之间的距离是1200mm。机房空调（CRAC）布置在靠墙的冷通道线上。

仿真的部分参数如表1所示。许多研究人员研究了关于的地板下静压层的几何结构对数据中心热性能的影响，发现了穿孔率为20%～30%的穿孔地板能达到最优的热工性能，而600～800mm被认为是地板下静压层可以获得最均匀气流分布的理想高度。根据之前的调研和参考资料，本次调研的静压层高度设定为600mm，穿孔地板的穿孔率设定为20%。

表1 基本模型的参数

模型设计如图1所示。模型a）是基本模型，在地板下送风系统中没有任何挡板。b）以及c）使用挡板在地板下送风系统中创建了两个独立的空气分配室。通过这种配置，一个CRAC为相应的一个冷通道服务。新的挡板结构目的在于改善气流的均匀性，并消除靠近CRAC的机架上出现的热点。因此，增加了局部挡板，以增加靠近地板处的压力，并将适量的空气分配到较远的位置。垂直于冷通道的局部穿孔挡板，穿孔率分别为0%、20%和80%。所有其他挡板都是全封闭的，没有穿孔。

表2 数值模拟结果

图1 仿真模型方案

2 结果

数值模拟得到的机架表面温度分布和气流温度分布结果如表2所示。选取1500mm和500mm高度气流温度分布的平板等高线，研究了不同结构对气流温度分布和热性能的影响。

3 讨论

根据机架表面温度结果，1#、4#、6#、7#型可以明显地注意到热点出现在靠近CRAC的机架顶部。这种现象是由静压层内的压力分布引起的。穿孔地板流出的流量取决于房间压力与地板下静压之间的压降。当它靠近CRAC时，流量会增加，从而导致高动态压力和相应的低静态压力。这使得地板的流出率比其他地板低。同时，热点通常出现在靠近机架的位置。

机架表面温度测试结果还表明，02#、03#、05#消除了热点。从机架冷通道侧面的温度分布来看，02#的气流均匀性表现出最佳的热性能。然而，对比机架顶部1500mm高度处的气流温度，除02#和03#外，热点仍然存在。4#和7#穿孔率80%的穿孔挡板甚至使局部过热问题更严重。

模拟结果表明，该情况下最高温度比基本情况下的最高温度提高了2.1℃，而5#和6#情况下在气流分布上表现出很大的不均匀性，其中，第4～6机架有大量冷空气进入，导致过冷。总的来说，03#的穿孔率20%穿孔挡板和02#的封闭挡板是优化数据中心热性能和空气分布的有效改进结构。

500mm高度处的气流温度分布接近地板，能够反映不同模型的气流分布。使封闭挡板情况下的模型2和模型5结果表明，封闭挡板能够提高局部静压，增大风量，改善局部热环境。但也需要指出的是，使用局部封闭挡板后会出现明显的温升。据估计，封闭的挡板会导致其后面的压力下降，并形成低压区。因此，如果需要获得更均匀的气流，就必须对局部挡板进行穿孔设计。位于5号地板处的局部挡板确实对气流分布有影响，但它影响的是中部的机架，而不是靠近CRAC的机架。在2号地板处采用封闭式挡板的模型2#完全消除了热点，而封闭式挡板导致气流明显不均匀，当工况变化时，可提高系统的可靠性。在位于2号地板处位置采用20%穿孔挡板的模型3#消除了大部分热点，并显示出极大的均匀性。

挡板结构还可以改善局部地板和最近两个地板处气流的热性能。挡板结构对局部地板处气流的影响大于对周围地板处气流的影响。最严重的过热问题是靠近CRAC的1号地板处的第一个机架。因此，应考虑在1号地板处布置挡板结构，以使改进与具有不同严重程度过热问题的机架相匹配。