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當(dāng)前位置:數(shù)據(jù)中心散熱制冷 → 正文

數(shù)據(jù)中心機(jī)房冷卻方式有幾種?

責(zé)任編輯:editor005 |來(lái)源:企業(yè)網(wǎng)D1Net  2017-10-18 14:04:50 本文摘自:機(jī)房百科

保持最佳工作溫度對(duì)許多數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn),當(dāng)數(shù)據(jù)中心沒(méi)有得到正確冷卻時(shí),IT設(shè)備可能會(huì)過(guò)熱,過(guò)熱可能會(huì)降低服務(wù)器性能或損壞硬件,因此,管理空氣流量對(duì)性能,成本和能源效率有重大影響。企業(yè)都非常重視數(shù)據(jù)中心冷卻失效后的溫升問(wèn)題,保障數(shù)據(jù)中心的在線運(yùn)營(yíng)是一項(xiàng)很大的成本支出,并且絕不允許無(wú)計(jì)劃的停電,更不允許出現(xiàn)單點(diǎn)故障,下面看看數(shù)據(jù)中心機(jī)房幾種冷卻方式,以及冷卻失效對(duì)機(jī)房溫升有多大影響!

為維持恒定的室內(nèi)溫度需要全年為之降溫,由此帶來(lái)了巨額的耗電量和電費(fèi),在節(jié)能減排和降低運(yùn)營(yíng)成本的雙重壓力,迫使人們不斷地研發(fā)新的節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品,通過(guò)提高運(yùn)行溫度,利用環(huán)境空氣和針對(duì)性的空氣進(jìn)行冷卻,而不再是將整個(gè)數(shù)據(jù)中心降到不必要的低溫,最終實(shí)現(xiàn)節(jié)省能源的目的。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房幾種冷卻方式

1、免費(fèi)冷卻

更高的運(yùn)行溫度通常也會(huì)讓免費(fèi)冷卻系統(tǒng)一起受益。在ASHRAE 90.1-2010指導(dǎo)文件中,免費(fèi)冷卻幾乎是一項(xiàng)節(jié)約能源的強(qiáng)制要求,必將被普遍運(yùn)用。節(jié)能改造的資本投入會(huì)部分地抵消運(yùn)營(yíng)成本節(jié)約的好處。但在改造或升級(jí)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)免費(fèi)冷卻也是技術(shù)和投資上的挑戰(zhàn)。預(yù)計(jì)未來(lái)兩年內(nèi)將出現(xiàn)新的標(biāo)準(zhǔn),使免費(fèi)冷卻更具可行性。靠近水源的免費(fèi)冷卻將可能會(huì)更具優(yōu)勢(shì),但我們將會(huì)看到更多類(lèi)似日本Kyoto Wheel的空氣冷卻案例。最終,數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商將能夠在超出以前預(yù)計(jì)的更多氣候條件下采用免費(fèi)冷卻措施,這部分是因?yàn)楦哌\(yùn)行溫度的貢獻(xiàn)。

大數(shù)據(jù)

  2、密封冷卻

密封措施也無(wú)法解決由于錯(cuò)誤的冷卻規(guī)劃、空氣流動(dòng)不充分或冷卻能力引起的過(guò)熱問(wèn)題。最新的國(guó)家防火協(xié)會(huì)商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(NFPA-75)可能會(huì)使密封冷卻的方案更難實(shí)現(xiàn)。對(duì)噴淋和(或)氣體滅火系統(tǒng)的改造將大大增加成本。除了要盡力避免錯(cuò)誤的實(shí)施外,日常優(yōu)化也很重要:在未使用的機(jī)架空間一定要安裝盲板,架空地板上的孔洞要及時(shí)封堵,地板下面影響通風(fēng)的線纜也要做好清理。

3、后門(mén)冷卻器

被人們接受的程度也非常高,部分也是因?yàn)樗浞绞街匦率艿疥P(guān)注。如果將巨大的機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)取消,改用貼近設(shè)備的新型冷卻方式的話,相信數(shù)據(jù)中心行業(yè)會(huì)運(yùn)行得比現(xiàn)在更好。教育背景和希望與眾不同的個(gè)人意愿或許會(huì)促生新案例,但成本和電源可用性的矛盾將決定最終結(jié)果。

4、蒸發(fā)或絕熱冷卻

雖然使用蒸發(fā)方式制冷的科學(xué)原理簡(jiǎn)單,并正在逐漸流行,但它對(duì)于大多數(shù)數(shù)據(jù)中心操作人員而言仍然顯得新奇。絕熱冷卻通過(guò)降低封閉環(huán)境中的某種物質(zhì)運(yùn)行的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻,讓這些物質(zhì)沸騰如同巖漿涌上火山表面,同時(shí)用風(fēng)帶走山峰上的高溫。絕熱冷卻在溫暖、干燥的氣候中仍然有效,這大大拓寬了一年中能夠“免費(fèi)冷卻”的有效期。其主要的缺點(diǎn)是用水量有些多,但在同等冷卻量的情況下,它所需的冷卻水仍然比標(biāo)準(zhǔn)冷卻塔要少很多。

大數(shù)據(jù)

  5、緊耦合或熱源冷卻

緊耦合冷卻方式通過(guò)貼近熱源來(lái)實(shí)現(xiàn)更有效的運(yùn)作。這不算什么新東西——問(wèn)問(wèn)老的大型機(jī)操作員或任何筆記本電腦設(shè)計(jì)人員就知道了。雖然緊耦合冷卻在數(shù)據(jù)中心里面還是“主流”,但是更新的方法在滿足能源效率的需求方面往往做得更好,并獲取更多關(guān)注。它的工作方式很簡(jiǎn)單:消耗能源來(lái)將大量的空氣吹入地板下的空間或者導(dǎo)風(fēng)管,然后又將這些空氣拉回至空調(diào)。

更有前途的技術(shù)包括浸入式冷卻:將服務(wù)器整個(gè)浸泡在礦物油里,以便使用最少的能耗獲得極高的冷卻效率。但是技術(shù)人員需要對(duì)內(nèi)外布滿了石油的服務(wù)器進(jìn)行處理時(shí),心里會(huì)怎么想?顯然這種冷卻方式并不是適合所有場(chǎng)景。

6、更高的運(yùn)行溫度

美國(guó)供暖、制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(huì)(ASHRAE)在2008年就第一次發(fā)表了關(guān)于較高溫度數(shù)據(jù)中心的建議,但并未引起注意。服務(wù)器不需要冷藏。即使入口空氣溫度達(dá)到華氏75到80°F(攝氏25至27°C),這些設(shè)備仍然能維持良好運(yùn)作。服務(wù)器制造商實(shí)際上已經(jīng)擴(kuò)展了產(chǎn)品的運(yùn)行溫度范圍,而且舊設(shè)備其實(shí)也和新設(shè)備一樣能夠在擴(kuò)展的溫度區(qū)間內(nèi)運(yùn)行。提高運(yùn)行溫度可以大幅度節(jié)省能源消耗,但人們首先需要認(rèn)可這種處理方式,然后同意讓熱通道變得更熱——想像一下100°F (38°C)的溫度怎樣?這會(huì)刺激后門(mén)冷卻器的應(yīng)用和普及。

  7、煙囪式機(jī)柜和天花板風(fēng)道

使用天花板上方的空間形成的風(fēng)道將空氣傳輸給機(jī)房空調(diào)系統(tǒng),確保回風(fēng)以最高的溫度返回空調(diào)冷卻盤(pán)管,可以顯著增加精密空調(diào)系統(tǒng)的冷卻能力。結(jié)合了吊頂風(fēng)道和熱通道措施的最終設(shè)備形式就是煙囪式機(jī)柜,可以獲得最大的冷卻效率。來(lái)自服務(wù)器群的高溫廢氣從機(jī)柜后部的煙囪排出,然后直接通過(guò)吊頂天花板上方的風(fēng)道回到空調(diào)設(shè)備中。整個(gè)過(guò)程中熱空氣和冷空氣保持分離,所以可以保持很高的能效比。

雖然效果明顯,但是煙囪式機(jī)柜并沒(méi)有獲得大力推廣或被廣泛接受。這可能是因?yàn)槿芊馐降脑O(shè)計(jì)靈活性更好,可以使用更多的機(jī)柜實(shí)現(xiàn)相同的效果。然而,煙囪式機(jī)柜可以讓整個(gè)房間維持冷通道溫度,讓工作環(huán)境變得更加舒適。

直接、間接自然冷卻

數(shù)據(jù)中心利用自然冷源進(jìn)行制冷的解決方案主要有間接自然冷卻和直接自然冷卻兩種方式。機(jī)房空調(diào)一年四季都需要制冷,過(guò)渡季節(jié)室外溫度低于室內(nèi)溫度時(shí),自然界存在著豐富的冷源,如何利用大自然的冷源進(jìn)行冷卻是機(jī)房空調(diào)節(jié)能減排的重點(diǎn)問(wèn)題。

  1、直接自然冷卻

(1)全新風(fēng)自然冷卻

直接引入室外新風(fēng)、配合冷熱通道隔離實(shí)現(xiàn)機(jī)房制冷,針對(duì)不同地區(qū)的氣候條件,新風(fēng)進(jìn)入機(jī)房前需要經(jīng)過(guò)過(guò)濾、加濕、除濕、送回風(fēng)混合等預(yù)處理。

(2)雞舍式熱壓自然循環(huán)風(fēng)冷卻

不需要機(jī)械幫助,直接靠服務(wù)器散發(fā)的熱能產(chǎn)生動(dòng)力自然散熱。把服務(wù)器散發(fā)的熱量收集起來(lái),利用空氣膨脹后產(chǎn)生向上的動(dòng)力,通過(guò)足夠高的煙囪讓熱空氣往上升帶動(dòng)空氣流動(dòng),完成散熱循環(huán)。

(3)轉(zhuǎn)輪式熱交換自然冷卻

利用轉(zhuǎn)輪內(nèi)填料的儲(chǔ)能功能,讓轉(zhuǎn)輪在兩個(gè)封閉的風(fēng)道內(nèi)緩慢旋轉(zhuǎn),被室外空氣冷卻的填料冷卻室內(nèi)空氣。

  2、間接自然冷卻

(1)帶自然冷卻節(jié)能模塊的風(fēng)冷式冷水機(jī)組

春秋過(guò)渡季節(jié)和晚上,當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到比冷凍水回水溫度低兩度或以上時(shí),開(kāi)啟自然冷卻模塊制冷,無(wú)壓縮機(jī)功耗,自然冷卻不夠的部分,再由壓縮制冷接力達(dá)到需求冷量。隨著室外環(huán)境溫度降低,自然冷卻部分占的比例越來(lái)越大,直至達(dá)到100%,完全自然冷卻制冷,無(wú)壓縮機(jī)功耗。

(2)水側(cè)板換節(jié)能裝置

由大型冷卻塔、水冷型冷水機(jī)組、板式換熱器組成,夏季采用冷水機(jī)組和冷卻塔制冷,冬季采用板換將有雜質(zhì)的冷卻水轉(zhuǎn)變?yōu)楦蓛舻睦鋬鏊腿肟照{(diào)室內(nèi)機(jī),冷水機(jī)組停機(jī)。

(3)雙盤(pán)管乙二醇自然冷卻

在直膨蒸發(fā)器盤(pán)管上,再并一組冷凍水經(jīng)濟(jì)盤(pán)管,通過(guò)兩套兩通閥來(lái)調(diào)節(jié)水是經(jīng)過(guò)板式熱交換器的冷凝器還是經(jīng)過(guò)冷凍水盤(pán)管。室外干冷器夏季提供冷卻水給板換用于直膨制冷,冬季提供冷凍水給經(jīng)濟(jì)盤(pán)管用于冷凍水制冷。

(4)氟泵自然冷卻

在夏季,制冷壓縮機(jī)運(yùn)行;當(dāng)室外溫度低于設(shè)定點(diǎn)時(shí),自動(dòng)切換為氟泵節(jié)能系統(tǒng)運(yùn)行,停止壓縮機(jī)運(yùn)行,保證全年機(jī)房空調(diào)安全可靠運(yùn)行。氟泵不高于壓縮機(jī)運(yùn)行功耗的10%,相對(duì)于水系統(tǒng)空調(diào),無(wú)需添加防凍劑,無(wú)水患憂慮。

(5)輔助蒸發(fā)自然冷卻

空調(diào)室外機(jī)霧化水噴淋系統(tǒng)將軟化水進(jìn)行增壓后通過(guò)高速直流馬達(dá)進(jìn)行霧化處理,將每一滴水霧化成原水滴的體積1/500左右直接噴灑在冷凝器翅片上實(shí)現(xiàn)輔助蒸發(fā),使得冷凝器的整體散熱量增大、功耗降低。這種通過(guò)室外機(jī)霧化噴淋延長(zhǎng)自然冷卻運(yùn)行時(shí)間的方式,在干燥氣候下最為有效,如中國(guó)西部和東北部。

綜上,對(duì)常見(jiàn)的幾種自然冷卻制冷方式進(jìn)行綜合比較:

  數(shù)據(jù)中心冷卻失效對(duì)機(jī)房溫升有多大影響?

通過(guò)各自的實(shí)驗(yàn)研究得出了一些關(guān)于冷卻失效引起的數(shù)據(jù)中心的溫升曲線和基本結(jié)論,對(duì)數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的不同架構(gòu)進(jìn)行了研究,對(duì)于開(kāi)放式的冷卻系統(tǒng)架構(gòu)給出了不同功率密度下冷卻失效后服務(wù)器機(jī)柜平均進(jìn)風(fēng)溫度的變化曲線,如下圖所示,可以看出:在不同的功率密度下,服務(wù)器機(jī)柜平均進(jìn)風(fēng)溫度的溫升速度不同;功率密度越大,服務(wù)器機(jī)柜平均進(jìn)風(fēng)溫度升高得越快。因此,對(duì)于高熱密度的數(shù)據(jù)中心,有必要設(shè)計(jì)蓄冷罐來(lái)保障冷卻連續(xù)性。

對(duì)不同功率密度下數(shù)據(jù)中心冷卻失效后的溫升情況進(jìn)行了研究,結(jié)果見(jiàn)下圖冷卻失效時(shí)間在180 s內(nèi),因此曲線比較平緩,并且不同曲線的基準(zhǔn)溫度不同。

通過(guò)研究數(shù)據(jù)中心冷卻失效引起的機(jī)房溫升問(wèn)題,UI提出了冷卻連續(xù)性的概念,并將數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的可用性提到與供電可用性同樣的高度,將數(shù)據(jù)中心的不間斷供冷分為A,B,C 3個(gè)級(jí)別,并分別與高熱密度、中熱密度和低熱密度3種功率密度的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)應(yīng)。

不同功率密度下數(shù)據(jù)中心冷卻失效引起的溫升與時(shí)間的關(guān)系,結(jié)果見(jiàn)表1(基準(zhǔn)溫度為20 ℃)。隨著單機(jī)柜功率密度的增大,冷卻失效引起的溫升速率逐漸增大。對(duì)于功率密度為5 kW/機(jī)柜的數(shù)據(jù)中心,冷卻失效引起10 ℃溫升需要50 s。

溫升速率(y)和功率密度(x)大致合理的最佳擬合關(guān)系式為y=0.002 4x2+0.027 5x+0.000 3,如下圖所示:

將擬合關(guān)系式改寫(xiě)成y=0.1x×0.024x+0.027 5x+0.000 3,并對(duì)擬合關(guān)系式的多項(xiàng)式系數(shù)進(jìn)行主因子分析,可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)功率密度(x)等于10 kW/機(jī)柜時(shí),二次項(xiàng)因子為0.1×10×0.024×10=0.24,小于一次項(xiàng)因子0.027 5×10=0.275。當(dāng)功率密度(x)小于10 kW/機(jī)柜時(shí),一次項(xiàng)系數(shù)為主因子,并決定整個(gè)多項(xiàng)式的值,因此可簡(jiǎn)化為一次多項(xiàng)式,即在功率密度小于10 kW/機(jī)柜時(shí),溫升速率(y)與功率密度(x)更接近線性關(guān)系:y=0.050 1x-0.032 5(如圖5所示)。比較圖4和圖5擬合曲線的殘差R2也容易看出,當(dāng)功率密度(x)小于10 kW/機(jī)柜時(shí),在現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)條件下用線性關(guān)系式表達(dá)擬合關(guān)系更準(zhǔn)確。

當(dāng)功率密度(x)大于10 kW/機(jī)柜時(shí),由于二次項(xiàng)系數(shù)為主因子,并決定整個(gè)多項(xiàng)式的值,因此溫升速率(y)與功率密度(x)更接近二次多項(xiàng)式關(guān)系:y=0.002 4x2+0.027 5x+0.000 3。根據(jù)多項(xiàng)式擬合關(guān)系式進(jìn)行擬合數(shù)據(jù)外推,可以導(dǎo)出10~30 kW/機(jī)柜功率密度范圍內(nèi)的溫升速率。

研究結(jié)論各不相同,這是合理的也是正常的。首先,各自的測(cè)試環(huán)境和工況不同;其次,影響溫升的因素很多,比如功率密度、冷卻系統(tǒng)架構(gòu)、機(jī)柜數(shù)量、機(jī)柜布局、機(jī)房層高、架高地板高度、甚至機(jī)柜材質(zhì)都會(huì)影響數(shù)據(jù)中心冷卻失效后的溫升。因此,不同數(shù)據(jù)中心冷卻失效后的溫升情況不一樣,不能一概而論。

當(dāng)前,國(guó)內(nèi)研究數(shù)據(jù)中心冷卻失效引起的溫升的有效手段之一是建模仿真分析。筆者建立了數(shù)據(jù)中心的傳熱模型,應(yīng)用數(shù)據(jù)中心專(zhuān)用仿真軟件對(duì)數(shù)據(jù)中心冷卻失效的溫升進(jìn)行計(jì)算分析。

傳熱模型描述

簡(jiǎn)化的數(shù)據(jù)中心傳熱模型下圖所示,以數(shù)據(jù)機(jī)房作為一個(gè)封閉的傳熱系統(tǒng),作如下假設(shè):

  (1)數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)失效,但服務(wù)器因有UPS供電而繼續(xù)運(yùn)行并持續(xù)發(fā)熱。

(2)數(shù)據(jù)機(jī)房是一個(gè)封閉系統(tǒng),只存在傳熱,不存在傳質(zhì)。

(3)服務(wù)器運(yùn)行產(chǎn)生的熱量通過(guò)以下幾個(gè)途徑散失:①熱量被機(jī)房?jī)?nèi)的空氣吸收;②通過(guò)機(jī)柜向空氣傳熱;③通過(guò)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)向室外環(huán)境散熱;④通過(guò)架高地板向地板下環(huán)境散熱;⑤通過(guò)樓板向鄰近樓層傳熱。

(4)數(shù)據(jù)中心的冷熱空氣充分混合。

(5)機(jī)柜前門(mén)和后門(mén)通孔率為100%,即認(rèn)為機(jī)柜沒(méi)有前后門(mén)。

(6)傳熱過(guò)程為一維穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。

仿真建模分析

采用軟件建立一個(gè)數(shù)據(jù)中心的簡(jiǎn)單物理模型,進(jìn)行CFD建模分析,3D物理模型如圖所示,模型的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)下圖:

通過(guò)對(duì)一個(gè)功率密度為4 kW/機(jī)柜的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行冷卻失效建模計(jì)算,應(yīng)用軟件可以快捷地給出不同時(shí)刻數(shù)據(jù)中心的溫度分布云圖,如圖所示:

對(duì)所建模型中的一個(gè)服務(wù)器機(jī)柜的平均進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)行分析,當(dāng)冷卻失效后該服務(wù)器機(jī)柜的平均進(jìn)風(fēng)溫度曲線如圖所示,可以看出,在服務(wù)器機(jī)柜的平均進(jìn)風(fēng)溫度達(dá)到80 ℃以前,其溫度近似隨時(shí)間線性升高,這說(shuō)明:在一定的功率密度下(本模型為4 kW/機(jī)柜),服務(wù)器機(jī)柜的溫升速率為恒定值。這個(gè)結(jié)論與前文推導(dǎo)出的溫升同,物理參數(shù)的不同會(huì)影響冷卻失效后的溫升速度,但總體趨勢(shì)是呈線性變化。

關(guān)鍵字:數(shù)據(jù)中心服務(wù)器機(jī)柜

本文摘自:機(jī)房百科

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數(shù)據(jù)中心機(jī)房冷卻方式有幾種?

責(zé)任編輯:editor005 |來(lái)源:企業(yè)網(wǎng)D1Net  2017-10-18 14:04:50 本文摘自:機(jī)房百科

保持最佳工作溫度對(duì)許多數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn),當(dāng)數(shù)據(jù)中心沒(méi)有得到正確冷卻時(shí),IT設(shè)備可能會(huì)過(guò)熱,過(guò)熱可能會(huì)降低服務(wù)器性能或損壞硬件,因此,管理空氣流量對(duì)性能,成本和能源效率有重大影響。企業(yè)都非常重視數(shù)據(jù)中心冷卻失效后的溫升問(wèn)題,保障數(shù)據(jù)中心的在線運(yùn)營(yíng)是一項(xiàng)很大的成本支出,并且絕不允許無(wú)計(jì)劃的停電,更不允許出現(xiàn)單點(diǎn)故障,下面看看數(shù)據(jù)中心機(jī)房幾種冷卻方式,以及冷卻失效對(duì)機(jī)房溫升有多大影響!

為維持恒定的室內(nèi)溫度需要全年為之降溫,由此帶來(lái)了巨額的耗電量和電費(fèi),在節(jié)能減排和降低運(yùn)營(yíng)成本的雙重壓力,迫使人們不斷地研發(fā)新的節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品,通過(guò)提高運(yùn)行溫度,利用環(huán)境空氣和針對(duì)性的空氣進(jìn)行冷卻,而不再是將整個(gè)數(shù)據(jù)中心降到不必要的低溫,最終實(shí)現(xiàn)節(jié)省能源的目的。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房幾種冷卻方式

1、免費(fèi)冷卻

更高的運(yùn)行溫度通常也會(huì)讓免費(fèi)冷卻系統(tǒng)一起受益。在ASHRAE 90.1-2010指導(dǎo)文件中,免費(fèi)冷卻幾乎是一項(xiàng)節(jié)約能源的強(qiáng)制要求,必將被普遍運(yùn)用。節(jié)能改造的資本投入會(huì)部分地抵消運(yùn)營(yíng)成本節(jié)約的好處。但在改造或升級(jí)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)免費(fèi)冷卻也是技術(shù)和投資上的挑戰(zhàn)。預(yù)計(jì)未來(lái)兩年內(nèi)將出現(xiàn)新的標(biāo)準(zhǔn),使免費(fèi)冷卻更具可行性。靠近水源的免費(fèi)冷卻將可能會(huì)更具優(yōu)勢(shì),但我們將會(huì)看到更多類(lèi)似日本Kyoto Wheel的空氣冷卻案例。最終,數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商將能夠在超出以前預(yù)計(jì)的更多氣候條件下采用免費(fèi)冷卻措施,這部分是因?yàn)楦哌\(yùn)行溫度的貢獻(xiàn)。

大數(shù)據(jù)

  2、密封冷卻

密封措施也無(wú)法解決由于錯(cuò)誤的冷卻規(guī)劃、空氣流動(dòng)不充分或冷卻能力引起的過(guò)熱問(wèn)題。最新的國(guó)家防火協(xié)會(huì)商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(NFPA-75)可能會(huì)使密封冷卻的方案更難實(shí)現(xiàn)。對(duì)噴淋和(或)氣體滅火系統(tǒng)的改造將大大增加成本。除了要盡力避免錯(cuò)誤的實(shí)施外,日常優(yōu)化也很重要:在未使用的機(jī)架空間一定要安裝盲板,架空地板上的孔洞要及時(shí)封堵,地板下面影響通風(fēng)的線纜也要做好清理。

3、后門(mén)冷卻器

被人們接受的程度也非常高,部分也是因?yàn)樗浞绞街匦率艿疥P(guān)注。如果將巨大的機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)取消,改用貼近設(shè)備的新型冷卻方式的話,相信數(shù)據(jù)中心行業(yè)會(huì)運(yùn)行得比現(xiàn)在更好。教育背景和希望與眾不同的個(gè)人意愿或許會(huì)促生新案例,但成本和電源可用性的矛盾將決定最終結(jié)果。

4、蒸發(fā)或絕熱冷卻

雖然使用蒸發(fā)方式制冷的科學(xué)原理簡(jiǎn)單,并正在逐漸流行,但它對(duì)于大多數(shù)數(shù)據(jù)中心操作人員而言仍然顯得新奇。絕熱冷卻通過(guò)降低封閉環(huán)境中的某種物質(zhì)運(yùn)行的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻,讓這些物質(zhì)沸騰如同巖漿涌上火山表面,同時(shí)用風(fēng)帶走山峰上的高溫。絕熱冷卻在溫暖、干燥的氣候中仍然有效,這大大拓寬了一年中能夠“免費(fèi)冷卻”的有效期。其主要的缺點(diǎn)是用水量有些多,但在同等冷卻量的情況下,它所需的冷卻水仍然比標(biāo)準(zhǔn)冷卻塔要少很多。

大數(shù)據(jù)

  5、緊耦合或熱源冷卻

緊耦合冷卻方式通過(guò)貼近熱源來(lái)實(shí)現(xiàn)更有效的運(yùn)作。這不算什么新東西——問(wèn)問(wèn)老的大型機(jī)操作員或任何筆記本電腦設(shè)計(jì)人員就知道了。雖然緊耦合冷卻在數(shù)據(jù)中心里面還是“主流”,但是更新的方法在滿足能源效率的需求方面往往做得更好,并獲取更多關(guān)注。它的工作方式很簡(jiǎn)單:消耗能源來(lái)將大量的空氣吹入地板下的空間或者導(dǎo)風(fēng)管,然后又將這些空氣拉回至空調(diào)。

更有前途的技術(shù)包括浸入式冷卻:將服務(wù)器整個(gè)浸泡在礦物油里,以便使用最少的能耗獲得極高的冷卻效率。但是技術(shù)人員需要對(duì)內(nèi)外布滿了石油的服務(wù)器進(jìn)行處理時(shí),心里會(huì)怎么想?顯然這種冷卻方式并不是適合所有場(chǎng)景。

6、更高的運(yùn)行溫度

美國(guó)供暖、制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(huì)(ASHRAE)在2008年就第一次發(fā)表了關(guān)于較高溫度數(shù)據(jù)中心的建議,但并未引起注意。服務(wù)器不需要冷藏。即使入口空氣溫度達(dá)到華氏75到80°F(攝氏25至27°C),這些設(shè)備仍然能維持良好運(yùn)作。服務(wù)器制造商實(shí)際上已經(jīng)擴(kuò)展了產(chǎn)品的運(yùn)行溫度范圍,而且舊設(shè)備其實(shí)也和新設(shè)備一樣能夠在擴(kuò)展的溫度區(qū)間內(nèi)運(yùn)行。提高運(yùn)行溫度可以大幅度節(jié)省能源消耗,但人們首先需要認(rèn)可這種處理方式,然后同意讓熱通道變得更熱——想像一下100°F (38°C)的溫度怎樣?這會(huì)刺激后門(mén)冷卻器的應(yīng)用和普及。

  7、煙囪式機(jī)柜和天花板風(fēng)道

使用天花板上方的空間形成的風(fēng)道將空氣傳輸給機(jī)房空調(diào)系統(tǒng),確保回風(fēng)以最高的溫度返回空調(diào)冷卻盤(pán)管,可以顯著增加精密空調(diào)系統(tǒng)的冷卻能力。結(jié)合了吊頂風(fēng)道和熱通道措施的最終設(shè)備形式就是煙囪式機(jī)柜,可以獲得最大的冷卻效率。來(lái)自服務(wù)器群的高溫廢氣從機(jī)柜后部的煙囪排出,然后直接通過(guò)吊頂天花板上方的風(fēng)道回到空調(diào)設(shè)備中。整個(gè)過(guò)程中熱空氣和冷空氣保持分離,所以可以保持很高的能效比。

雖然效果明顯,但是煙囪式機(jī)柜并沒(méi)有獲得大力推廣或被廣泛接受。這可能是因?yàn)槿芊馐降脑O(shè)計(jì)靈活性更好,可以使用更多的機(jī)柜實(shí)現(xiàn)相同的效果。然而,煙囪式機(jī)柜可以讓整個(gè)房間維持冷通道溫度,讓工作環(huán)境變得更加舒適。

直接、間接自然冷卻

數(shù)據(jù)中心利用自然冷源進(jìn)行制冷的解決方案主要有間接自然冷卻和直接自然冷卻兩種方式。機(jī)房空調(diào)一年四季都需要制冷,過(guò)渡季節(jié)室外溫度低于室內(nèi)溫度時(shí),自然界存在著豐富的冷源,如何利用大自然的冷源進(jìn)行冷卻是機(jī)房空調(diào)節(jié)能減排的重點(diǎn)問(wèn)題。

  1、直接自然冷卻

(1)全新風(fēng)自然冷卻

直接引入室外新風(fēng)、配合冷熱通道隔離實(shí)現(xiàn)機(jī)房制冷,針對(duì)不同地區(qū)的氣候條件,新風(fēng)進(jìn)入機(jī)房前需要經(jīng)過(guò)過(guò)濾、加濕、除濕、送回風(fēng)混合等預(yù)處理。

(2)雞舍式熱壓自然循環(huán)風(fēng)冷卻

不需要機(jī)械幫助,直接靠服務(wù)器散發(fā)的熱能產(chǎn)生動(dòng)力自然散熱。把服務(wù)器散發(fā)的熱量收集起來(lái),利用空氣膨脹后產(chǎn)生向上的動(dòng)力,通過(guò)足夠高的煙囪讓熱空氣往上升帶動(dòng)空氣流動(dòng),完成散熱循環(huán)。

(3)轉(zhuǎn)輪式熱交換自然冷卻

利用轉(zhuǎn)輪內(nèi)填料的儲(chǔ)能功能,讓轉(zhuǎn)輪在兩個(gè)封閉的風(fēng)道內(nèi)緩慢旋轉(zhuǎn),被室外空氣冷卻的填料冷卻室內(nèi)空氣。

  2、間接自然冷卻

(1)帶自然冷卻節(jié)能模塊的風(fēng)冷式冷水機(jī)組

春秋過(guò)渡季節(jié)和晚上,當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到比冷凍水回水溫度低兩度或以上時(shí),開(kāi)啟自然冷卻模塊制冷,無(wú)壓縮機(jī)功耗,自然冷卻不夠的部分,再由壓縮制冷接力達(dá)到需求冷量。隨著室外環(huán)境溫度降低,自然冷卻部分占的比例越來(lái)越大,直至達(dá)到100%,完全自然冷卻制冷,無(wú)壓縮機(jī)功耗。

(2)水側(cè)板換節(jié)能裝置

由大型冷卻塔、水冷型冷水機(jī)組、板式換熱器組成,夏季采用冷水機(jī)組和冷卻塔制冷,冬季采用板換將有雜質(zhì)的冷卻水轉(zhuǎn)變?yōu)楦蓛舻睦鋬鏊腿肟照{(diào)室內(nèi)機(jī),冷水機(jī)組停機(jī)。

(3)雙盤(pán)管乙二醇自然冷卻

在直膨蒸發(fā)器盤(pán)管上,再并一組冷凍水經(jīng)濟(jì)盤(pán)管,通過(guò)兩套兩通閥來(lái)調(diào)節(jié)水是經(jīng)過(guò)板式熱交換器的冷凝器還是經(jīng)過(guò)冷凍水盤(pán)管。室外干冷器夏季提供冷卻水給板換用于直膨制冷,冬季提供冷凍水給經(jīng)濟(jì)盤(pán)管用于冷凍水制冷。

(4)氟泵自然冷卻

在夏季,制冷壓縮機(jī)運(yùn)行;當(dāng)室外溫度低于設(shè)定點(diǎn)時(shí),自動(dòng)切換為氟泵節(jié)能系統(tǒng)運(yùn)行,停止壓縮機(jī)運(yùn)行,保證全年機(jī)房空調(diào)安全可靠運(yùn)行。氟泵不高于壓縮機(jī)運(yùn)行功耗的10%,相對(duì)于水系統(tǒng)空調(diào),無(wú)需添加防凍劑,無(wú)水患憂慮。

(5)輔助蒸發(fā)自然冷卻

空調(diào)室外機(jī)霧化水噴淋系統(tǒng)將軟化水進(jìn)行增壓后通過(guò)高速直流馬達(dá)進(jìn)行霧化處理,將每一滴水霧化成原水滴的體積1/500左右直接噴灑在冷凝器翅片上實(shí)現(xiàn)輔助蒸發(fā),使得冷凝器的整體散熱量增大、功耗降低。這種通過(guò)室外機(jī)霧化噴淋延長(zhǎng)自然冷卻運(yùn)行時(shí)間的方式,在干燥氣候下最為有效,如中國(guó)西部和東北部。

綜上,對(duì)常見(jiàn)的幾種自然冷卻制冷方式進(jìn)行綜合比較:

  數(shù)據(jù)中心冷卻失效對(duì)機(jī)房溫升有多大影響?

通過(guò)各自的實(shí)驗(yàn)研究得出了一些關(guān)于冷卻失效引起的數(shù)據(jù)中心的溫升曲線和基本結(jié)論,對(duì)數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的不同架構(gòu)進(jìn)行了研究,對(duì)于開(kāi)放式的冷卻系統(tǒng)架構(gòu)給出了不同功率密度下冷卻失效后服務(wù)器機(jī)柜平均進(jìn)風(fēng)溫度的變化曲線,如下圖所示,可以看出:在不同的功率密度下,服務(wù)器機(jī)柜平均進(jìn)風(fēng)溫度的溫升速度不同;功率密度越大,服務(wù)器機(jī)柜平均進(jìn)風(fēng)溫度升高得越快。因此,對(duì)于高熱密度的數(shù)據(jù)中心,有必要設(shè)計(jì)蓄冷罐來(lái)保障冷卻連續(xù)性。

對(duì)不同功率密度下數(shù)據(jù)中心冷卻失效后的溫升情況進(jìn)行了研究,結(jié)果見(jiàn)下圖冷卻失效時(shí)間在180 s內(nèi),因此曲線比較平緩,并且不同曲線的基準(zhǔn)溫度不同。

通過(guò)研究數(shù)據(jù)中心冷卻失效引起的機(jī)房溫升問(wèn)題,UI提出了冷卻連續(xù)性的概念,并將數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的可用性提到與供電可用性同樣的高度,將數(shù)據(jù)中心的不間斷供冷分為A,B,C 3個(gè)級(jí)別,并分別與高熱密度、中熱密度和低熱密度3種功率密度的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)應(yīng)。

不同功率密度下數(shù)據(jù)中心冷卻失效引起的溫升與時(shí)間的關(guān)系,結(jié)果見(jiàn)表1(基準(zhǔn)溫度為20 ℃)。隨著單機(jī)柜功率密度的增大,冷卻失效引起的溫升速率逐漸增大。對(duì)于功率密度為5 kW/機(jī)柜的數(shù)據(jù)中心,冷卻失效引起10 ℃溫升需要50 s。

溫升速率(y)和功率密度(x)大致合理的最佳擬合關(guān)系式為y=0.002 4x2+0.027 5x+0.000 3,如下圖所示:

將擬合關(guān)系式改寫(xiě)成y=0.1x×0.024x+0.027 5x+0.000 3,并對(duì)擬合關(guān)系式的多項(xiàng)式系數(shù)進(jìn)行主因子分析,可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)功率密度(x)等于10 kW/機(jī)柜時(shí),二次項(xiàng)因子為0.1×10×0.024×10=0.24,小于一次項(xiàng)因子0.027 5×10=0.275。當(dāng)功率密度(x)小于10 kW/機(jī)柜時(shí),一次項(xiàng)系數(shù)為主因子,并決定整個(gè)多項(xiàng)式的值,因此可簡(jiǎn)化為一次多項(xiàng)式,即在功率密度小于10 kW/機(jī)柜時(shí),溫升速率(y)與功率密度(x)更接近線性關(guān)系:y=0.050 1x-0.032 5(如圖5所示)。比較圖4和圖5擬合曲線的殘差R2也容易看出,當(dāng)功率密度(x)小于10 kW/機(jī)柜時(shí),在現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)條件下用線性關(guān)系式表達(dá)擬合關(guān)系更準(zhǔn)確。

當(dāng)功率密度(x)大于10 kW/機(jī)柜時(shí),由于二次項(xiàng)系數(shù)為主因子,并決定整個(gè)多項(xiàng)式的值,因此溫升速率(y)與功率密度(x)更接近二次多項(xiàng)式關(guān)系:y=0.002 4x2+0.027 5x+0.000 3。根據(jù)多項(xiàng)式擬合關(guān)系式進(jìn)行擬合數(shù)據(jù)外推,可以導(dǎo)出10~30 kW/機(jī)柜功率密度范圍內(nèi)的溫升速率。

研究結(jié)論各不相同,這是合理的也是正常的。首先,各自的測(cè)試環(huán)境和工況不同;其次,影響溫升的因素很多,比如功率密度、冷卻系統(tǒng)架構(gòu)、機(jī)柜數(shù)量、機(jī)柜布局、機(jī)房層高、架高地板高度、甚至機(jī)柜材質(zhì)都會(huì)影響數(shù)據(jù)中心冷卻失效后的溫升。因此,不同數(shù)據(jù)中心冷卻失效后的溫升情況不一樣,不能一概而論。

當(dāng)前,國(guó)內(nèi)研究數(shù)據(jù)中心冷卻失效引起的溫升的有效手段之一是建模仿真分析。筆者建立了數(shù)據(jù)中心的傳熱模型,應(yīng)用數(shù)據(jù)中心專(zhuān)用仿真軟件對(duì)數(shù)據(jù)中心冷卻失效的溫升進(jìn)行計(jì)算分析。

傳熱模型描述

簡(jiǎn)化的數(shù)據(jù)中心傳熱模型下圖所示,以數(shù)據(jù)機(jī)房作為一個(gè)封閉的傳熱系統(tǒng),作如下假設(shè):

  (1)數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)失效,但服務(wù)器因有UPS供電而繼續(xù)運(yùn)行并持續(xù)發(fā)熱。

(2)數(shù)據(jù)機(jī)房是一個(gè)封閉系統(tǒng),只存在傳熱,不存在傳質(zhì)。

(3)服務(wù)器運(yùn)行產(chǎn)生的熱量通過(guò)以下幾個(gè)途徑散失:①熱量被機(jī)房?jī)?nèi)的空氣吸收;②通過(guò)機(jī)柜向空氣傳熱;③通過(guò)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)向室外環(huán)境散熱;④通過(guò)架高地板向地板下環(huán)境散熱;⑤通過(guò)樓板向鄰近樓層傳熱。

(4)數(shù)據(jù)中心的冷熱空氣充分混合。

(5)機(jī)柜前門(mén)和后門(mén)通孔率為100%,即認(rèn)為機(jī)柜沒(méi)有前后門(mén)。

(6)傳熱過(guò)程為一維穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。

仿真建模分析

采用軟件建立一個(gè)數(shù)據(jù)中心的簡(jiǎn)單物理模型,進(jìn)行CFD建模分析,3D物理模型如圖所示,模型的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)下圖:

通過(guò)對(duì)一個(gè)功率密度為4 kW/機(jī)柜的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行冷卻失效建模計(jì)算,應(yīng)用軟件可以快捷地給出不同時(shí)刻數(shù)據(jù)中心的溫度分布云圖,如圖所示:

對(duì)所建模型中的一個(gè)服務(wù)器機(jī)柜的平均進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)行分析,當(dāng)冷卻失效后該服務(wù)器機(jī)柜的平均進(jìn)風(fēng)溫度曲線如圖所示,可以看出,在服務(wù)器機(jī)柜的平均進(jìn)風(fēng)溫度達(dá)到80 ℃以前,其溫度近似隨時(shí)間線性升高,這說(shuō)明:在一定的功率密度下(本模型為4 kW/機(jī)柜),服務(wù)器機(jī)柜的溫升速率為恒定值。這個(gè)結(jié)論與前文推導(dǎo)出的溫升同,物理參數(shù)的不同會(huì)影響冷卻失效后的溫升速度,但總體趨勢(shì)是呈線性變化。

關(guān)鍵字:數(shù)據(jù)中心服務(wù)器機(jī)柜

本文摘自:機(jī)房百科

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