数据中心高热密度节能机柜设计与研究

2022-09-12

一、传统机房空调系统

传统的机房精密空调制冷系统, 通过采用地板下送风、冷热通道合理布局等方式只能满足单机柜发热量2-3千瓦的散热要求, 而随着刀片服务器的规模应用, 单机柜功耗成倍地上升至10-30千瓦。传统下送风精密空调系统, 在应用于高功率密度服务器机柜时, 需要配备具有高压头的大风量风机, 以将空调冷风经过地板静压箱送至服务器机柜, 特别是遇到地板下线路堆积时, 气流组织更加紊乱, 无法达到理想制冷效果, 空调风机功率也较高, 甚至超过总IT功耗。通过将机柜背靠背地排列可以形成机房冷热通道布局, 这种排列方式避免了机柜的进气端与排气端直接相对, 使机柜的进气端吸入周围的冷气。但由于机柜背对背设置, 大量被排出的热空气直接与机房内的冷空气进行热交换, 造成空调负荷加剧。另外更严重的是, 由于房间的大小和空调的功率特点, 使得机房局部热空气严重聚集无法得到有效的冷却。这些都使得这些位置上的机柜无法工作, 或者只能闲置。此外, 传统机柜由于自身几何结构的原因容易形成局部热点, 导致设备过热发生故障。机柜前后布有网孔, 冷气从里往外渗漏, 造成冷量损失, 制冷效率低下。

二、密闭式服务器机柜

密闭式通信机柜是一种将机房级冷热通道浓缩到机柜内的一种产品, 其占地面积小, 冷却效率高, 是专门为高密度数据中心设计的通信机柜。但是由于高密度数据中心内的机柜功率密度很高, 机柜重量很大, 不适合采用高架地板从地板下送风的方式来给机柜内的设备散热, 而且上送风的方式有利于节约机房地面空间。但传统上送风机柜由于进风方向的限制, 当冷空气在机柜内流动时不能均匀地送往机柜的各个高度, 即位于不同高度的设备得到的降温效果是不同的, 下部的设备极易出现过热现象, 产生局部热点。即使使用冷通道将冷气流引至机柜中下部, 也不能完全解决机柜内局部热点的问题。且由于机柜内部几何结构复杂, 气流在某些局部流动受阻, 容易形成扰流, 影响了机柜整体制冷功效。对于传统上进风机柜而言, 平均需要给1千瓦的热负荷提供3千瓦左右的制冷量, 能耗高, 效率低, 这是目前亟待解决的问题[1]。

以密闭式通信机柜为研究对象, 如能结合计算机数值模拟和实测数据, 在不增加能耗单元的基础上, 设计一种能根据机柜内部温度分布自动调节设备进风量的结构。当冷空气从风机盘管的送风口进入机柜时, 该结构则能第一时间完成对机柜内各区域设备进风量的再分配, 平衡各个高度设备的进风量, 从而在不降低风机盘管送风温度以及不增加风机送风量的情况下, 消除机柜内的局部热点, 以实现机柜的经济化冷却。

本文以数据中心高热密度节能机柜为立足点, 设计一种无需添加额外大功率耗电单元的散热结构, 满足当前数据中心高耗电量、高散热量的需求。其研究内容主要包括模块化机柜能耗评估方法、机柜热量试验技术、计算机仿真环境设计、在实际环境下的模拟试验等, 所涉及的主要的技术难点和重点包括:

(1) 数据中心机柜热量分布评估:研究机柜内部各高度传感器布局、整体能耗衡量公式、柜内设备对流换热系数[2]。

(2) 节能机柜的散热需求评估:主要研究密闭式机柜与机房环境发生的热交换、高散热量设备对机柜内部热环境的影响评估、能耗统计函数建模、板卡级热分析。

(3) 模块化机柜计算机仿真模型建立:主要包括密闭式机柜的物理简化模型、机柜的有限体积离散网格划分、风冷系统热力学模型、机柜主要散热结构设计。

(4) 实际环境模拟试验:热力学环境建立、与空调末端装置对接形式、机柜内部设备风速测试与温度测试。

三、节能机柜实施方案

通过建立高热密度密闭式机柜的物理简化模型, 开展热力学计算机软件仿真, 根据机柜高散热量设备的种类确定边界条件, 材料的热力学物理属性, 依据仿真结果设计节能散热结构与送风方式, 并将实测结果与仿真结果实现互验证。在此基础上, 开发节能机柜测试方案, 实现机柜的流固耦合热测试与有限体积法热仿真分析的测试平台。数据中心冷却是计算流体动力学 (CFD) 的一种优秀应用。CFD己被用来数据中心室内空间乃至机柜本身。对不同结构的机柜进行建模, 可比较这些结构的散热效率, 预测内部气流走向, 排除可能发生的“热点”。

本文假设流体为理想不可压缩流体, 采用标准湍流流体模型计算。几何空间分为流体区域和多孔介质区域, 服务器进风端面看作薄多孔介质。需要说明的是, 虽然能量方程是流体流动与传热问题的基本控制方程, 但对于不可压流动, 若热交换量很小以至可以忽略时, 可不考虑能量守恒方程。此外, 对牛顿流体, 动量守恒方程是成立的, 但是对于非牛顿流体, 不能应用该能量方程。本文主要对稳态问题进行研究, 涉及到的边界条件有:

(1) 壁面边界条件:壁面、面板及服务器三类表面设置为对流壁面, 对所有固壁处的节点使用了无滑移条件, 壁面热流按绝热处理;

(2) 进、出风口设定:进风口采用压力进口边界条件, 设置进风温度及速度;出风口采用压力出口边界条件, 设置压力为标准大气压力;

(3) 热源:根据所提供的散热量数据, 平均分配到设备表面, 设置设备表面的平均热流密度。

在受壁面限制的流动中, 因为壁面附近流场变量的梯度较大, 所以壁面对湍流计算的影响很大。湍流模型中假定湍流是各向同性的, 因此在壁面附近需要进行特殊处理。用半经验公式将自由流中的湍流与壁面附近的流动连接起来即为壁面函数法。本文在模拟中应用壁面函数法[3]。

本文通过CFD模拟手段对机柜送风方式和机柜内部的气流组织和温度分布情况进行研究, 分析不种设计工况对机柜内部散热和气流分布的影响, 为高热密度数据中心的规划设计和节能改造提供指导。

摘要：目前技术要求单个机柜的集成度不断提高, 这使得机柜排出的热量大幅度增加, 而相矛盾的是机房空间相对固定, 空调设备的功率固定。如何在有限的空间和空调投入的前提下, 保障有效的散热效果, 以实现机柜数量的最大化, 已成为制约数据中心进一步实现功能提升的瓶颈。本文就此提供了一种高热密度节能机柜设计。

关键词：数据中心,云计算,空调,气流组织,CFD