数据中心机房环境管理—气流组织优化研究

 2021年1月25日第38卷 第2期Telecom Power TechnologyＪａｎ．　２５，　２０２１　Ｖｏｌ．３８　Ｎｏ．２　doi：10.19399/j.cnki.tpt.2021.02.006研制开发数据中心机房环境管理—气流组织优化研究张冬冬1，程小帅2，田子涵3，张紫健1，贾桥龙1（1.昆仑数智科技有限责任公司，北京 100000；2.北京万国长安科技有限公司，北京 100000； 3.中机国能电力工程有限公司，上海 200000）摘要：对于早期建设的传统数据中心机房，由于机柜功率低，未做冷热通道封闭，机房内若未有效对气流组织进行管控，就会导致机房内气流组织紊乱，容易产生大量局部热点。数据机房局部热点造成IT设备运行环境恶劣，不利于机房节能，严重时还会损坏设备，造成更加严重的经济损失。以北京某数据中心为研究区域，针对此数据中心暖通系统实际运行中发现的局部热点问题，根据实际运维数据，研究能够减少数据机房局部热点问题的方法，根据机房合理布置机柜，正确选择空调设备型号并封堵机柜间隙，以改善机房环境，优化气流组织，有效地解决了机房的局部热点问题。关键词：数据中心机房；气流组织；局部热点；暖通系统Environmental Management of Data Center Machine Room—Airflow Organization Optimization StudyZHANG Dongdong1, CHENG Xiaoshuai2, TIAN Zihan3, ZHANG Zijian1, JIA Qiaolong1(1.Kunlun Digital Intelligence Technologies Co., Ltd., Beijing 100000, China； 2.Beijing Wanguo Changan Technology Co., Ltd., Beijing 100000, China； 3.China Guoneng Power Engineering Co., Ltd., Shanghai 200000, China)Abstract: For the traditional data center machine room built in the early stage, due to the low power of the cabinet, the cold and hot channels have not been closed.If the air distribution in the machine room is not effectively controlled, the air distribution in the machine room will be disorganized, and it is easy to generate a large number of local hot spots.Local hot spots in the data room cause the bad operating environment of IT equipment, which is not conducive to the consideration of energy saving in the data room.In serious cases, equipment will be damaged and more serious economic losses will be caused.In a data center in Beijing as the study area, this paper aimed at the data center hvac system local hot problems found in actual operation, according to the actual operational data, research can reduce the data room local hot spot problem, according to the room layout is reasonable layout racks, cabinets, to choose the right air conditioning equipment model sealing gap, etc., improve the machine room environment, air distribution optimization, can effectively solve the computer room of the local hot issue.Keywords: data center machine room; air distribution; local hot spot; hvac system1 绪 论1.1 目的及意义杜绝高密度机架的出现[3]。1.2.2 合理布局，应对“热点”当数据机房内部某机柜内设备耗能大时，可将其布置于机柜中下部。当机房内布置有高热密度机柜时，需平均分布在机房内部，而不是集中布置[4]。1.2.3 精确制冷，消除“热点”在离设备最近的地方进行制冷，如在离机柜最近端设置送风口，带走机架的热量。数据机房局部热点产生的主要原因是机房气流组织缺乏有效的管控，机房冷热气流紊乱。消除局部热点的关键所在是有效管控机房气流，因此需要研究分析机房内的气流组织，明确其危害，掌握一些解决办法及最佳实践，以改善IT设备的运行环境，为数据中心提供一个安全稳定的运行环境[1,2]。1.2 技术路线2 研究内容2.1 研究区域概况1.2.1 精准管控，杜绝“热点”对机架电流和设备设施进行精确监控，精确管理每机架的用电量，使其不超过固定值，可从根本上收稿日期：2020-11-21作者简介：张冬冬（1992-），男，河北曲阳人，本科，暖通实施工程师，主要研究方向为数据中心制冷通风。以北京某数据中心单个机房为例，自2011年建设投产至今，每个机房机柜用电量为3 kW，电能全部转化为热量，机房建筑面积约为500 m2，层高5 m，吊顶高度3.08 m，地板架空0.8 m，存放200面机柜[5]。机柜（架）的布置采用面对面和背对背方式，形·　２２　· 2021年1月25日第38卷 第2期张冬冬，等：数据中心机房环境管理— 气流组织优化研究Telecom Power TechnologyＪａｎ．　２５，　２０２１　Ｖｏｌ．３８　Ｎｏ．２　成冷热通道隔离，但未做冷热通道封闭，中间为机房，两端为空调间，空调控制回风温度，温度设定为23 ℃。机房冷负荷计算为： Q=L（Q1+Q2+Q3） （1）式中，Q1为主机房冷负荷；Q2为机房环境冷负荷；Q3为各辅助用房的冷负荷；L为余量系数。主机房冷负荷指标按照机柜用电量3 kW，冷负荷按电能全部转化为热量考虑，机房环境冷负荷包括人体散热负荷、照明负荷、建筑围护结构负荷、新风负荷以及伴随各种散湿过程产生的负荷，Q2=K×S，K为计算系数，一般介于0.1～0.2 kW/m2，本案取0.1 kW/m2，S为机房面积。Q3=8%×Q，各辅助用房的冷负荷约占总冷负荷8%左右。余量系数按照1.05～1.1考虑，本方案取值为1.05[6-8]。综上Q=1.05（200×3+0.1×500+0.08Q），得出数据机房冷负荷Q=745 kW空调选用水冷机房精密空调，设备选型如表1所示。表1 空调选型表名称机房精密空调规格制冷量：105 kW送风量：28 000 m3/h制冷量：23.5 kW送风量：5 000 m3/h数量/台104送风方式下送上回上送侧回运行模式8用2备3用1备备注机房制冷辅助区制冷普通降温空调2.2 研究主要内容机房制冷设备产生的总冷量低于设备产生的总热量，则将无法有效带走设备产生的热，出现局部热点，使得设备进风温度升高。（2）机柜孔密度与设备风量不匹配。机柜孔密度小的机柜安装了大出风量的设备，机柜散发的热负荷无法高效地被排出，造成机柜内涡流，致使机柜内压力和温度较高。（3）设备老化。数据中心长时间运行，一些设备由于使用时间较长、进风不畅、排风也不好，导致机柜内部局部过热，温度升高。2.3.4 现场缺乏有效管理措施（1）缺乏电力监控系统。电力缺乏对机柜电流的监控系统，不能有效监控每机架的用电量，致使高用电量设备扎堆，使机房区域产生局部热点。（2）空调设备缺乏自控系统。空调设备作为机房内制冷的首要设备，没有自控系统，只能靠人力进行现场设备调节。当机房内现场环境实时变化时，制冷空调不能根据负荷变化进行自动调节，使机房内产生局部热点。（3）缺乏人员管控。机房气流组织缺乏有效的管控，人员组织散漫，不能实时对机房进行气流组织调节，导致机房内产生局部热点。2.4 研究方法以北京市某数据中心为例，根据现场实地调研分析局部热点产生的原因及其解决方法。主要内容包括局部热点产生的原因分析和解决局部热点可行的方法策略。2.3 局部热点产生的原因分析2.3.1 机柜布置不合理（1）机柜布置太靠近空调送风区，未得到足够制冷量。在高架地板送风过程中，沿空调送风方向，机柜布置距离空调过近，此地板下送风区域横向动压大，导致向上送风量小，不满足机柜制冷量需求，产生局部热点[9]。（2）机柜对应的送风量与IT设备所需的风量不匹配。机柜对应送风地板的送风量不足，无法满足机柜设备的需求冷量，造成设备无法吸入有效的冷量，使得设备进风温度升高。2.3.2 机房内布置不合理（1）热通道回风存在短路。机房温度控制为回风温度，而回风通过热通道上方风口和吊顶区域回到空调内冷却。当机房内出现布置回风口数量不足或者吊顶内线槽等阻碍时会导致回风补偿，形成短路[10]。（2）门窗常处于打开状态。通道门窗未设定自动关闭功能，常处于打开状态，导致冷热气流混合，使得设备进风温度升高。2.3.3 空调设备选型错误（1）热负荷与投入制冷量不匹配。依据能量守恒定律，产生多少的热就需要多少的冷量来抵消，若本文研究方法为实地调查法和比较分析法，对于一些传统数据机房，考虑成本等问题，没有条件使用CFD建模模型，只能进行现场实地测量，最后通过对比出现局部热点问题前及通过一些方法解决局部·　２３　· 2021年1月25日第38卷 第2期Telecom Power TechnologyＪａｎ．　２５，　２０２１　Ｖｏｌ．３８　Ｎｏ．２　热点问题之后的效果，寻找到解决传统机房局部热点问题的方法。3.3 精细化管理管机房消除热通道回风短路问题，增加热通道上方回风口数量，使其回风通常，保障足够的吊顶高度，线槽、桥架以及母线的布置留出适当的空间，保证回风气流通畅。线槽或桥架的高度不宜大于150 mm，主机房净高不宜小于3.0 m。增加数据机房门禁系统，防火门、窗设定自动恢复关闭功能，使机房与空调间形成相对封闭区域，保障走道与机房、空调间区域气流不乱流。利用加装风管将冷风精准送至热负荷需求高的位置，实现精准制冷。3.4 合理选择空调设备型号3 解决措施3.1 合理布置机柜合理布置机柜，靠近空调送风一侧，保证足够的送风距离，机柜所需送风量应与供应风量相匹配。根据机柜设备散热量，将地板送风口调节器调节至合理区域，保证足够送风量，若将其调至最大依旧不能满足机柜冷量需求，则需将送风地板改为出风率更大的送风地板，增大送风量。使用导向型通风地板，对气流进行导流，使90%的冷量直接吹向设备，将没有设备的通风地板风阀完全关闭，提高冷风使用效率。最后合理布局机柜，避免大功率机柜集中布置。3.2 封堵机柜间隙（1）机柜产生热负荷与投入制冷量相匹配。正确选择制冷设备，保证足够制冷量，根据机房内机柜产生最大热负荷考虑，正确选择空调设备型号，并充分考虑制冷余量问题。（2）机柜孔密度与设备风量相匹配。选择正确的机柜门开孔密度，尽量使用孔距较大的机柜门，保证足够送风量。（3）合理使用和管理空调等制冷设备。制定完善标准的空调设备操作和维护手册，并认真执行，延长设备设施的使用寿命；制定完善的资产管理措施，依据设备使用寿命与资产折旧等，提前预判和更换空调设备，维持机房内恒温恒湿的稳定环境。3.5 增加现场精细化管理措施在机柜内没有安装服务器等空闲U位加装盲板，阻止气流紊乱。机柜加装盲板前后对比如图1所示。封堵通列相邻机柜间空隙，有效隔离冷热通道，在标准机柜与立柱间的空挡以及标准机柜与异形机柜间的空挡安装屏风。此外封堵机柜底部与静电地板间的间隙，阻止热通道的气流回流。建立数据中心电力监控措施，精细化管理机柜与设施设备用电量。当某机柜快要超过某一固定值时，提前干预，减少服务器摆放量，从根源上杜绝高密度机架的出现。建立数据中心暖通自控系统，使空调设备根据机房内环境自主运行，减少人员的干预。（a）机柜内未加装盲板前暖通设备可根据机房内环境变化，实时自我调节送风量与水阀开度，自我消除机房内局部热点数量。此外，数据中心人员作为信息系统的中枢，需要组建一只7×24 h现场值守的运维团队，并建立人员培训机制，为数据中心的安全稳定运行提供有力保障[11,12]。4 结 论北京市某数据中心在日常运维过程中，根据上述方法进行房间内部气流管理，有效解决了机房内局部热点问题，局部热点数量降低99%。在保障机房内服务器设备正常运行的同时，极大地提高了空调制（b）机柜内加装盲板后图1 机柜加装盲板前后对比冷系统的节能空间。 （下转第29页）·　２４　· 2021年1月25日第38卷 第2期李林永：不同电极/绝缘壁宽度比值的 法拉第型发电通道性能研究Telecom Power TechnologyＪａｎ．　２５，　２０２１　Ｖｏｌ．３８　Ｎｏ．２　al.The Disk MHD Generator on a Nonequilibrium Ar-Cs Plasma for a MHD Gas-Turbine Power Plant[C]//Plasmadynamics and Lasers Conference，2002.[16] Pavshuk V A，Panchenko V P.Open-Cycle Multi-Megawatt MHD Space Nuclear Power Facility[J].Atomic Energy，2008，105（3）：175-186.[17] 方秀珍，彭爱武，刘保林.盘式磁流体发电机通道结构对等离子体稳定性的影响研究[J].电工电能新技术，2020，39（9）：16-22.[18] 刘飞标，朱安文.月球基地闭环核能磁流体发电技术初步研究[J].载人航天，2017，23（2）：202-206.[19] 刘飞标，王 铸，彭 燕，等.法拉第型磁流体发电机试验和数值仿真[J].航空学报，2020，41（11）：302-311.[20] Li Y W，Li Y H，Lu H Y，et al.Preliminary Experimental Investigation on MHD Power Generation Using Seeded Supersonic Argon Flow as Working Fluid[J].Chinese Journal of Aeronautics，2011，24（6）：701-708.（上接第24页）随着大功率计算机和服务器的不断推出，数据中心机房设备发热量不断增大，数据中心对暖通空调系统的依赖性也变得越来越高。而空调系统作为数据中心制冷的重要基础平台系统，是数据中心安全稳定运行的保障。局部热点作为一些早期建设数据机房面临的通病，严重影响了机房内电子设备的安全运行，这些问题都需要数据中心运维人员根据实际运行经验解决。本文主要针对数据机房实际运行中出现的局部热点危害、原因分析、解决办法及预防措施进行说明，在实践运维中积极探索解决之道，消除隐患，降低风险，保障数据机房整体的安全稳定运行。参考文献：[1] 刘 新.中国数据中心市场发展及趋势分析[J].UPS应用，2019（9）：8-10.[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检测检疫总局.数据中心设计规范国家标准：GB50174—2017[S].北京：中国计划出版社，2017.[3] 张贺新，简玮恺，许新毅.精确送风在通信机房节能改造的应用[J].通信技术，2012，45（4）：105-107.[4] 吴雪莉.机房局部热点的危害与解决方案的探索[J].现代国企研究，2015（18）：145.[5] 洪晓涵，张少凡，陈胜朋，等.数据中心机房气流组织研究在某机房的应用[J].建筑热能通风空调，2018，37（5）：57-61.[6] 赖柏年，张剑麟，陈 文.数据中心水冷空调末端的CFD模拟及应用分析[J].制冷与空调（四川），2017，31（6）：565-575.[7] 李鹏魁，傅允准.机房列间空调气流组织数值模拟分析[J].上海工程技术大学学报，2018，32（3）244-249.[8] 周凯思.数据中心用机架空调气流组织模拟研究[D]。长沙：湖南大学，2018.[9] 洪晓涵.数据中心空调系统节能模式的研究[D].南 京：南京理工大学，2018.[10] 王 斌，高 岩，李 瑞.集中空调系统变水温和变风量节能优化控制[J].现代电子技术，2019，42（5）：141-144.[11] 邹 燕.IDC机房温度调控设计研究[D].上海：上海工程技术大学，2016.[12] 徐慧姣.数据中心机房的节能减排技术及发展[J].通讯世界，2019，26（3）：316.·　２９　·