數(shù)據(jù)中心高密度設(shè)備散熱優(yōu)化解決方案

作者：蘭洋科技????瀏覽量：9458????時(shí)間：2023年12月19日????標(biāo)簽: 高密度服務(wù)器機(jī)房空調(diào) 散熱方式

圖1 高密度數(shù)據(jù)機(jī)房系統(tǒng)模型

近年來，互聯(lián)網(wǎng)通信業(yè)務(wù)快速發(fā)展，涉及5G、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能(AI)、智慧城市等領(lǐng)域。這些業(yè)務(wù)需要更高性能、更高集成的服務(wù)器支持。隨著功能升級和服務(wù)器業(yè)務(wù)的集聚，單機(jī)架設(shè)備的功耗顯著提升，與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心、通信機(jī)房的中低密度設(shè)計(jì)不匹配。近兩年來，機(jī)柜的平均功率密度超過10 kW，個(gè)別機(jī)柜甚至超過20 kW，最高功耗可達(dá)30 kW，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)機(jī)房的設(shè)計(jì)功率和制冷范圍。

目前，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)機(jī)房通常采用房間級制冷、地板送風(fēng)和冷熱通道隔離技術(shù)，可以有效處理單機(jī)架功耗為4-6 kW的散熱問題。為了應(yīng)對高功耗設(shè)備的散熱需求，各設(shè)備廠商也提出了多種機(jī)柜和服務(wù)器的進(jìn)出風(fēng)方式。然而，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，傳統(tǒng)機(jī)房在增加高密度機(jī)柜時(shí)如果依然采用傳統(tǒng)空調(diào)機(jī)制會(huì)遇到一些問題：首先，原有的空調(diào)系統(tǒng)配置難以滿足新增高功耗機(jī)架設(shè)備的需求；其次，機(jī)房的環(huán)境溫度控制可能不理想，可能會(huì)出現(xiàn)局部熱點(diǎn)；此外，由于高功耗設(shè)備需要大量的排風(fēng)，機(jī)房空調(diào)風(fēng)量增加，受限于原有架空地板或風(fēng)管的高度，系統(tǒng)阻力增加，導(dǎo)致空調(diào)能耗增加。因此，必須對空調(diào)制冷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。在現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心機(jī)房制冷基礎(chǔ)上，研究高密度制冷系統(tǒng)以解決設(shè)備散熱和局部過熱問題變得極為重要。

圖2 機(jī)房平面布置圖

隨著數(shù)據(jù)中心功率密度的增加，空氣流量也隨之增加，傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)面臨限制。為了解決高密度區(qū)域的散熱問題，并保證設(shè)備在正常的溫濕度環(huán)境下運(yùn)行，設(shè)計(jì)方案可以考慮以下幾點(diǎn)：首先，重新分配冷量，使得機(jī)房中平均功耗小于最高機(jī)柜負(fù)荷的機(jī)架可以共享未充分利用的冷量；其次，在高密度區(qū)域增加額外的冷卻設(shè)備，提供超過機(jī)房機(jī)柜設(shè)計(jì)平均值的冷卻能力；最后，在普通機(jī)房區(qū)域規(guī)劃出高密度機(jī)柜區(qū)域，采用高效制冷空調(diào)系統(tǒng)，將普通機(jī)柜與高密度機(jī)柜區(qū)域隔離開來。

為了實(shí)現(xiàn)高效制冷，可以在傳統(tǒng)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用機(jī)房空調(diào)和行間/背板空調(diào)方案，有效解決高密度區(qū)域設(shè)備的散熱問題，并滿足設(shè)備所需的溫濕度要求。

方案1中，針對高密度機(jī)架散熱問題，可以采用機(jī)房空調(diào)+行間空調(diào)的制冷方式。該方案中，F(xiàn)、G列規(guī)劃了40個(gè)12 kW高功耗機(jī)架和10臺(tái)40 kW行間空調(diào)。了提高散熱效果，機(jī)柜群采用冷通道全封閉，而F、G列熱通道則半封閉，即頂部封閉，機(jī)柜前后兩端敞開。在該方案中，每個(gè)高功耗機(jī)柜所需的制冷量為12 kW，機(jī)柜的入口空氣流量為1 m3/s（基于服務(wù)器的10 ℃溫升），同時(shí)熱風(fēng)也有同等風(fēng)量從熱通道排出?，F(xiàn)有機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的有效冷量為每個(gè)單機(jī)柜4 kW，地板采用格柵式送風(fēng)口。該方案機(jī)房空調(diào)現(xiàn)有制冷量有限，地板送風(fēng)口風(fēng)量不足，故采用行間空調(diào)行級補(bǔ)充送風(fēng)方式，補(bǔ)充冷空氣到機(jī)柜以消除局部熱量。

圖3 機(jī)房空調(diào)+<a href= 風(fēng)冷行間空調(diào)制冷方式(局部圖)"/>

圖3 機(jī)房空調(diào)+風(fēng)冷行間空調(diào)制冷方式(局部圖)

該系統(tǒng)采用冷通道和熱通道的組合，運(yùn)行原理是將IT設(shè)備產(chǎn)生的熱風(fēng)收集到熱通道中，通過通道內(nèi)的機(jī)柜式空調(diào)對熱風(fēng)進(jìn)行冷卻。熱通道中的機(jī)柜空調(diào)可冷卻60%至70%的熱量。對于高功耗區(qū)域，采用熱通道半封閉的措施，通過封閉頂部天窗可消除高功耗區(qū)對其他低密度區(qū)的散熱影響，同時(shí)保持熱通道兩端敞開的設(shè)計(jì)，不影響機(jī)房空調(diào)正?；仫L(fēng)，確保設(shè)備正常運(yùn)行。該設(shè)計(jì)將高密度設(shè)備的散熱問題轉(zhuǎn)移到行間空調(diào)和機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)中。熱空氣在封閉的通道內(nèi)積聚，允許實(shí)現(xiàn)較高的制冷密度，并保持較高的制冷效率。

方案2中，高密度機(jī)架散熱采用機(jī)房空調(diào)+背板空調(diào)制冷方式。如圖3所示，機(jī)房機(jī)柜冷通道封閉，F(xiàn)、G列高功耗機(jī)柜背面增加50臺(tái)10 kW冷水背板空調(diào)。該方案利用背板空調(diào)系統(tǒng)的一次換熱，將熱管安裝在設(shè)備機(jī)柜背面，通過熱管的相變將設(shè)備排出的熱空氣冷卻。經(jīng)計(jì)算，背板空調(diào)設(shè)備可以處理約65%的設(shè)備熱負(fù)荷，然后通過機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)二次換熱處理機(jī)房35%的設(shè)備熱負(fù)荷。這樣的二次換熱制冷方案可有效處理高功耗設(shè)備的散熱，減少高功耗區(qū)與低功耗設(shè)備的相互影響，避免局部熱點(diǎn)。同時(shí)，采用背板空調(diào)系統(tǒng)，避免了水進(jìn)服務(wù)器機(jī)柜，局部的循環(huán)氣流距離非常短，可降低空調(diào)風(fēng)機(jī)的能耗，甚至可直接使用服務(wù)器的冷卻風(fēng)扇，節(jié)能效果明顯。

圖4 機(jī)房空調(diào)+背板空調(diào)制冷方式(局部圖)