劉 清

（中國移動通信集團山西分公司，山西 太原045000）

1 概 述

近年來，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模進入了快速增長期，平均每年保持20%以上的增長［1］?！霸朴嬎恪?、“云服務(wù)”的提出，更是進一步提高了互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)對數(shù)據(jù)中心的投資力度?！霸朴嬎恪钡奶岢?，刀片服務(wù)器的使用，改變了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心模式，呈現(xiàn)虛擬化、共享化的特征。數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備向著小型化、高發(fā)熱密度方向發(fā)展，高密度的設(shè)備（例如刀片服務(wù)器）服務(wù)企業(yè)數(shù)據(jù)中心，在未來的年復(fù)合增長率將達到7.1%［2］。

“云”會替我們做存儲和計算的工作，刀片式服務(wù)器與虛擬化的結(jié)合正在迅速發(fā)展。而高功率密度機架服務(wù)器、刀片服務(wù)器等高熱密度設(shè)備的應(yīng)用，造成機房的單個機柜功耗不斷提高，單位面積熱量急劇上升，高發(fā)熱密度機房的散熱問題日益突出。

高發(fā)熱密度機房最突出的問題是局部熱點，目前解決高發(fā)熱密度機房局部熱點問題常用的解決方案有列間空調(diào)、吊頂式空調(diào)、熱管制冷背板等。列間空調(diào)需要改變現(xiàn)有機柜布局，吊頂式空調(diào)易產(chǎn)生冷凝水。熱管制冷背板既不需要改變現(xiàn)有機柜的布局情況，也不會產(chǎn)生冷凝水，是解決局部熱點問題的首選解決方案。本文將探討熱管制冷背板系統(tǒng)在數(shù)據(jù)機房中應(yīng)用的運行安全性問題。

2 方案介紹

該項目位于中國移動通信集團公司的樞紐樓，機房現(xiàn)有全部空調(diào)均全負荷運行，沒有冷量冗余。經(jīng)現(xiàn)場測定回風(fēng)溫度，IBM的P系列小型機出風(fēng)溫度明顯高于其他機組，且超出或接近IBM廠家規(guī)定的溫度，已達臨界。局部過熱時間過長，服務(wù)器甚至可能會出現(xiàn)宕機，這將會導(dǎo)致計費系統(tǒng)的嚴(yán)重事故。

針對上述問題，該項目選取了機房中局部過熱較為嚴(yán)重的功率較大的機架使用熱管制冷背板冷卻系統(tǒng)，平均每個機架的發(fā)熱量在7 kW左右。熱管制冷背板系統(tǒng)流程圖如圖1所示，熱管制冷背板安裝位置如圖2所示（數(shù)字框）。

圖1 熱管制冷背板系統(tǒng)流程圖

圖2 熱管制冷背板安裝位置平面圖（數(shù)字框）

3 測試方案介紹

選取10＃機柜做代表性測試，模擬風(fēng)機故障時機柜溫度的變化。

使用“溫度自記儀”（如圖3所示）測量機柜內(nèi)不同位置的溫度，找出溫度最高點，即機柜內(nèi)散熱效果最惡劣的點或者是發(fā)熱量最大的點。將“溫度自記儀”測點布置在機柜內(nèi)溫度最高處。

先后模擬熱管背板上兩個風(fēng)機上開下關(guān)、上關(guān)下開、都關(guān)、重啟四種情況。機柜內(nèi)溫度最高點的溫度變化情況。

4 測試結(jié)果

4.1 設(shè)備正常運行狀態(tài)測試

實驗前，10＃機柜兩個風(fēng)機正常運行下，測試各測點溫度如圖4所示，機柜內(nèi)溫度最高處位于機柜內(nèi)排風(fēng)機的風(fēng)口處，該處測點的溫度為44.8℃。

圖4 各測點溫度

根據(jù)測試的溫度分布情況，取機柜內(nèi)出風(fēng)溫度最高處的實時觀察測點，當(dāng)此測點溫度發(fā)生明顯上升時，表明機柜的冷卻效果變差。為保障實驗過程中IT設(shè)備的運行不受過多的影響，避免設(shè)備發(fā)生故障，在實驗過程中，如果機柜內(nèi)測點的溫度達到48℃，則應(yīng)立即恢復(fù)熱管背板原有的運行狀態(tài)，或者立即打開機柜的柜門，恢復(fù)機柜的正常散熱狀態(tài)。

4.2 關(guān)閉熱管背板上的一個風(fēng)機

10＃機柜關(guān)閉一個背板風(fēng)機時機柜的出風(fēng)溫度測試結(jié)果如表1所示。

表1 10＃機柜關(guān)閉一個風(fēng)機時機柜的出風(fēng)溫度

可見，當(dāng)僅有一個背板風(fēng)機故障時，機柜出風(fēng)溫度最高點的溫度僅上升0.6～0.7℃，對機房安全影響不大。

兩臺風(fēng)機其中任何一個發(fā)生故障停轉(zhuǎn)時，對機柜內(nèi)溫度的影響程度非常接近，說明該熱管背板在設(shè)計時，兩個風(fēng)機是互相備份的冗余設(shè)計。

4.3 關(guān)閉熱管背板上的兩個風(fēng)機

同時關(guān)閉10＃機柜的兩個風(fēng)機，以測試當(dāng)熱管背板的電源被切斷時，機柜內(nèi)部溫度的變化情況。

當(dāng)熱管背板兩個風(fēng)機均關(guān)閉時，15 min后測點處的溫度上升到47.6℃，上升約2.2℃，為避免實驗對IT設(shè)備的運行帶來影響，此時迅速開啟風(fēng)機，測點處溫度先上升了約0.5℃，1 h后降低約2.0℃。

也就是說，當(dāng)兩臺風(fēng)機均故障無法運轉(zhuǎn)時，機柜內(nèi)的溫度不會突然上升，但呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，因此，運維人員在接到熱管背板風(fēng)機的報警信號后，需要盡快到故障現(xiàn)場采取處理措施。

4.4 關(guān)閉所有機柜熱管背板系統(tǒng)的風(fēng)機

進一步將所有機柜背板的風(fēng)機關(guān)停，以檢驗熱管系統(tǒng)配電柜電源被切斷的情況，觀察其它機柜出風(fēng)處最高溫度點的溫度變化，如圖5所示，隨著風(fēng)機關(guān)閉，機柜出風(fēng)溫度升高，不同機柜上升幅度不同，但均在18 min內(nèi)上升1～2℃。

圖5 關(guān)閉所有背板風(fēng)機時機柜出風(fēng)溫度變化（以8＃、12＃、13＃為例）

4.5 小結(jié)

通過以上測試，表明本項目的熱管背板系統(tǒng)具有較高的安全性：

（1）熱管背板的風(fēng)機采用了冗余設(shè)計，當(dāng)其中一個風(fēng)機發(fā)生故障停轉(zhuǎn)時，對機柜的散熱效果影響很小，僅有0.6～0.7℃，可忽略不計。

（2）當(dāng)單個機柜上的熱管背板的風(fēng)機全部關(guān)停時（即單個熱管背板掉電時），機柜的溫度不會發(fā)生突變，在15 min后，機柜的最高溫度點的溫度會逐漸上升1～3℃。

熱管背板的風(fēng)機都關(guān)停后，機柜內(nèi)的熱空調(diào)需要在IT設(shè)備自帶風(fēng)機的推動力下，穿越熱管背板，排放至機房的環(huán)境中，此時，熱管背板的風(fēng)阻越小，機柜內(nèi)的熱空氣越容易穿過熱管背板，機柜內(nèi)的溫度上升就越慢。

（3）當(dāng)整個熱管背板系統(tǒng)的風(fēng)機全部關(guān)停時（即熱管背板系統(tǒng)掉電時），各機柜內(nèi)的溫度變化與單個機柜的熱管背板風(fēng)機關(guān)停時的變化情況相同，在18 min內(nèi)上升1～3℃。

5 結(jié) 論

本文以中國移動某典型數(shù)據(jù)機房應(yīng)用項目為例，討論熱管制冷背板冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)機房應(yīng)用的安全性。

5.1 實驗結(jié)論

在實驗中分別模擬了：熱管背板上的一個風(fēng)機停轉(zhuǎn)時，對機柜柜內(nèi)散熱環(huán)境的影響；熱管背板的兩個風(fēng)機都停轉(zhuǎn)時，對機柜柜內(nèi)散熱環(huán)境的影響；熱管背板系統(tǒng)的所有風(fēng)機均停轉(zhuǎn)時，對機柜內(nèi)散熱環(huán)境的影響。結(jié)論如下：

（1）當(dāng)一個熱管背板僅有一個風(fēng)機停轉(zhuǎn)（模擬“熱管背板的單個風(fēng)機發(fā)生故障”），其他風(fēng)機均正常運行時，機柜出風(fēng)溫度最高點的溫度僅上升0.6～0.7℃，對機柜柜內(nèi)的散熱環(huán)境影響較小。

（2）當(dāng)一個熱管背板上的所有風(fēng)機均停轉(zhuǎn)時（模擬“一個熱管背板的供電電源被切斷”），15 min后測點處的溫度上升約2.2℃。雖然在一個背板上的所有風(fēng)機停轉(zhuǎn)時，機柜內(nèi)溫度上升的趨勢較為緩慢，但為了保證IT設(shè)備的正常運行，運維人員需要在接到熱管背板系統(tǒng)的報警信號后，及時到故障現(xiàn)場處理。

（3）當(dāng)熱管背板系統(tǒng)的所有風(fēng)機停轉(zhuǎn)（模擬“熱管背板系統(tǒng)配電單元的供電被切斷”），機柜內(nèi)溫度升高，在18 min內(nèi)上升1～3℃。

經(jīng)過試驗測試，本案例中的熱管背板系統(tǒng)的安全性能良好，是數(shù)據(jù)機房消除局部熱點的較好的解決方案。

5.2 熱管背板系統(tǒng)“安全性”的基本設(shè)計要求

數(shù)據(jù)機房對設(shè)備的安全性等級要求較高，每一項應(yīng)用于數(shù)據(jù)機房的技術(shù)都應(yīng)該經(jīng)過嚴(yán)格的安全性檢驗。

根據(jù)實驗結(jié)果，為使熱管制冷背板系統(tǒng)在數(shù)據(jù)機房的應(yīng)用中具有良好的安全性，需要對熱管背板系統(tǒng)的設(shè)計作如下要求：

（1）對于7 kW的熱管背板產(chǎn)品需要自帶風(fēng)機；

（2）熱管背板產(chǎn)品的風(fēng)機需要考慮冗余設(shè)計，至少為N＋1冗余，即其中1個風(fēng)機停轉(zhuǎn)時，其他風(fēng)機的風(fēng)量必須能夠滿足機柜冷卻的循環(huán)風(fēng)量要求；

（3）熱管背板設(shè)計時，風(fēng)阻應(yīng)該盡量減小，熱管背板的風(fēng)阻越小，在熱管背板風(fēng)機全部停轉(zhuǎn)時，機柜內(nèi)部的溫度上升趨勢越緩慢，熱管背板的安全性越高；

（4）熱管背板系統(tǒng)必須具備高溫報警、風(fēng)機故障報警功能，以便系統(tǒng)發(fā)生故障時，運維人員能夠及時到達現(xiàn)場進行處理。

［1］全球數(shù)據(jù)中心市場現(xiàn)狀與趨勢［EB／OL］.http：／／www.hyqb.sh.cn／tabid.

［2］中國數(shù)據(jù)中心建設(shè)市場保持穩(wěn)定增長——能耗和IT資源管理成為用戶最關(guān)心的問題［J］.辦公自動化，2010，（11）：09.