黃志林，董凱軍，蘇 林，劉騰慶

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510650；2. 中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510650；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510650；4. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引 言

隨著云計(jì)算技術(shù)、通信業(yè)務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，建有大量服務(wù)器等設(shè)備的數(shù)據(jù)中心數(shù)量和規(guī)模急劇增長(zhǎng)。服務(wù)器集成化、運(yùn)行速度和效率的提升使得數(shù)據(jù)中心運(yùn)行功率和散熱負(fù)荷不斷上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)中心單位面積功率密度從1987年的108 ～ 162 W/m2增長(zhǎng)到如今的450 ～ 1 285 W/m2[1]，單機(jī)柜功率更是增加到20 kW以上[2-3]。為保證數(shù)據(jù)中心全天候安全高效運(yùn)行，對(duì)空調(diào)制冷系統(tǒng)及氣流組織應(yīng)有更高的要求。在氣流組織方面，在采用風(fēng)冷形式下，如何有效地在數(shù)據(jù)中心各設(shè)備之間進(jìn)行冷量輸送以及時(shí)將其熱量帶走是我們首先重視的問題。

目前數(shù)據(jù)中心常見的氣流組織形式主要有冷通道封閉地板下送風(fēng)和行級(jí)制冷送風(fēng)形式，是目前數(shù)據(jù)中心氣流組織模擬較多研究的氣流組織形式[4-9]。隨著機(jī)房單位面積功耗的增加，機(jī)柜級(jí)冷卻和行間級(jí)制冷將會(huì)替代冷通道封閉地板送風(fēng)形式成為主流[1]。這一方面是由于機(jī)柜級(jí)冷卻采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠鎖定相應(yīng)機(jī)柜的功率密度，提供更為合理的氣流分配，從而讓機(jī)房?jī)?nèi)的冷量更好地被利用，使設(shè)備冷卻效果更佳；另一方面，相較于冷通道封閉地板下送風(fēng)形式和行級(jí)空調(diào)制冷形式，在機(jī)柜級(jí)冷卻形勢(shì)下機(jī)柜擺放位置較為靈活，受房間格局的影響較小，靈活性強(qiáng)。

機(jī)柜級(jí)冷卻也同樣存在著自身的缺陷。首先，采用模塊化設(shè)置情況下，每臺(tái)空調(diào)與其對(duì)應(yīng)的機(jī)架被單獨(dú)設(shè)置與外界隔開，當(dāng)模塊A內(nèi)設(shè)備低負(fù)荷運(yùn)行而模塊B內(nèi)高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，容易造成模塊A內(nèi)設(shè)備過度冷卻而B內(nèi)則冷卻不足，從而造成冷量資源浪費(fèi)；其次，為保證設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，即確保機(jī)房的可用性，機(jī)柜級(jí)冷卻架構(gòu)通常需要保證每個(gè)機(jī)柜2N制冷量，即針對(duì)機(jī)柜級(jí)冷卻系統(tǒng)中每一個(gè)模塊額外配置一臺(tái)備份空調(diào)，而這將大大提高冷卻系統(tǒng)的初始投資，是不太實(shí)際的做法。例如，相較于公共回風(fēng)端采用N+1制冷共享模式的行級(jí)制冷架構(gòu)，帶有冗余的機(jī)柜級(jí)冷卻系統(tǒng)的初始投資要高將近一倍。目前針對(duì)機(jī)柜級(jí)冷卻系統(tǒng)，較為常見的是整個(gè)機(jī)房采用N+X（X＜N）的冗余配置，比如中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)超算中心的機(jī)房采用的是房間級(jí)備份式，即在機(jī)房?jī)?nèi)額外配置兩臺(tái)或多臺(tái)房間級(jí)精密空調(diào)作為備份空調(diào)應(yīng)對(duì)空調(diào)故障的情況，采用該方案能夠短時(shí)間內(nèi)保證IT設(shè)備安全運(yùn)行，但由于房間級(jí)備份冷卻形式下故障空調(diào)附近機(jī)柜的效率較低，冷卻效果較差，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致機(jī)柜出現(xiàn)局部熱點(diǎn)。

針對(duì)機(jī)柜級(jí)冷卻形式存在的缺陷，本文結(jié)合行級(jí)空調(diào)制冷的特點(diǎn)提出一種行級(jí)備份式容災(zāi)方案，并通過計(jì)算流體力學(xué)（computer fluid dynamics,CFD）軟件模擬在機(jī)房?jī)?nèi)氣流組織、IT設(shè)備冷卻效果等方面與房間級(jí)備份式容災(zāi)方案進(jìn)行對(duì)比。

1 機(jī)柜級(jí)冷卻行級(jí)備份式容災(zāi)方案

圖1為數(shù)據(jù)中心機(jī)柜級(jí)冷卻行級(jí)備份式容災(zāi)方案示意圖。圖1b中3個(gè)制冷模塊并排安裝在一起，在模塊1旁邊配有備份空調(diào)，不同模塊之間、模塊1與備份空調(diào)之間的送風(fēng)空間和回風(fēng)空間通過可自動(dòng)調(diào)節(jié)的百葉窗進(jìn)行連接。當(dāng)各個(gè)模塊均正常運(yùn)行時(shí)，百葉窗處于完全關(guān)閉狀態(tài)，備份空調(diào)不工作，保證機(jī)柜級(jí)冷卻系統(tǒng)高效運(yùn)行。當(dāng)某個(gè)模塊的空調(diào)出現(xiàn)故障無法提供足夠的冷量給其相鄰的機(jī)架時(shí)，送風(fēng)區(qū)和回風(fēng)區(qū)的百葉窗全部打開，同時(shí)備份空調(diào)開始工作，這種情況下三個(gè)機(jī)柜級(jí)冷卻架構(gòu)的模塊就自動(dòng)“退化”為行級(jí)制冷架構(gòu)，從而保證了所有模塊中的機(jī)柜信息設(shè)備能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。采用上述的解決方案，一方面做到了N+1的冗余設(shè)置，在保證數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi) IT設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，能夠有效降低數(shù)據(jù)中心機(jī)柜級(jí)冷卻架構(gòu)下空調(diào)系統(tǒng)的初始投資，同時(shí)在出現(xiàn)空調(diào)故障或其他原因引起的冷量分配不均時(shí)，該解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)冷量共享，減少冷氣資源浪費(fèi)，節(jié)約能源。

圖1 行級(jí)備份式容災(zāi)方案示意圖Fig. 1 Diagram of the row-level backup scheme

2 不同容災(zāi)方案的機(jī)柜級(jí)冷卻系統(tǒng)模擬對(duì)比

根據(jù)模擬實(shí)際需求本文建立了兩個(gè)數(shù)據(jù)中心機(jī)房模型，其中模型1的房間尺寸為9.5 m × 3.3 m ×3.4 m，模型 2 的房間尺寸為 16.2 m × 3.3 m × 3.4 m。模型1機(jī)房?jī)?nèi)有4臺(tái)機(jī)柜級(jí)冷卻空調(diào)和8個(gè)機(jī)架。模型2中則有9臺(tái)機(jī)柜級(jí)冷卻空調(diào)和18個(gè)機(jī)架。根據(jù)對(duì)比內(nèi)容，每個(gè)模型均有方案1和方案2兩套子模型。方案1中備份空調(diào)為房間級(jí)精密空調(diào)，方案2中則是機(jī)柜級(jí)冷卻空調(diào)。方案 1中機(jī)柜級(jí)空調(diào)和機(jī)架用隔板包圍住，備份空調(diào)與其他設(shè)備隔開（正常工作下）；方案2中備份空調(diào)緊靠機(jī)柜并用隔板包圍住。根據(jù)《中國(guó)電信數(shù)據(jù)設(shè)備用網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜技術(shù)規(guī)范》確定機(jī)柜幾何尺寸及其內(nèi)部設(shè)備放置。模型 1中單機(jī)柜功率分別從4 kW設(shè)置到20 kW，遞增間隔為2 kW，機(jī)柜級(jí)冷卻空調(diào)功率設(shè)置為40 kW，送風(fēng)溫度18℃，故障空調(diào)位置設(shè)置在距離備份空調(diào)最遠(yuǎn)處，備份空調(diào)功率為40 kW，送風(fēng)溫度為18℃；模型2中單機(jī)柜功率設(shè)置為10 kW，機(jī)柜級(jí)冷卻空調(diào)功率為20 kW，送風(fēng)溫度18℃，故障的位置則從距離備份空調(diào)最近到最遠(yuǎn)依次設(shè)置，備份空調(diào)功率為20 kW，送風(fēng)溫度18℃。其中空調(diào)送風(fēng)量隨單機(jī)柜功率增加而增加；除送風(fēng)、回風(fēng)位置有差別之外，房間級(jí)備份空調(diào)和機(jī)柜級(jí)備份空調(diào)的參數(shù)均相同。模型1和模型2的示意如圖2 ～ 圖5所示。

圖2 CFD模型1建模示意圖Fig. 2 The modeling diagram of model 1

圖3 CFD模型2建模示意圖Fig. 3 The modeling diagram of model 2

圖4 模型1中方案1和方案2故障空調(diào)位置示意圖Fig. 4 Fault AD position of scheme 1 and scheme 2 in model 1

圖5 模型2中方案1和方案2故障空調(diào)位置Fig. 5 Fault AD position of scheme 1 and scheme 2 in model 2

為便于數(shù)值模擬，對(duì)上述物理模型作了如下假設(shè)：

①由于設(shè)備啟用受到用戶使用隨機(jī)性的影響造成機(jī)架內(nèi)服務(wù)器的熱流密度隨時(shí)間變化，模型將熱流密度簡(jiǎn)化為恒定值；

②忽略房間壁面吸熱；

③機(jī)架內(nèi)服務(wù)器通常根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝，但考慮到模型模擬的網(wǎng)格質(zhì)量及計(jì)算速度，模型中對(duì)機(jī)架內(nèi)服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一布置，對(duì)模型做出簡(jiǎn)化設(shè)置設(shè)備表面的平均熱流密度，忽略服務(wù)器散熱的不均勻性；

④對(duì)通信機(jī)房?jī)?nèi)氣體的流動(dòng)可視為恒定流[10-13]；

⑤機(jī)房上部通常安裝橋架布放電纜，但由于各個(gè)機(jī)房情況不同，為使模擬具有普遍性意義，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略橋架及電纜對(duì)氣流組織的影響[7-8]。

本文對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)熱環(huán)境進(jìn)行包括溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬。機(jī)房具有門氣密性良好、無外窗等特點(diǎn)，并且機(jī)房?jī)?nèi)空氣氣流流動(dòng)屬于大空間流動(dòng)問題，因此選用針對(duì)高雷諾數(shù)的湍流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)模型k-ε模型。本文所用軟件本身內(nèi)置默認(rèn)計(jì)算模型即為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，邊界條件設(shè)置如下：

①選用寬600 mm、深1 200 mm和高2 200 mm的42U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，單機(jī)柜內(nèi)放置2U服務(wù)器，其余位置放置盲板以防止熱空氣回流；

②設(shè)定空調(diào)送風(fēng)溫度為18℃；

③氣流組織形式為機(jī)柜級(jí)空調(diào)水平送風(fēng)，每個(gè)模塊的送風(fēng)空間大小和回風(fēng)空間大小相同，均為寬1 500 mm、深300 mm和高2 200 mm；

④房間級(jí)備份空調(diào)送風(fēng)方式為下送風(fēng)上回風(fēng)。

為更精確地模擬機(jī)房?jī)?nèi)氣流組織，在網(wǎng)格劃分上限制最大網(wǎng)格尺寸為0.05 m。軟件選用已標(biāo)定的殘差來控制求解方程的收斂精度，模擬時(shí)各計(jì)算殘差曲線都收斂于1，代表各參數(shù)數(shù)值趨于穩(wěn)定[6]。

3 模擬結(jié)果對(duì)比分析

3.1 單機(jī)柜同功率下兩種冗余方案模擬結(jié)果對(duì)比

以單機(jī)柜功率為自變量，故障空調(diào)相鄰機(jī)柜的平均入風(fēng)溫度和平均出風(fēng)溫度為應(yīng)變量作圖得到圖6。從圖中可以看出，隨著單機(jī)柜功率的增加，方案1的機(jī)柜平均入風(fēng)溫度和平均出風(fēng)溫度都在升高，其中平均入風(fēng)溫度從單機(jī)柜功率4 kW時(shí)的20℃升至單機(jī)柜功率20 kW時(shí)的33.8℃，平均出風(fēng)溫度從4 kW時(shí)的34.8℃升至20 kW時(shí)的48.2℃，平均入風(fēng)溫度和平均出風(fēng)溫度與單機(jī)柜功率均成線性關(guān)系，且平均入風(fēng)溫度和平均出風(fēng)溫度相差近15℃，這是由于故障空調(diào)距離備份空調(diào)過遠(yuǎn)，送風(fēng)余壓和風(fēng)量不足造成進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)部的氣流減少；方案2中機(jī)柜平均入風(fēng)溫度和平均出風(fēng)溫度隨著單機(jī)柜功率的增加幾乎無變化，其中平均入風(fēng)溫度一直保持在20℃附近，平均出風(fēng)溫度保持在27℃附近，入風(fēng)和出風(fēng)平均溫差約為7℃。圖7給出了單機(jī)柜功率8 kW、14 kW和20 kW下兩種方案氣流溫度截面圖（垂直高度1 m）。

圖6 不同機(jī)柜功率兩種方案下機(jī)柜氣流溫度對(duì)比Fig. 6 Airflow temperature comparison of cabinets under different power conditions in the two schemes

圖7 兩種方案氣流溫度截面圖Fig. 7 Airflow temperature section diagram in the two schemes

兩種方案中空調(diào)送風(fēng)溫度均設(shè)置為18℃，因此綜上對(duì)比可知，采用房間級(jí)空調(diào)作為備份空調(diào)的方案1中，同樣因?yàn)楣收峡照{(diào)距離備份空調(diào)過遠(yuǎn)，送風(fēng)余壓和風(fēng)量不足造成進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)部的氣流減少，導(dǎo)致機(jī)柜平均入風(fēng)溫度與空調(diào)送風(fēng)溫度差值、機(jī)柜平均入風(fēng)溫度和平均出風(fēng)溫度均比方案2中的差值更大，這說明當(dāng)采用房間級(jí)空調(diào)作為備份空調(diào)應(yīng)對(duì)空調(diào)故障時(shí)，機(jī)房?jī)?nèi)氣流組織較差，空調(diào)送風(fēng)和空調(diào)回風(fēng)、機(jī)柜入風(fēng)和機(jī)柜回風(fēng)之間存在著冷熱交換，從而降低了冷卻效率。當(dāng)單機(jī)柜功率增加至10 kW以上時(shí)，方案1中故障空調(diào)相鄰的機(jī)柜入風(fēng)溫度已經(jīng)超過標(biāo)準(zhǔn)上限，對(duì)IT設(shè)備的安全和性能造成影響。

圖8 單機(jī)柜功率10 kW下機(jī)柜垂直方向服務(wù)器氣流溫度分布Fig. 8 Airflow distribution in the vertical direction of the cabinets

以故障空調(diào)相鄰的兩個(gè)機(jī)柜為研究對(duì)象，根據(jù)模擬結(jié)果作出機(jī)柜垂直方向服務(wù)器氣流溫度分布圖，如圖8所示。房間級(jí)氣流組織冷卻形式下，機(jī)柜上下進(jìn)風(fēng)溫度和出風(fēng)溫度不同，并且入風(fēng)溫度和出風(fēng)溫度越高，氣流越差，容易形成局部熱點(diǎn)。方案1中采用房間級(jí)空調(diào)作為備份空調(diào)進(jìn)行冷卻，因而機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器的氣流溫度分布也呈現(xiàn)出了這樣的特點(diǎn)。行級(jí)制冷則消除了垂直高度帶來的影響，因而機(jī)柜上下服務(wù)器入風(fēng)溫度和出風(fēng)溫度幾乎沒有差別。方案2中當(dāng)空調(diào)故障時(shí)，依然封閉所有的空調(diào)和機(jī)柜的冷熱通道，僅僅打開冷熱通道之間的隔板，將機(jī)柜級(jí)冷卻“退化”為行級(jí)制冷，因而也具有行級(jí)制冷的特點(diǎn)。

3.2 故障空調(diào)不同位置下兩種冗余方案模擬結(jié)果對(duì)比

故障空調(diào)位置的不同造成了所需冷卻機(jī)柜與備份空調(diào)間距離的不同，因此對(duì)有效冷卻產(chǎn)生影響。根據(jù)所建模型的模擬結(jié)果，以故障空調(diào)位置為橫坐標(biāo)，機(jī)柜氣流溫度為縱坐標(biāo)作圖，如圖9，其中，故障空調(diào)位置以距離備份空調(diào)所間隔模塊數(shù)來確定，如距離最近的模塊為1，最遠(yuǎn)則為9。并對(duì)截取垂直高度1 m處溫度場(chǎng)圖，如圖10。

圖9 不同故障空調(diào)位置下機(jī)柜氣流溫度Fig. 9 Airflow temperature of the cabinets under different fault AC conditions

根據(jù)圖9和圖10可以看出，方案1中故障空調(diào)相鄰機(jī)柜的氣流溫度隨著故障空調(diào)與備份空調(diào)距離的增加先上升，在故障空調(diào)位置為3時(shí)最大，而后下降且在4 ～ 7位置基本相同，最后又上升。方案2中故障空調(diào)相鄰機(jī)柜的氣流溫度則幾乎保持不變。方案1中，由于空調(diào)送風(fēng)速度較大，如果空調(diào)與機(jī)柜距離較近且中間有阻礙物，則在被送入機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器前氣流會(huì)受到較大的擾流影響，從而使得進(jìn)入服務(wù)器內(nèi)的氣流分布不均勻，導(dǎo)致部分IT設(shè)備過度冷卻而部分則產(chǎn)生熱點(diǎn)，機(jī)柜出風(fēng)溫度較高；若距離較遠(yuǎn)則氣流可逐步發(fā)展變得更為均勻，從而提升冷卻效果，機(jī)柜出風(fēng)溫度也較低。方案2中，空調(diào)與機(jī)柜之間無障礙物，并且二者距離較近，加上封閉導(dǎo)流作用，因此各個(gè)機(jī)柜間氣流分配比較均勻。

圖10 不同故障空調(diào)位置下機(jī)柜氣流溫度Fig. 10 Airflow temperature of the cabinets under different fault AC positions

4 結(jié) 論

針對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)柜級(jí)冷卻系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，提出一種行級(jí)備份式容災(zāi)方案，方案中對(duì)每列機(jī)柜配置一臺(tái)機(jī)柜級(jí)空調(diào)作為備份空調(diào)，在正常工作下備份空調(diào)關(guān)閉，系統(tǒng)中各模塊獨(dú)立運(yùn)行；故障時(shí)備份空調(diào)開啟，與同列的所有空調(diào)和機(jī)柜組成“行級(jí)制冷”系統(tǒng)。相對(duì)于現(xiàn)有的房間級(jí)備份式容災(zāi)方案，該容災(zāi)方案能夠在空調(diào)故障時(shí)有效冷卻設(shè)備，并降低系統(tǒng)建設(shè)初始投資。主要結(jié)論如下：

（1）數(shù)據(jù)中心機(jī)柜級(jí)冷卻系統(tǒng)中，當(dāng)單機(jī)柜功率較高時(shí)，采用房間級(jí)備份容災(zāi)方案在空調(diào)故障時(shí)其所負(fù)責(zé)冷卻機(jī)架內(nèi)IT設(shè)備的出風(fēng)溫度明顯高于所限制的最大標(biāo)準(zhǔn)，表明設(shè)備冷卻無法得到有效冷卻，將有過熱保護(hù)、宕機(jī)現(xiàn)象發(fā)生，不能有效應(yīng)對(duì)空調(diào)故障情況，維持設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間安全有效運(yùn)行，并且隨著單機(jī)柜功率由2 kW增大至20 kW，機(jī)柜局部出風(fēng)溫度越高。

（2）房間級(jí)備份容災(zāi)方案中，備份空調(diào)與故障空調(diào)的距離不同時(shí)，IT設(shè)備的出風(fēng)溫度有顯著差別，并且距離越大冷卻效果越差。但行級(jí)備份式方案中，故障空調(diào)附近機(jī)柜的出風(fēng)溫度與其余機(jī)柜幾乎相同。

（3）行級(jí)備份式容災(zāi)方案下，故障空調(diào)附近機(jī)柜的進(jìn)出風(fēng)溫度均在限定標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，能夠保證機(jī)房?jī)?nèi)IT設(shè)備提供足夠的冷量，從而確保熱量能夠及時(shí)快速地散發(fā)出去，保證數(shù)據(jù)中心安全高效運(yùn)行，且備份空調(diào)與故障空調(diào)的距離變化對(duì)IT設(shè)備的冷卻效果影響較小。

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