数据中心高密度设备散热优化解决方案
图1 高密度数据机房系统模型
近年来，互联网通信业务快速发展，涉及5G、云计算、物联网、人工智能(AI)、智慧城市等领域。这些业务需要更高性能、更高集成的服务器支持。随着功能升级和服务器业务的集聚，单机架设备的功耗显著提升，与传统数据中心、通信机房的中低密度设计不匹配。近两年来，机柜的平均功率密度超过10 kW，个别机柜甚至超过20 kW，最高功耗可达30 kW，远高于传统数据机房的设计功率和制冷范围。
目前，传统数据机房通常采用房间级制冷、地板送风和冷热通道隔离技术，可以有效处理单机架功耗为4-6 kW的散热问题。为了应对高功耗设备的散热需求，各设备厂商也提出了多种机柜和服务器的进出风方式。然而，经过试验验证，传统机房在增加高密度机柜时如果依然采用传统空调机制会遇到一些问题：首先，原有的空调系统配置难以满足新增高功耗机架设备的需求；其次，机房的环境温度控制可能不理想，可能会出现局部热点；此外，由于高功耗设备需要大量的排风，机房空调风量增加，受限于原有架空地板或风管的高度，系统阻力增加，导致空调能耗增加。 因此，必须对空调制冷系统进行优化和改进。在现有数据中心机房制冷基础上，研究高密度制冷系统以解决设备散热和局部过热问题变得极为重要。
图2 机房平面布置图
随着数据中心功率密度的增加，空气流量也随之增加，传统空调系统的设计面临限制。为了解决高密度区域的散热问题，并保证设备在正常的温湿度环境下运行，设计方案可以考虑以下几点：首先，重新分配冷量，使得机房中平均功耗小于最高机柜负荷的机架可以共享未充分利用的冷量；其次，在高密度区域增加额外的冷却设备，提供超过机房机柜设计平均值的冷却能力；最后，在普通机房区域规划出高密度机柜区域，采用高效制冷空调系统，将普通机柜与高密度机柜区域隔离开来。
为了实现高效制冷，可以在传统机房空调系统的基础上采用机房空调和行间/背板空调方案，有效解决高密度区域设备的散热问题，并满足设备所需的温湿度要求。
方案1中，针对高密度机架散热问题，可以采用机房空调+行间空调的制冷方式。该方案中，F、G列规划了40个12 kW高功耗机架和10台40 kW行间空调。了提高散热效果，机柜群采用冷通道全封闭，而F、G列热通道则半封闭，即顶部封闭，机柜前后两端敞开。在该方案中，每个高功耗机柜所需的制冷量为12 kW，机柜的入口空气流量为1 m3/s（基于服务器的10 ℃温升），同时热风也有同等风量从热通道排出。现有机房空调系统的有效冷量为每个单机柜4 kW，地板采用格栅式送风口。该方案机房空调现有制冷量有限，地板送风口风量不足，故采用行间空调行级补充送风方式，补充冷空气到机柜以消除局部热量。
风冷行间空调制冷方式(局部图)"/>
图3 机房空调+风冷行间空调制冷方式(局部图)
该系统采用冷通道和热通道的组合，运行原理是将IT设备产生的热风收集到热通道中，通过通道内的机柜式空调对热风进行冷却。热通道中的机柜空调可冷却60%至70%的热量。对于高功耗区域，采用热通道半封闭的措施，通过封闭顶部天窗可消除高功耗区对其他低密度区的散热影响，同时保持热通道两端敞开的设计，不影响机房空调正常回风，确保设备正常运行。该设计将高密度设备的散热问题转移到行间空调和机房空调系统中。热空气在封闭的通道内积聚，允许实现较高的制冷密度，并保持较高的制冷效率。
方案2中，高密度机架散热采用机房空调+背板空调制冷方式。如图3所示，机房机柜冷通道封闭，F、G列高功耗机柜背面增加50台10 kW冷水背板空调。该方案利用背板空调系统的一次换热，将热管安装在设备机柜背面，通过热管的相变将设备排出的热空气冷却。经计算，背板空调设备可以处理约65%的设备热负荷，然后通过机房空调系统二次换热处理机房35%的设备热负荷。这样的二次换热制冷方案可有效处理高功耗设备的散热，减少高功耗区与低功耗设备的相互影响，避免局部热点。同时，采用背板空调系统，避免了水进服务器机柜，局部的循环气流距离非常短，可降低空调风机的能耗，甚至可直接使用服务器的冷却风扇，节能效果明显。
图4 机房空调+背板空调制冷方式(局部图)
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本文标题：数据中心高密度设备散热优化解决方案
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