数据中心被动式散热解决方案(前沿技术)

数据中心被动式散热解决方案

通向绿色数据中心之路

张愚

目录

前言 (3)

数据中心散热基础 (3)

数据中心散热管理基线-隔离冷热空气 (4)

方案一：冷池和热池 (4)

方案二：垂直排风管机柜 (5)

通向绿色数据中心之路-垂直排风管机柜 (6)

1.防止无效的冷送风浪费现象 (6)

2.提高空调机热回风温度来提高空调制冷性能 (8)

3.提高空调机冷送风温度 (8)

总结 (9)

参考文献 (11)

前言

随着每一代新的计算机设备的计算能力和功率能耗的大幅度提高，传统数据中心如何增加每机柜的功率密度也变得越来越重要了。Intel的研究表明，同样的计算能力在2002年时需要25个机柜和128KW的能耗（5.1KW/每机柜），但在2008年时只需一个机柜和21KW的能耗（21KW/每机柜）。对比之下，我们节省了107KW的能耗，并且也大大节省了数据中心的物理大小和结构。

这种大幅度的计算能力的提升主要是得益于虚拟计算，内存系统，多核CPU系统，CPU速度和GPGPU 技术的飞速发展。虚拟计算大大提高了服务器的使用效率，从而直接增加单个机柜的发热密度。随着内存容量和速度的飞速发展，最新的DRAM技术是的内存的发热量也大大的提升。工程和科学研究等应用大量使用图形浮点运算，GPGPU使得显卡的发热量从25 W 提高到300 W 以上。虽然服务器的功耗持续不断的提高，但是性能和功耗比不断的下降。从以上的例子可以看出，如果数据中心空调系统能够高效的对机柜进行冷却，我们将会大大减少数据中心的总能耗，从而在本质上我们可以真正拥有一个绿色数据中心。

提高空调的制冷效率并节约能源只是数据中心管理的重要一部分，然而每机柜的热密度不停的增加则带给我们更多的挑战。目前全球数据中心的每机柜的平均热密度大概为6.5KW, 但是ASHRAE2预测在2014年数据中心平均每机柜所需的制冷量为37KW。这种5倍的热密度的飞跃需要我们对数据中心不断的革新来解决。本文将对被动式散热解决方案进行介绍，以及在数据中心中如何利用该技术实现绿色节能数据中心。

数据中心散热基础

首先，我们将对数据中心散热做一个基本的研究。IT设备散热所需的风量可用下列等式来表明

M3/H = 2.9W÷ΔT

其中M3/H 为机柜中的设备散热所需的风量（立方米冷风/每小时）

W=瓦特数（IT设备的功耗）

△T=IT设备的温差（设备回风温度减去设备的进风温度）

该等式也表明了机柜的散热能力直接和高架地板送风地板的送风能力有着密不可分的关系。由于高架送风地板所送的冷风风量的不足够，在机柜上部的IT设备进风风扇所造成的负压会将机柜后部热通道中的热空气抽入IT设备中，从而造成服务器过热的问题。

研究也表明在一个设计不合理的数据中心内，60%的空调机冷送风由于气流组织的不合理而被浪费了。目前，传统的开放式热通道结构数据中心面临着两大气流管理难题：冷热空气相混合现象和空调冷送风的浪费现象。这两种现象大大降低了空调制冷的效率。其中，冷热空气相混合现象指的是由设备产生的热空气和空调机的冷送风相混合从而提高了设备的进风温度；空调冷送风的浪费现象则指的是从空调机的冷送风并未进入设备,并对设备冷却而直接回流到空调机的现象。冷热空气混合现象也是导致数据中心温度不一致的主要原因，并且这种现象也大大降低了数据中心空调的制冷效率和制冷能力。如何解决这两种现象，其实最简单，有效的方法就是将冷热空气物理隔离开。

（图一：设备热回风回流至机柜前部，并和冷通道中的空调冷送风相混合，从而造成机柜局部过热）

数据中心散热管理基线-隔离冷热空气

Intel3 多年的研究和实验表明，良好的气流组织管理能够大大减少冷热空气相混合现象和空调冷送风的浪费现象。Intel现在的数据中心的热密度也从单个机柜310WPSF增加到781WPSF （每机柜15kW 增加到40kW 以上). 另外，Dell4和HP5的数据中心也正在使用冷池或热池技术。本文将对这种被动型（通过物理手段，无任何有源设备）对数据中心进行散热做出研究，并对可行的方案做出比较从而找出最佳的数据中心散热解决方案。

目前，主动性数据中心散热（机柜内空调制冷）也在行业内普遍使用。但是其高昂的投资成本，复杂的安装过程和维护等等为问题，我们将不在本文中讨论。

数据中心散热解决方案

方案一：冷池和热池

热通道封闭或热池(HAC)是将热通道密闭起来并通过回风管将热回风传回数据中心空调系统（如图一所示）。对比热池，冷池（CAC）是将冷通道密闭起来。这两种技术都将空调的冷送风和热回风隔离开来，并使空调机回风温度提高以此来提高空调的制冷效率。这两种方式的区别主要是可扩展性，散热管理和工作环境的适宜性。

冷池的可扩展性主要是受地板下送风和如何将地板下冷风送入多个冷池的制约。目前业界对该技术有着很多的误解，很多人认为只要当空调机的出风量能满足设备的散热风量即可。但是他们忽略了高架地板下冷送风对于多个冷池的压力降和空间的限制。相反的热池则是使用整个数据中心作为冷通道来解决这个问题，正因为这样扩大冷通道的空间。这样热池相比于冷池有着更多空调冗余性能，多出的热通道空间将会在空调系统出现故障时能多出几分钟的宝贵维修时间。最后，随着服务器设备的散热能力的提高，服务器

所需的散热风量将会大大的减少。现在很多服务器的热风的出风温度可到达到55o C。冷池的未被隔离部分空间的温度将会比传统数据中心大大的提高，这将大大增加了数据中心工作人员的舒适度和减少数据中心其他设备的使用寿命。综上所述，虽然这两种方法都可以大大提高每机柜的热密度，但是当合理使用热池时，热池的效率应比冷池大大的有效可靠。

图1 标准热池方案

通过以上的对比，我们可以发现热池比冷池有着更多的优点。另外在数据中心断电的情况下，在数据中心中，冷池数据中心的冷空气只存在于高架地板下和密闭冷通道中，相反于热池数据中心中冷空气存在于高架地板下和房间内的绝大多数地方。所以冷池数据中心的冷空气体积远远小于热空气的体积。当数据中心断电或空调出现问题是，冷池数据中心在几秒钟之内可以丧失所有的IT设备。所有在有可能的情况下，我们应该尽量采用热池而不是冷池。使用部分密闭热池或冷池的数据中心，数据中心的热点现象可能还会存在，消防设施的位置的也需要额外注意，但是我们可以比传统数据中心大大提高每机柜的热密度。但是，要到达2014年每机柜37KW的热密度，这些是远远不够的。

方案二：垂直排风管机柜

除此之外，另一种方案是机柜级的冷热风隔离系统。这种系统通常是机柜的一个延伸部分。最常见的系统为机柜垂直排风管系统，或称作烟囱机柜系统。垂直排风管系统将密闭的机柜内的热回风导入到天花板上方。对比冷池或热池，烟囱柜系统有着巨大的优点。首先，对于机柜而言，烟囱机柜的隔离冷热空气系统比冷池或热池系统隔离整排机柜的热冷空气来的更为简单有效，并且烟囱柜在所有解决方案中最简单的全密闭系统。另外，烟囱柜系统不和空调系统相连，这样我们可以随着需求的增加来任意增加机柜，这样我们有着更高的可扩展性。最后，如表一所示，该系统和空调系统的独立性确保了数据中心可使用大型的空调系统来提高制冷效率和节能。使用垂直排风管系统，冷空气可使用高架地板（常用送风方法）送风或直接将冷风吹入数据中心内部来送风，并且可以结合使用空气节能器来起到更佳的节能效果。

垂直排风管系统机柜的第一个挑战是我们必须使用天花吊顶或者使用回风管。这样，数据中心则需要额外的高度。第二个挑战则是风压差，我们必须确保机柜前后的风压以使得冷风可以进入机柜来对机柜散热。这种挑战主要体现是机柜前部的送风风压压力，机柜后部热回风的风压，机柜后部的理线等功能区对风压