解决方案高密度和低成本之路.docx
- 文档编号:26578152
- 上传时间:2023-06-20
- 格式:DOCX
- 页数:11
- 大小:228.59KB
解决方案高密度和低成本之路.docx
《解决方案高密度和低成本之路.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《解决方案高密度和低成本之路.docx(11页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
解决方案高密度和低成本之路
解决方案:
高密度和低成本之路
:
ChatsworthProducts,Inc.(CPI)PassiveCooling®解决方案是更佳的选择,因为其可以降低能源消耗、构造成本较低、运营成本较低且符合TierIV的操作要求。
CPIPassiveCooling解决方案主要通过隔离并清除数据中心中的热量来控制气流,以在空间内实现最大化的制冷能力。
众所周知,摩尔定律效应使计算机设备产生大量的热负荷,以致数据中心显得配备不良,难以有效应对管理。
事实上,潜在热密度与数据中心冷却能力之间的失调如今经常被称为一场危机。
新兴的一般看法开始关注对于这一场危机的应对措施,这些措施或者涉及分散引起问题的服务器以降低热密度,或者涉及使用辅助的水冷散热措施以除去热量。
ChatsworthProducts,Inc.(CPI)PassiveCooling®解决方案是更佳的选择,因为其可以降低能源消耗、构造成本较低、运营成本较低且符合TierIV的操作要求。
CPIPassiveCooling解决方案主要通过隔离并清除数据中心中的热量来控制气流,以在空间内实现最大化的制冷能力。
然而,因为以下几个误解,被动型空气冷却经常不会被当作一种解决方案:
1.认为被动型空气冷却能力的上限远低于如今的潜在热负荷密度。
2.认为高密度被动型冷却系统会产生无法管理的高返程空气温度。
3.认为被动型空气冷却解决方案的低采购成本在其很高的运营成本面前会显得黯然失色(与水冷散热解决方案相比)。
本文将探究形成以上三个看法的原因,并说明智能化设计的被动型空气冷却解决方案不仅可以克服这些本不存在的障碍,还可以获得能够有效冷却远超过30kW/机柜的解决方案,同时降低能源成本并因此可以减少数据中心的碳足迹。
被动型解决方案所依据的基本原理(将在下文予以介绍)不是将设备机柜用作容纳服务器的箱体,而是数据中心的一项建筑学功能,能够使冷却的源空气与受热的返程空气之间保持隔离。
此外,本文将探究关于水冷散热的部分基本误解,并确定特殊被动型空气冷却解决方案相比其他高密度数据中心热负荷冷却措施的卓越正常运行可靠性。
关于被动型空气冷却的误解
没有事实根据的观点:
认为被动空气冷却能力的上限远低于如今的潜在热负荷密度。
认为被动型空气冷却可以达到的最大冷却能力偏低的依据在于一个可以轻易观察到的现象,此现象与空气体积、热负荷与温度升高量之间的关系密切有关。
此关系可以用方程表示为:
CFM=3.1W/ΔT
其中CFM=机架中所有设备每分钟所消耗气流的累积立方英尺数
W=瓦特(机架的累积热负荷)
ΔT=温度升高量,单位:
华氏度(输入空气相对输出空气)
应注意,人们常利用此关系来考虑空气流过机架前后的温度上升量。
空气流过机架前后的温度上升总量通常被作为数据中心机房冷却系统效率低下的衡量指标,而很少将其当作从服务器设备中带走的热量。
例如,如果机架底部的设备收到60˚F的输入空气,则每件机架安装设备会有大约20˚F的温度上升,且机架顶部的设备收到75˚F的输入空气。
因此,空气流过机架前后的温度上升量为35˚F,但是ΔT不会反映真实的热传导量,因为机架热源的温度越高,输送的输入温度越高。
根据方程CFM=3.1W/ΔT中因素之间的关系,这种不确定会导致严重低估空气输送要求,或严重过高估计机架的真实热负荷。
我们所认知到的空气冷却能力上限(如此方程中所述)是基于通过网孔地板砖所送出的空气量。
尽管目前有能够扩展方程一侧的高性能格板,此空气量的标准值仍通常设为700CFM。
我们就先假设700CFM的冷却空气通过位于机架(含有1RMU和2RMU)前方的网孔地板砖,且发生适中的温度上升,高架地板可以冷却接近6kW。
而对于具有更高温度上升量的刀片式服务器,相同的高架地板可以冷却接近8kW。
图1以图形式证明空气供应/消耗、热负荷与温度上升量之间的关系。
本示例源自CPI的散热测试试验台,图中所示为9.1kW的热负荷,通过机架前方网孔地板砖,从地板间层输送580CFM的冷却空气对其进行冷却。
如果服务器以24˚F的温度上升量运行,则冷却方程(580CFM=3.1W/24)将会预测我们能够通过高架地板输送大约4.5kW。
实际实验的计算流体力学(CFD)模型通过图示说明机柜下半部分如何消耗冷却空气来确认这一预测,因此可以冷却大约9.1kW热负荷的一半。
CFD报告还显示此机架中其他设备所发生的状况。
在以其他方式管理良好的空间(其中的大多数冷送风均被消除)中,对于供给不良的服务器,唯一剩下的气体是返程气体–循环的受热废气。
实际热源以及关于空气冷却(尤其是被动型空气冷却)性能上限相对较低这一没有事实根据的观点仅仅是就定义所得出的结论。
因此,任何针对高密度热负荷的被动型空气冷却解决方案均需要消除对于机架前方网孔地板砖中所流出的冷却空气的依赖,以及重新流通的回流气体中的热点。
CPI被动型数据中心散热解决方案同时满足这两个要求,本文将对其进行清晰的说明。
没有事实根据的观点:
认为高密度被动型冷却系统会产生无法管理的高返程空气温度。
认为被动型空气冷却不适合高密度热负荷的第二个原因与高返程气体温度会阻止制冷设备正常运行这一观点有关。
虽然这可能是事实,但是如果一名IT经理准备告诉其设施经理,他正遇到高返程空气温度,设施经理的答复很可能是:
不错,继续保持(尤其是在冷却水环境中)。
这一出乎意料的回答的原因非常明显。
冷却水机房空调(CRAC)会提高效率,即,空调在较高的返程空气温度下可以提高冷却能力。
表1显示制冷设备的能力在较高回流空气温度下有多么显著的提高。
但是,对于这个命题,有两方面需要注意。
首先,直接交换式(DX)冷却设备没有灵活的性能曲线–此额外的性能仅针对冷却水装置可用。
其次,此返程空气的温度上限在性能曲线开始处于回流减少轨线之前具有限制,主要通过升高源空气的温度。
CPI被动型冷却决方案获得的真实测量数据中心回流温度差异介于30˚F到55˚F之间。
正如表1所示,第一个行动步骤是指定冷却水冷却设备解决方案,可使源空气与返程空气之间的ΔT更大,并且事实上在此类较高的ΔT下可以提供超高的性能。
对于超高密度与超高利用率水平,可以使返程空气的温度超过这些高效冷却设备的极限。
在此类情况下,最典型的补救措施是为返程空气提供一部分节能器空气,以使其处于CRAC性能曲线的限制内。
在极少数的情况下,当返程温度超过节能器空气的冷却性能时,小量的浪费冷送风将足够。
由于本文所介绍的被动型空气冷却解决方案的理想代表会在天花板夹层中包含独立的返程空气,因此将通过开孔天花板格板提供浪费的冷送风。
总之,开孔天花板格板是解决方案的标准部件,可以允许一定量浪费的冷送风,以帮助调节房间内的压力。
通过使回流空气夹层足够大(即供应夹层),此系统可以针对大多数气流波动范围进行自我调节。
但是,可以采用配有变风量(VAV)风扇(在一些关键的服务器空气入口点连接有温度传感器)的空气操作装置对其进行微调。
总之,被动型空气冷却解决方案不会产生高返程空气温度(最好可以达到一个点),然后只需简单的站点管理策略,数据中心经理便可以不断收获高ΔT所带来的好处,而不必使源空气温度过高。
没有事实根据的观点:
认为被动型空气冷却解决方案的低采购成本在其很高的运营成本面前会显得黯然失色。
认为被动型空气冷却不适合高密度热负荷的第三个原因在于空气冷却解决方案的较低采购成本会被更高的运营成本(与紧耦合式冷却解决方案相比,尤其是布置在机架中或临近机架的水冷散热解决方案)抵消这一观点。
此观点的主要依据是尝试以更高的密度运行标准热/冷通道设施所固有的低效率以及因此而导致的能力过剩,且在最差的情况下,通常会被持续提供冷却的需求所推动。
凭借源空气和回流空气之间全面隔离所带来的效率提升,以及因此而获得的运营经济性,相比之下,紧耦合式系统便会失去其运营成本优势且总拥有成本明显有利于设计良好的被动型冷却解决方案。
一个经常被忽略的成本数字是设施施工成本。
考虑是施工成本的第一个问题是确定一个富有意义的标准。
大多数的标准要么不公平地偏向高密度部署,要么偏向更分散的低密度部署。
例如,平方英尺成本便倾向于不公平地偏向高密度项目。
但是,单位千瓦造价看来是所有部署类型中的折中公平方案,并且UptimeInstitute将此标准用于对四个正常运行时间可用性层分类(请参见表2)的说明中。
使用本文中所述的被动型空气冷却解决方案的项目相比(以6000美元/千瓦运行,每平方英尺总计部署为500瓦),Turner等人所引用的最低层施工成本以10000美元/千瓦运行。
由于表2中的施工成本是针对低密度的“旧有”空气冷却数据中心,有人可能会假设:
对于数据中心中需要加装管道的紧耦合式高密度解决方案,其施工成本会有一定相应比例的上升。
运营成本包括很多因素,例如不会随策略而改变的照明费用,但是冷却器、热交换器、冷凝器、风扇以及这些更高层应用中子系统的UPS备用装置的能源成本却会随着所部署的制冷策略而改变。
此外,还有与紧耦合式系统的故障切换有关的较不明显成本。
例如,一些“近似”耦合的系统会依赖与其相邻的持续供应的盈余制冷量,以确保在维护或故障期间保持正常运行。
这不仅会造成运营开支过多,还会产生高密度被动型空气冷却解决方案所不会产生的采购与相关施工成本。
其他解决方案的紧耦合度非常高,以致没有供冗余的可行途径,因此必须设计更有创造性的故障切换策略。
例如,对于采用水冷的机柜,故障切换装置常常为传感器系统(顺便说一下,这也是潜在的故障点),此种传感器装置可以识别系统故障并打开门以让冷空气从机房进入。
很显然,系统会假定机柜所需的冷却负荷总量,再加上在机房级别输送的一定水平的额外冷却量。
产生CFM的风扇是冷却方程中的另一个能耗装置。
由于机柜内空间狭小以及表面阻力对于气流的影响,一些紧耦合式冷却系统采用一组风扇将冷空气吹入机柜内,并采用另一组风扇将返程空气抽入热交换器中。
因此,此种拓扑结构至少需要3XCFM,再加上冗余盈余所需的额外CFM。
另一方面,室内空气处理设备采用相同的风扇叶轮输送源空气并抽吸返程空气,因此屋基将为2XCFM,再加上推动容载的计划负荷需求降低所形成的盈余量。
可以预计到此类效率低下的情况,但是应不会接近3XCFM。
此外,中央空气处理设备风扇(配有与设备进气温度有关的变风量控件)可以提供有效的冗余备份系统。
当这些风扇并行运转时,与吹送较高风量的少量风扇相比,大量的低风量风扇将明显会消耗较少的能量。
例如,以2/3的风量工作并产生总计60000CFM气流的三台30000CFM空气处理设备实际仅会消耗两台空气处理设备移动相同60000CFM消耗电力的一半。
这种经济性可以使故障切换状况处理的充分盈余设计显得合乎逻辑,尽管在某种程度上这是一种反直觉的选择。
对于没有任何冗余的紧耦合式系统,热负荷与冷却供应在理论上具有一对一的关系,但是紧耦合系统对于故障切换的要求使这一优势化为乌有。
此外,源空气与返程空气间具有完全隔离的被动型冷却解决方案可以消除室内的温度变化,并且允许数据中心运营商将较高温度的源空气送入室内。
因此,与必须解决源空气与高温返程空气相混合的常规数据中心相比,输送的源空气温度最多可以高出20˚F。
在大多数的地理区域,这一多出的20˚F可以帮助获得大量的时间,以收获节能器所提供的额外无成本的冷却效果。
表3显示数据中心冷却源空气与受热回流空气间完全隔离所带来的节能器效益(两个空间的数据中心中均配有CRAC且装有外部水冷中央空气处理设备)。
可用的无成本小时数随不同区域而明显变化,但是与37˚F以下的无成本可用小时数相比,任一采用热通道遏制策略的冷却方法在高于此温度时均明显提供更多的节能器小时数。
“无成本冷却”小时数事实上并非完全无成本–通常情况下,空气流动风扇消耗的能量大为HVAC系统电力总负荷的10%左右。
因此,在丹佛等湿球温度计温度可能不超过节能器工作温度的地区,此解决方案可帮助数据中心每年减少90%的制冷成本。
热空气遏制的经济效益不仅可以使运行HVAC设备切实实现巨大的能源成本节省,而且其效益还不仅限于HVAC电费。
McKinstry公司针对美国八个不同地理区域进行的一项研究更全面地揭示源空气与回流空气完全分离所产生的经济效益的全貌。
表4显示一个采样区域的结果,但所有被研究区域的平均值可以揭示巨大的额外经济效益:
关键制冷吨位降低74%
高峰用水量降低35%
24小时储水所用的储水罐减小44%
允许发电机重新启动的热水箱容积减小74%
发电机的HVAC符合降低65%(公共分配)
三相元件连接需求降低78%
室内HVAC设备的平面空间需求降低89%
HVAC的水成本降低63%
维护成本降低49%
高温气体遏制模型还可以从本质上消除监视热点以及调整机房以平衡冷空气分布的日常活动。
此外,此遏制模型与中央冷却水空气处理设备以及驱动变风量风扇的源空气反馈传感器(正如表4中的VAC选件年度成本对比图中所示)搭配使用,即使以启动低利用率也可以实现高能源节约。
消除机柜中排放的热气再流通是整个解决方案的一个重要部分。
由于进气侧的服务器风扇形成低压区域,因此空气自然会向这些区域流动,其中包含来自机柜背面的排出的热气。
目前,大多数人都已意识到在所有未使用的机架安装空间中安装固定盲板对于控制热气再循环的重要性。
CPIPassiveCooling解决方案含有低成本的快速拆卸式盲板(免工具拆卸),从而促进这一解决方案部分的部署。
但是,我们通常会忽略设备安装区域周围开孔这一内部热气再循环源。
图3是真实试验台的CFD模型,显示了排出的热气在机柜中侧面板与安装的设备之间流动的路径。
这些热气与机柜前方网孔地板砖中所流出的冷气一起被机柜前方的进气扇吸入。
对于无需出于安全性或美观原因安装机柜前门的情况,一些机柜仅需在最前方位置安装设备安装导轨即可保证返程空气再循环路径,其中导轨与机柜框架相连,能够提供机柜前后方之间的有效隔离屏障。
但是,如果需要安装柜门且柜门遮盖服务器表面,则设备安装导轨需要从机柜框架回缩,并需要通过其他途径来保证这一返程空气再循环路径。
CPIPassiveCooling空气挡板组件能够保证这一路径。
保证返程空气再循环的内部路径仅仅是第一步。
对于冷空气通道输送能力无法满足机柜热负载的情况(这在高密度部署中非常常见),服务器通常会从房间中抽取空气。
如果房间遵守了消除浪费的冷送风的最佳实践,则抽取的空气将为排除的热气。
本文开头处的图1清楚地显示了这种再循环的影响,并标示出了数据中心内的实际热点源。
因此,将返程空气从房间内完全排出提供了保持隔离性的解决方案。
CPIPassiveCooling高密度解决方案包含一个具有密封垫片、弧形气流导向器(起导流板作用)以及垂直排风管的实心后门,用于将供应空气与返程空气隔离。
这一带垫片的实心后门能够防止排除的热气从机柜后逸出。
但是,仅仅这样还不够。
通过实心后门来隔离服务器废气可以预期的结果为机柜背面静压增加。
实际上,这会形成服务器风扇的背压,从而影响其空气移动性能。
为消除这种潜在的问题,本解决方案包含在机柜背面下方区域安装气流导向器。
我们正在申请专利的气流导向器能够用作导流板,通过捕获安装在机柜最下方的服务器排出的空气并使其向上流动,从而防止产生湍流和静压增加。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 解决方案 高密度 低成本