高密度发热数据中心空调系统技术解决方案

Solutionsforhotspotindatacenter数据中心热点解决方案 ChenYunshui陈云水AirsysRefrigerationEngineeringTechnology Beijing Co Ltd 阿尔西制冷工程技术 北京 有限公司 Really 真实情况是什么 Isthehotproblemreallysoserious 热问题真的如此严重吗 内容 数据中心热密度发展史 数据中心高热密度实际状况 热点 与 热区 的概念 热点与热区应区别对待 1 热点形成的原因 当前热点解决方案及其缺点 2 3 4 5 6 高热密度到底有多高 热问题并不是 高热密度 ONSPOT热点空调机 ONSPOT热点空调机的类型 总结 7 8 9 10 11 CONTENTS Historyofhighheatdensityofdatacenter Realstatusofoverheatindatacenter Conceptof hotspot hotarea Differenttreatmentsforhotspotandhotarea 1 Whyhotspot Currentsolutionsandshortages 2 3 4 5 6 Howhighisthe highheatdensity Mainproblemisnothighheatdensity ONSPOTAIRCONDITIONER TypesofONSPOTunit Summary 7 8 9 10 11 数据中心高热密度解决方案历史 从2000年前后开始 由于数据中心电子设备发热量快速增加 不断有人提出数据中心高热密度问题 越来越多的解决方案也被提出来 同时随着互联网技术的发展 数据中心的规模越来越大 发热量也越来越大 因此 所谓的 热问题 也越来越严重 参见下图 Thehistoryofhighheatdensityofdatacenter 数据中心热密度发展趋势 Reallysohighdensity 热密度真的这么高吗 Heatdensitytrendsindatacenterequipments 90 ofdatacenter OverheatexistedVerycoldatthesametime Afteralotofsurveytothedatacenter 数据中心实际过热情况 Realstatusofoverheatindatacenter 经过大量调查 90 以上数据中心存在过热然而 同时感觉到非常冷 Hotspot thehotspaceformedbyseveralcabinetswithoverheatHotarea thehotspaceformedbymorecabinetswithoverheat热点 由少数几个过热机柜形成的范围较小的偏热区域热区 由较多相互靠近的过热机柜形成的范围较大的偏热区域 热点 与 热区 概念 Hotspot Hotarea Conceptof hotspot hotarea HOTSPOT HOTAREA热点 热区 热点和热区应区别对待 Differenttreatmentsforhotspotandhotarea Whyhotspot 为什么会出现热点 BadairdistributionElectr devicesnoteveninstalledincabinetPeakloadofequipment气流组织不好机柜内部结构不当或元器件分布不均设备高峰负荷集中 制冷能力不足不是主要原因Theinsufficientcoolingcapacityisnotthemaincause Detailfollowed详见后面 Actuallynotthein sufficientcoolingcapacityofPACDueto ColdaircannotbereachedtohotplaceSlowairsupplyspeedObstaclematerialinthewayofairsupplyairHighairflowresistanceinthewayofairsupplyLowairsupplypressurePlaceofsupplyairgrillisnotcorrectAirvolumeisnotmatchedwiththeloadofservercabinet Badairdistribution机房气流组织不好 出现热点 并不是因为机房空调机的制冷量不足是因为 冷风不能送到热点位置或热点位置冷风量不足送风速度过低送风通路上有阻碍物送风通路上空气阻力过高送风风压不足送风格栅的位置不合适送风量与机柜的热负荷不匹配 机柜内电子元器件不均匀 LowerdensityofE devices HigherdensityofE devices Electr devicesnoteveninstalledincabinet Peakloadofequipment通信高峰 Peakcommunication Whenitisatthepeaktimeofcommunication theheatgeneratedbyserverishighbecauseoftoomuchcalculation在通信高峰时段 服务器会产生更多的热量 因为此时的计算工作量大 Internalstructureofcabinet设备内部结构 ToomanydevicesinthecabinetUn evendistributionofdevicesUn evenheatloadofdevicesInsufficientairvolumecapacityofinternalfans Highdevicesdensity Insufficientairflow 机柜内部元器件太多元器件分布不均匀各元器件负载不一致机柜内部风机风量不足 Currentsolutionsandshortages当前方案及缺点 Reducethetemp ofdatacenterInstallmoreaircons Dispersetheheatload降低数据中心机房温度新增机房专用空调机分散过热机柜的负载 常规机房控制温度为 24 经常被降低到 20 18 或更低 机房温度降低1 空调机的制冷效率会降低2 3 甚至更多 同时 其制冷量会降低3 5 不但如此 这还会引起空调机不必要的除温和加温 如果机柜内部进一步过热 这种方法就不可行了 因为机房温度过低时 空调机制冷盘管会结霜 降低机房的温度 容易方便但不节能 机房控制温度 EER能效比 24 机房温度降低 能耗增加 20 Normalcontroltemp ofDC 24 Itisoftenbereducedto20 or18 orevenlowerbyadministratorofDC Whentheroomtemp isreducedby1 thecoolingefficientofairconditionerwillbereducedby2 3 orevenmore andatthesametime thecoolingcapacityofACwillreduceby3 5 furthermore therewillbemoreun necessaryhumidifyinganddehumidifying Iftheoverheatofcabinetgoesworse thiswaywillnotwork becausethecontroltemp ofDCcannotbereducedfurthermoreduetofrozenonthecoilofAircon Reducethetemp ofdatacenter EasyConvenientButenergywaste Controltemp ofDC EER Normalcntrl Temp Ccntrl Temp forhotDC Powerconsumptionat24 Powerconsumptionat20 Controltemp decreasing Energyconsumptionincreasing Installmoreaircons 添加空调机 Anyway thiswillleadtoabiginvestment 这种方法的投资很高 还不一定能解决问题 Someuserthinkaboutsimplythattheoverheatiscomefrominsufficientcapacityofairconditioner so installmoreairconditionerforthedatacenter Insomecases itworkswhentheairconditionerisinstalledatagoodpositionandthecoldaircanbesuppliedhotposition Manycases itdoesnotworkwell 某些用户简单认为出现过热是因为空调机冷量不足 所以就添加空调机 某些情况下 当空调机的安装位置合适 冷风可以直接送达过热位置时 这种方法有效 将负荷分散 当某个机柜出现过热时 有经验的用户会将该机柜内部的设备分开安装到其它发热量较小的机柜这种方式很有效 不过 有较大的拆 装工作量当相关元器件不能分散 必须安装在一个机柜内部时 这种方法就不能使用了 Dispersetheheatload Thedeviceswithhigherheatloadiscentralizedin1cabinet Thedeviceswithhigherheatloadisdispersedtomanycabinets Whenthereisacabinetoverheated theexperienceduserwilldispensetheheatloadtomanycabinets thatistosay movetheelectronicdevicesintheoverheatedcabinettoovercabinetwithlowheatload Thismethodsworks but therearealotoflaborworksfordismantling assemblingandrelatedexpenses More sometime thismethodscouldnotbecarriedout becausesometimes allthecomponentsorserversmustbeinstalledatasamecabinetfortheneedsofmanagement 出现过热现象时 机房管理人员会同相关专业人员商量 有经验的设计师 安装人员在现场考察之后 会推荐这个方案 应该说 这是一种好的方案 调整空调机的位置 调整气流分布后 问题可以解决 优化空调机的安装位置 相关工作和费用 重新安装风管 水管 制冷剂管路重新接线 调试注意事项 费用仍较高较长的施工周期某些时候 此方案不可行 Whenthereexistshotspot theadministratorofDCwillconsultwithairconditioningsupplier Theexperienceddesigners installationpeopleswillputforwardthissolutiontouseraftersurveyingtothedatacenter Itshouldbeconfirmedthatthisisagoodsolution Theairflowdistributioncanbeimprovedandtheoverheatcanbeeliminatedbythismethod Worksandexpenses Re pipingforairduct waterpipe refrigerantpipesIssues HigherexpensesLonginstallationengineeringdurationMaynotbepossibletocarryoutsometimes OptimizetheinstallationpositionofAC Accurateairsupplyorreturn精确送风或回风 Thisisaverydirectsolution MakethecoldairfromACdirectlybesuppliedtothehotpositionorhotairreturnedfromhotposition Issuesandconsiderations AirpressureofACshouldbehighenough ifnotso afaninairductisneeded thisisthemostcases NobackupofACHighinvestmentNeedbigspaceforairductinstallation 这是一种非常直接的方案 将冷风直接从空调机的出风口送到过热位置或者将过热位置的热空气抽走到不过热位置注意事项 空调机的风压必须足够 必要时在风管上安装风机 一般都需要 要注意空调机有停机的时候投资高风管安装的工作量大 空间占用多 Buildnewmachineroom新建机房 Thisisanextremewaybutalsopopularone Manyun necessarynewmachineisbuiltupbecauseofheatproblem Accordingtoourviewpoint mostofthecases thenewmachineroomisnotnecessarytobuild Exceptthatthereisanotherbigreasonbesidesofhotproblem 这是极端的做法 却也是比较普遍的做法 因为热问题而兴建了许多不必要的新机房 根据我们的观点 多数情况下 这些新机房是不需要建造的 除非有其它热点问题之外的大原因 Howhighisthe highheatdensity 1 热密度到底有多高 Overheatedcabinet Highheatdensitycabinet Superhighdensitycabinet所谓过热机柜是指高热机柜以及超高热机柜 Howhighisthe highheatdensity 2 热密度到底有多高 Weshouldpaymoreattentiontothe highdensitycabinet Weshouldusedifferenttreatmentsforhighdensityandsuperhighdensitycabinet 由于高热机柜占大多数 所以 我们应将更多的注意力放在高热机柜 并且对超高热机柜与高热机柜采用不同的处理方法 主要问题并不是高热密度 热点 高热密度 我们所谈论的高热密度只是一个表面现象 并不是真正原因 真正的问题是 热点 实际之中 我们大多情况下谈论的所谓 高热密度 问题实际上是 热点 问题 关键原因 Mainproblemisnothighheatdensity Hotspot Highdensity Highheatdensityisasuperficialphenomena nottherealcauseTherealissueisthe hotspot Mostly whatwetalkedisactuallythehotspotproblem KeycauseRootcause Anairconditionerspeciallydesignedforhotspotindatacenter CauseofhotspotTypeofhotspotAirdistributionororganizationFeatureEasyuseEasyinstallSmalldimensionsLightweightFlexiblePlug play Themostsimplifiedandcorrectwaystosolvehotproblemindatacenter这是解决数据中心热问题的最简单直接和最正确的方法 ONSPOT热点空调机 这是为数据中心热点而特别设计的空调机热点形成的原因热点的类型气流分布和组织产品特点容易使用容易安装尺寸小重量轻灵活即插即用 ONSPOTAIRCONDITIONER 机柜的进风由ONSPOT预冷到14 16 这样机柜的出风就降低到28 30 这样机柜的过热现象就消除了 WorkingphilosophyofONSPOT工作原理 过热机柜的进出风温度 当过热机柜进风口安装ONSPOT空调机时 冷凝热以较高速度送到不过热的地方 Cabinet Cabinet Theenteringairispre cooledto14 16 so theleavingairtemp isreducedto28 30 andtheoverheatofthecabinetisremoved WorkingphilosophyofONSPOT工作原理 Enteringandleavingairtemp ofoverheatedcabinet AnONSPOTairconditionerisinstalledinfrontofanoverheatedcabinet Condensationheatisblowtoaplacefarawayfromhotspot Cabinet Cabinet 以客厅中的冰箱为例 在客厅中安装了一台分体式空调机与一台冰箱分体机制冷量 5200W冰箱热负荷 100W 约为空调机制冷量的2 1个常规小型数据中心的面积约为 150m2其总热负荷为 120kW一般情况下会配置 180kW制冷量的机房专用空调机ONSPOT工作时的热负荷为 1 1kW如果有5个热点 安装5台ONSPOT 则其总热负荷为 5 5kW 只有机房空调机总制冷量的3 3 如果增加到10个热点 使用10台热点空调机 也只引起11kW的热负荷 占空调机制冷量的6 6 由于ONSPOT并不是连续运行 其实际总热负荷较低 只有上述计算值的70 左右 由此可见 ONSPOT工作时的热负荷可以忽略不计实际上 我们使用其它方法消除热点时 所引起的附加热负荷比ONSPOT均要高一些 ONSPOT空调机增加机房热负荷吗 Youmayask TheONSPOTairconditionerisinstalledinsidedatacenter DoestheONSPOTairconditionerincreasestheheatloadtodatacenter Orwillitmakemoreoverheat No Neednottothinkaboutthisissue Forexample ThelivingroomwithasplitairconditionerandarefrigeratorTheaveragecoolingcapacityofSplitAC 5200WTheaverageheatloadofrefrigerator 100W around2 ofcoolingcapacityofsplitAC Let scomparewithONSPOTindatacenterAnormalsmalldatacenter 150m2with120kWheatingloadand180kWprecisionAC TheheatingloadofanONSPOTis1 1kWIfthereis5hotspots wewilluse5ONSPOTunits thetotalheatingloadis5 5kw whichis3 oftotalcoolingcapacityofPAC Ifthereis10hotspots wewilluse10ONSPOTunits thetotalheatingloadis11kw whichis6 oftotalcoolingcapacityofPAC BecausetheONSPOTwillnotberunningcontinuesly thetotalheatingloadofONSPOTwillbelowerthanabovecalculation around70 Besides ifyouuseothermethodstoremovethehotspot itmayproducemoreheatloadtothedatacenter PleaserefertotherelativewhitepapersofAirsys DoesONSPOTincreasestheheatloadtoDC 许多用户采用降低机房温度的办法来解决热点问题 然而这种方法会导致高能耗 如果使用ONSPOT机组 不但不需要降低机房的温度 还可以升高机房的温度 从而节约大量的空调电能消耗 Manyuserswilldecreasetheroomairtemp indatacenterifthereisahotspot Butthiswillleadtoahigherenergyconsumption becausewhenairtemperaturegoesdown thecoolingefficiencyofairconditionerwillgoesup IfyouuseONSPOTunits youwillnotonlyneednottodecreasetheroomtemperature butalsoincreasetheroomtemperature say 28 andget10 aroundenergysaved ONSPOT节能ONSPOTSAVESENERGY Energyconsumptionratiocurve能耗比例曲线 名义工作点Nominalworkingpoint Manyuserswilldecreasetheroomairtemp indatacenterifthereisahotspot Butthiswillleadtoahigherenergyconsumption becausewhenairtemperaturegoesdown thecoolingefficiencyofairconditionerwillgoesup IfyouuseONSPOTunits youwillnotonlyneednottodecreasetheroomtemperature butalsoincreasetheroomtemperature say 28 andget10 aroundenergysaved ONSPOTSAVESENERGY Energyconsumptionratiocurve Nominalworkingpoint 应在数据中心机房配备数台ONSPOT产品 出现热点时 将热点空调机移到热点位置 接上电源 热点就消除了 就像灭火器一样 SeveralONSPOTshouldbepreparedandbackedupindatacenter Ifthereisahotspotocc