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      高熱密度通信中心機房散熱影響因素的研究

      2017-03-23 08:30:24羅慈照郭德孺
      科學(xué)與財富 2016年34期
      關(guān)鍵詞:影響因素

      羅慈照+郭德孺

      (廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局 516000)

      摘 要:通信中心機房的設(shè)備運行實踐表明,設(shè)備工作的可靠性及使用壽命與其工作溫度的關(guān)系極為密切。設(shè)備過熱運行將會對設(shè)備的可靠性及使用壽命產(chǎn)生極其有害的影響。隨著微納米電子技術(shù)迅猛發(fā)展,電子器件特征尺寸的不斷減小,芯片集成與封裝密度和工作頻率的不斷提高,使得設(shè)備的熱流密度迅速攀升,最終導(dǎo)致通信中心機房的熱流密度不斷增加,給通信中心機房冷卻系統(tǒng)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本文主要探討的就是關(guān)于高熱密度通信中心機房散熱影響因素的相關(guān)研究。

      關(guān)鍵詞:高熱密度;通信中心;機房散熱;影響因素

      引言:

      通信中心機房的氣流分布對這些房間的設(shè)備的熱環(huán)境產(chǎn)生重要影響。制造商的關(guān)鍵要求是維持電子設(shè)備進口溫度和濕度在規(guī)格范圍內(nèi)。但是通信中心機房的環(huán)境數(shù)據(jù),包括機架進口溫度、相對濕度、最大露點溫度,也是我們在設(shè)計機房機架布置及通風(fēng)制冷設(shè)計所必須考慮的因素。

      1.通信中心機房布置與面臨的問題

      設(shè)備消耗功率趨勢繼續(xù)增長著,從而使通信中心機房的熱管理成為一個非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。雖然存在各種機房布局和不同送、回風(fēng)方式,而通信中心機房架空地板送風(fēng)方式成為通信中心送風(fēng)方式的主流,即機房空調(diào)向架空地板夾層內(nèi)提供冷空氣,再由穿孔地板送入各個機架井口?,F(xiàn)在通信中心機房空調(diào)設(shè)計多強調(diào)熱通道/冷通道概念,機房機架布置原則如下:

      機架與機房空調(diào)垂直布置于地面,機架之間形成冷熱風(fēng)道,機架平行放置,機架進口面面對冷通道,而機架出口面面對熱通道?,F(xiàn)有的通信中心機房架空地板就使用熱通道/冷通道的布局,即機房空調(diào)機組提供向下氣流到地板夾層中,再由穿孔地板送入冷通道,冷空氣從機架進口面進入機架,經(jīng)過機架設(shè)備加熱升溫,從機架背部排出熱空氣,直接回到機房空調(diào)機組進口或返回到頂板的回風(fēng)口,再進入機房空調(diào)機組進口。

      現(xiàn)今為了有效冷卻高熱密度負(fù)荷設(shè)備,通信中心機房的機架采用常規(guī)熱通道/冷通道布置,其目的是為了冷送風(fēng)氣流與熱回風(fēng)氣流能夠充分隔離。而由于機架功率增加迅速,導(dǎo)致機架背部排出的高溫?zé)峥諝飧菀讛U散到機架頂部附近和冷通道兩末端,造成冷熱空氣混合,在機架的局部產(chǎn)生高溫。

      對于架空地板的通信中心機房,地板下部空間流場控制著通過穿孔地板的氣流分布。如果機架底端穿孔地板提供流量滿足每個設(shè)備機架的氣流流量需求,在一般情況下,可以確保達到冷卻要求。通過穿孔地板的氣流分布是由地板下部的壓力分布來控制的,其影響因素有:架空地板的高度,空調(diào)機組的位置,穿孔地板的布局,穿孔地板開孔面積,以及地板下的存在障礙物等。地板上部區(qū)域冷卻目標(biāo)是防止熱空氣進入冷通道內(nèi),再進入設(shè)備機架的入口。實現(xiàn)這目標(biāo)主要是依靠穿孔地板供應(yīng)足夠的冷空氣。此外,還可以安裝空氣簾,機架末端隔板,機架頂部隔板(如圖1所示),以及導(dǎo)管機架被用來實現(xiàn)冷熱氣流隔離。在特殊情況下,可以使用安裝先進的散熱裝置(頂部換熱器、背部換熱器等)來提供局部冷卻,減少局部高溫,降低機架進口溫度。

      為了充分利用冷送風(fēng)量和減少通信中心機房局部高溫,我們必須控制機房氣流組織、通過穿孔地板的氣流均勻性、機架進口溫度等。通過研究通信中心機房的地板夾層,室內(nèi)氣流組織,甚至機架內(nèi)部等;具體如優(yōu)化通信中心機房的參數(shù)(地板夾層、穿孔地板開孔面積、空調(diào)機組和穿孔地板送風(fēng)口之間的距離),比較不同的機房的布局(機架和空調(diào)機組布置),模擬和預(yù)測機房空調(diào)發(fā)生故障后產(chǎn)生的后果等。

      2.空調(diào)機組間距及其送風(fēng)方式對機房的影響

      通信中心機房的設(shè)備運行實踐表明,設(shè)備工作的可靠性及使用壽命與其工作溫度的關(guān)系極為密切。設(shè)備過熱運行將會對設(shè)備的可靠性及使用壽命產(chǎn)生極其有害的影響。隨著微納米電子技術(shù)迅猛發(fā)展,電子器件特征尺寸的不斷減小,芯片集成與封裝密度和工作頻率的不斷提高,使得設(shè)備的熱流密度迅速攀升,最終導(dǎo)致通信中心的熱流密度不斷增加,給通信中心冷卻系統(tǒng)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

      現(xiàn)今為了有效冷卻高熱密度負(fù)荷設(shè)備設(shè)備,通信中心機房的機架采用常規(guī)熱通道/冷通道布置,而由于機架功率增加迅速,機房局部容易產(chǎn)生高溫。

      具體影響我們將其歸結(jié)如下:

      (1)離空調(diào)機組越近的穿孔地板氣流越不均勻,離空調(diào)機組較遠(yuǎn)的穿孔地板氣流均勻,相應(yīng)體積流量較大??照{(diào)機組水平送風(fēng)方式下,不同空調(diào)機組間距的機架進口溫度隨機架高度變化趨勢相似;機組間距d越大,第一排機架底部熱循環(huán)越嚴(yán)重,頂部熱循環(huán)相對減弱。

      (2)空調(diào)機組垂直送風(fēng)方式的機房內(nèi)整個穿孔地板氣流分布均勻,每排穿孔地板氣流分布更均勻一致,空調(diào)機組垂直送風(fēng)方式適合機房內(nèi)機架功率密度分布的通信中心;而空調(diào)機組水平送風(fēng)方式時,改變機架到空調(diào)機組的間距可以提高機房內(nèi)每排穿孔地板的氣流均勻性,同時空調(diào)機組間距適中(如d=1.83m)時,機房內(nèi)穿孔地板體積流量分布相對其他間距的較為均勻,可與空調(diào)機組垂直送風(fēng)方式下的氣流均勻性相媲美。

      (3)不同送風(fēng)工況下的溫度分布變化趨勢相同,空調(diào)機組間距較遠(yuǎn)(如d=5.49m)時,四排機架在不同送風(fēng)方式的機架進口溫度相差都很大,空調(diào)垂直送風(fēng)時一二兩排機架進口溫度相對空調(diào)水平送風(fēng)時較低,三四兩排機架進口溫度相對空調(diào)水平送風(fēng)時較高,空調(diào)水平送風(fēng)方式的情況與其相反;機架距離空調(diào)機組越遠(yuǎn)時,空調(diào)水平送風(fēng)方式的進口溫度較低,而空調(diào)垂直送風(fēng)方式的情況與其相反。

      (4)頂板送風(fēng)工況下,頂板回風(fēng)的設(shè)計優(yōu)于側(cè)墻回風(fēng)設(shè)計,頂板回風(fēng)能及時排出熱空氣,而側(cè)墻回風(fēng)設(shè)計在內(nèi)部機架背部上方位置聚集大量的熱空氣不能排出,內(nèi)部機架頂部熱循環(huán)嚴(yán)重。由于人為隔板的作用,機房內(nèi)溫度分布相對合理,每排機架進口溫度相對較好,工程設(shè)計要利用隔板等來實現(xiàn)冷負(fù)荷的配置,防止嚴(yán)重冷空氣過量,冷空氣配置不合理。

      (5)不同工況下靠近頂板回風(fēng)口附近位置的速度較大,冷熱空氣混合嚴(yán)重,導(dǎo)致冷空氣得不到充分利用,熱空氣不能及時排出,冷空氣得不到充分利用。靠近送風(fēng)口位置的外部機架溫度分布相對較高,冷通道內(nèi)的溫度較高,機架進口溫度較高,外部機架熱循環(huán)相對嚴(yán)重;內(nèi)部機架溫度分布相對合理,機架進口溫度相對較好;遠(yuǎn)離送風(fēng)口位置的外部機架溫度相對較低,由于其對應(yīng)位置的靜壓較大,導(dǎo)致穿孔地板速度較大,所以提供給機架的冷空氣過量,導(dǎo)致外部機架溫度過低,出現(xiàn)冷短路現(xiàn)象。

      3.總結(jié)語

      由于機架內(nèi)熱源結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,為了應(yīng)對機房發(fā)熱量過大的問題,如何優(yōu)化氣流組織形式才能夠達到最佳的節(jié)能效果也值得進一步研究。

      參考文獻

      [1]蔣雅靖,劉剛,數(shù)據(jù)機房不同下送風(fēng)方式的模擬分析及對比,建筑節(jié)能2011.01.

      [2]傅德薰,馬延文,李新亮.可壓縮湍流直接數(shù)值模擬.科學(xué)出版社.2010.11.

      [3]張兆順,崔桂利,許春曉.湍流大禍數(shù)值模擬的理論與應(yīng)用.清華大學(xué)出版社.2008.01.

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