探讨高密度数据中心连续制冷解决方案

PUXIN 作者:刘锋 来源:万方数据 2012-03-12 [评论]

    随着数据中心单位用电量不断增加,机房的发热量越来越高,在这种情况下,一旦电源发生故障,虽然服务器依靠ups系统能够继续运行,但由于制冷设备停止运行,致使机房温度快速上升,仍会导致服务器过热而停止运行。因此,目前高密度机房的趋势需要设计不间断工作的制冷系统,以保证在电源故障时,制冷系统或部分制冷系统能继续运转,在一段时间内维持机房的环境温度,以免过快地升温,从而保护服务器设备的安全运行,等候电力系统恢复或者备用发电系统投入使用。

    当制冷系统停止时,根据数据中心机房装机密度的不同,机房的温度上升幅度不一,在以往传统的机房,由于单机柜用电量较小,制冷系统停止后,仍有较长一段时间能维持设备正常运行。例如在一个单机柜1.2KW的机房,制冷系统停止10分钟后,温度将上升10.5℃,管理者可以有时间启用备用发电机或关闭服务器设备。

    但随着机房装机密度的提高,温度上升变得非常迅速,据Intel实验分析,一个单机柜用电量约9KW的数据中心机房,一旦制冷系统停止运行,温度从22℃上升40℃只需要18秒,上升到57℃只需要35秒。而一旦超过32℃,计算机设备就会出现故障,温度继续升高,计算机设备将会停止运行,甚至损坏。因此,对于高密度的机房,配置一个不间断的制冷系统就变得非常必要。

    1 对高密度机房连续制冷的定义

    面对上述情况,国外数据中心领域的一些机构进行了研究,在UPTIME协会研讨高密度机房连续制冷系统的白皮书中,将制冷系统分为ABC三个等级,A级为不间断制冷系统,不间断制冷系统需要为精密空调的风机、二次泵配置UPS,并增加蔷冷罐;B级为连续制冷系统:连续制冷系统需要为精密空调的风机、二次泵配置UPS,但不增加蓄冷罐;C级为可中断的制冷系统,即对制冷系统不配置任何UPS设备,在电源故障时停止制冷系统。UPTIME对制冷系统进行分级定义,并提供了几种解决方案。

    2高密度机房连续制冷的几种解决方案

    对于高密度机房,采取何种措施在电力故障发生的间歇,维持制冷系统的运行,或是部分运行呢?UPTIME组织和有关厂商提出了几种解决方案。

    第一种,为整个制冷系统全部配置UPS系统,对于冷冻水型精密空调,需要为冷水机组,冷却塔、一二次泵和精密空词都配上UPS系统。这种方式能保持整套制冷系统的运行,但对于大功率的冷水机组和冷却塔,全部配上UPS系统的代价是非常高昂的,因此目前很少被采用。

    第二种,在一个使用冷冻水型精密空调的系统中,为精密空调的风机、冷冻水的二次泵配置UPS,并在冷冻水循环系统中增加蓄冷罐以储备冷冻水。当电源中断未恢复,或因电源中断导致冷水机组暂时无法启动时,通过蓄冷罐和水泵提供冷源,由精密空调的风机维持机房内的空气循环,从而在一段时间内保持机房的温度或阻止机房快速升温,等候电力的恢复或冷水机组恢复正常工作。

    第一和第二种方式都达到了A级不间断制冷的标准。

    第三种,在使用冷冻水型精密空调的系统中,为精密空调的风机和冷冻水二次泵配置UPS,但不在冷冻水循环系统中配置蓄冷罐。当电源中断未恢复,或因电源中断导致冷水机组暂时无法启动时,精密空调的风机仍能维持机房内的空气循环,并利用管道中的剩余冷冻水为机房降温。采用这种方式,也能减缓机房快速升温。但效果没有前两种方式显著。

    第四种,对于采用直接蒸发式精密空调的系统,既无法安装蓄冷系统,也没有管道的余冷可以利用。但依然可以为精密空调的风机配置UPS,目的只是为在出现故障时保持数据中心的空气循环,也能减缓机房的升温。

    第三和第四种方式达到了B级连续制冷的标准。

    3高密度机房连续制冷解决方案的选择

    那么,对于以上的几种连续制冷解决方案,建设方或设计单位该如何进行选择呢?对此,笔者建议建设方和设计单位可根据数据中心的热密度和数据中心的重要性。以及柴油机等后备系统配置情况,从以上解决方案中选择一个合适的连续制冷方案,例如对应单机柜电量1.2KW以内的机房,预计温度上升到32℃的时间约在10分钟以上,就可以依靠柴油机系统来提供后备电源。随着单机柜用电量的提高,可以采用为精密空调的风扇提供UPS的方案,以提供气流循环,利用环境的吸热能力,减缓温升速率。

    但对于单机柜的用电量达到6kw以上的高密度的机房(按ASHRAE的预测,2010年服务器单机柜将在12KW以上)。就需采用冷冻水型精密空调系统,从而选择UPTIME的A级不间断制冷方案,给冷冻水循环系统提供UPS,并设置一定体积的蓄冷罐,以维持停电期间或停电后冷水机组重新启动期见的制冷,等待制冷系统的完全恢复。

    4定期预防性维护是关键

    数据中心冷却系统常常忽视对服务器、操作系统和网络配置的注意,然而,这些IT系统的性能对冷却支持的依靠就跟对网络连接的依靠是一样的。随着IT系统的变化,冷却系统也需要随着进行调试。信赖一个对关键基础设备有整体性看法的服务合作伙伴是必需的。

    精密冷却系统的设计专为满足数据中心的热负荷的需要,对服务和维修具有不同的要求。而标准的建筑空调,仅仅是为了满足居住者的个人舒适就可。目前的数据中心冷却设备比家用的空调更加多面和复杂,一些类似数码涡旋压缩机或者高街度冷却排、变速驱动器这些技术都需要对配置和网络进行先进的控制。

    然而,最大限度地提高机密冷却系统的性能和效率,这需要它得到妥善的原始设备制造商(OEM)的工厂培训和认证的技术人员的维护,而他们通常都对如果维护这些关键系统去支持数据中心具有广泛的知识。冷却系统集成到数据中心的基础设施支持的战略是最关键,大多数非制造商支持的维修来源缺乏这种经验。

    精密冷却连续运行,同时要求设备的正常运作。为了发展和坚持长期的服务计划,保持这种一致性是很重要的,其中包括对精密冷却系统的预防性维护和优化。下面是对一个预防性的维护任务清单的建议:

    预防性维修制冷设备应集中于诸如空气过滤器、风机驱动系统、压缩机、流体和管道设施以及蒸发器线圈等关键部件。

(1)空气过滤器堵塞,例如,应该进行更换因为它们减少气流却增加了对风机驱动器系统的负荷,空气过滤器不断收集污垢和灰尘,甚至最小的飘落压力都可能会导致风扇能源的额外要求。

(2)鼓风机皮带、轴承、电动机、车轮也应定期检查,以确保没有磨损或损坏而引起设备故障。此外,IT经理每月都应检查并调整空气处理装置风扇及使用皮带驱动风扇得机房空调之间的张力。

(3)压缩机应检查是否有泄漏和油位也应该进行检查,因为太少或太多油都能减少使用寿命。应该只使用那些制造商或原始设备制造商建议的油的类型。

(4)那些使用水或者乙二醇的冷却空调需要得到维护,这样使得运输到空调的液体的质量尽量达到无污染的状态。最后,蒸发器线圈必须定期检查,以确保它们是干净和无杂物。

    我们建议至少每年由授权的服务人员对各主要组成部分进行这4个方面的检查。这可以帮助确定避免系统失败的风险。预防和减少停机时间的维修成本以及保证产品寿命最大化。提供全面的现场解决方案,包括数据中心冷却方面的关键任务,这对系统的连续可用时是必不可少的。

    面对高密度机房的发展趋势,配置连续制冷设施,以在停电和冷水机组重启期间维持设备运行,保护设备安全,己是建设方和设计单位必须考虑的重要问题?目前各方都在积极探索和实施。同时随着高密度机房的不断规划建设,预计也将出现更多的解决方案,以满足高密度机房连续制冷的需求。

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