在很多的数据中心项目中,设计人员提交了满足规范和客户要求的设计图纸,施工过程也完全遵守了图纸的设计,但是在项目建成交付运维后,在日常的运行过程中,却往往出现一些意想不到的问题。出现这种现象的根本原因,在于未能利用有效的技术手段对设计中可能存在的风险进行评估和预判。
　　
　　以数据中心制冷系统为例,Dell数据中心交付团队的工程师们在设计过程中,需要充分考虑机房整体热负荷、以及散热所需要的风量。然后基于这两个方面的因素,来配置机房内的精密空调数量和规格。但是在项目交付并安装IT设备以后,经过Dell交付团队的客户回访,我们发现,由于IT设备本身的功率密度不同,安装位置也存在一定的随机性,尽管机房整体制冷量和风量都充足,但是在某些局部区域,仍然出现了热点问题。有些热点区域温度甚至高达50℃,区域内的IT设备已经处于宕机的边缘。
　　
　　局部热点对于IT系统而言,是一个巨大的危险:一旦IT设备宕机,将会带来巨大的经济损失。Dell的数据中心设计人员也时常在考虑,是否有什么方法,可以让我们在数据中心在设计时,就能够消除可能存在的局部热点?于是,在接下来的一个设计项目中,我们采用了CFD(计算流体力学)软件,对数据中心内部的气流组织、温度场进行了仿真模拟,以求找到更好的设计方案。
　　
　　CFD(Computational Fluid Dynamics)即计算流体力学,它以电子计算机为工具,应用空间离散化的数学方法,对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究,以解决各种实际问题。在数据中心中,CFD通过建立虚拟三维机房模型，运用计算内核将模型离散化,通过有限元分析，计算获得机房温度场、压力场和速度场等数据，提供给设计则获得合理的气流组织和科学的机房布局与散热参考，以辅助设计人员完善设计方案。
　　
　　1 设计基础
　　
　　在北京某数据中心设计项目中,机房主要设计条件见表1。
　　
　　原始的设计图纸如图1所示。
　　
　　2 CFD建模
　　
　　CFD仿真计算的第一步,是需要将设计图纸转化为计算机模型。根据设计依据和设计图纸,我们在CFD软件中,建立了一个虚拟的数据中心模型,其物理参数、符合参数等均与设计基础一致。可视化后虚拟模型如图2所示。
　　
　　3 CFD仿真计算及结果分析
　　
　　数据中心精密空调系统采用N+1备份模式,也就是讲,5台精密空调中,有4台为主用设备,如果主用设备损坏或停机时,备用设备可以弥补停机设备的制冷能力。因此在CFD仿真中,也需要按照冗余备份模式进行仿真计算。假定最左侧空调宕机,其余4台正常运行,其计算结果如图3所示。
　　
　　通过仿真结果可以看出,尽管4台主用空调的总制冷量满足数据中心设备散热的需求,但在最左侧区域,由于空调宕机,IT机柜的平均温度已经达到40.6℃,房间温度局部区域可达68.3摄氏度。对于IT设备而言,这样的温度是极其危险的,将导致IT设备自动停机,影响整体业务运行。
　　
　　究其原因,可以发现,由于空调布局的不合理,当最左侧空调宕机后,剩余的空调无法将足够的冷空气输送至左侧的IT机柜,因此降低了数据中心可用性;同时剩余的4台空调风机又将超负荷运行,降低了整体制冷系统效率。
　　
　　4 优化设计方案
　　
　　新的精密空调设计方案把原来的单侧空调布局,改为了双侧空调布局;总制冷量保持不变,降低了每台空调的制冷量,并将空调数量增加了一台。新设计布局图如图4所示。
　　
　　5 优化后的计算结果(图5)
　　
　　由计算结果可以看出,精密空调经过重新布局,在其中一台宕机的情况下,数据中心内的气流仍然较为均匀,同时机柜平均温度最高为35℃,可以保证IT设备的正常运行。
　　
　　6 结束语̶̶总结
　　
　　通过CFD技术的应用,Dell公司数据中心交付团队的设计师们可以优化自己的设计成果,提前消除制冷系统中可能存在的风险,避免了机房内部局部热点的产生。
　　
　　此外,除了提前验证设计的优劣,Dell的工程师们还可以使用CFD技术,对现有数据中心的制冷系统进行评估,发掘制冷系统最大的潜能,为数据中心的扩容改建,提供更优的解决方案。
　　
　　作者简介
　　
　　鲁少堃,目前任职于戴尔（中国）有限公司数据中心咨询交付部门,担任高级咨询顾问一职。在项目中担任基础设施架构师、暖通工程师师、设计经理等职位。服务了超过30家,遍布于金融、互联网、制造业、教育行业的客户。有丰富的暖通设计及技术开发经验,熟悉CFD流体力学仿真、自然冷却等节能技术。
　　
　　编辑：Harris