基于气流特性的改进策略在基于行的冷却数据中心中的应用

行式冷却系统热通道气流相互作用研究提出ΔT评价指标量化不同功率模块间的热 exhaust air混合效应，通过实验与模拟分析热通道宽度与功率比的影响，并设计导向板、垂直隔离等优化策略，使ΔT提升0.75~1.66℃，有效缓解热通道气流干扰。

　　

刘颖颖|白雪莲|王立刚|王亚婷|金超强

重庆大学，中国重庆400045

摘要

基于行的冷却系统的较短气流路径可以提高数据中心的冷却效率。然而，将基于行的空调单元（ACUs）放置在机架附近会显著增加通道内的气流速度。同时，不同的电源模块共享一个热通道，这容易导致热排气空气混合问题。现有研究忽略了气流之间的相互作用，导致回风温度无法准确反映每个模块的冷却需求。为了解决这个问题，本研究通过实验观察和数值模拟相结合的方法，研究了基于行的冷却系统内的相互作用现象。为了评估这种相互作用，提出了一个新的指标ΔT，定义为同一排内不同电源模块之间的回风温差。然后分析了在不同功率比下，共享热通道宽度变化对相互作用的影响。结果表明，随着功率比的增加，气流相互作用加剧，并且存在一个合适的热通道宽度。为了进一步缓解这种相互作用，提出了包括气流导向器、垂直隔离和水平隔离在内的改进策略。实施这些策略后，热通道内的气流变得更加有序，ΔT分别从0.75°C增加到1.06°C、1.64°C和1.66°C。最后，在共享热通道中央安装垂直帘幕并密封顶部，有效减轻了高功率模块场景下的热排气空气相互作用，ΔT从0.86°C增加到1.578°C。

引言

随着人工智能、5G网络和云计算等技术的广泛应用，对数据处理和存储的需求急剧增加。因此，数据中心（DCs）已成为数字基础设施的关键组成部分，并且为了满足这些不断增长的需求而迅速扩张[1]、[2]。数据中心消耗大量能源，目前约占全球电力使用的2%，预计到2030年这一比例将达到8%[3]。因此，在实现碳中和目标的框架下，减少数据中心能耗和提高能源效率已成为紧迫且重要的挑战[4]。

数据中心不仅包括IT设备，还包括各种支持设备，如空调设备和监控设备[5]、[6]。由于空调系统占数据中心总能耗的40%或更多[7]、[8]，因此设计高效的冷却系统对于节能至关重要。数据中心中的冷却系统通常分为空气冷却系统和液体冷却系统[9]、[10]、[11]。尽管液体冷却系统在冷却效率方面有显著提升，但由于泄漏风险和较高的初始投资成本，其应用受到限制。因此，空气冷却系统仍然是数据中心最常用和最可靠的冷却方式[12]、[13]、[14]。其中，抬高地板式和基于行的冷却系统是数据中心中两种主要的空气冷却系统形式。抬高地板式系统在传统设计中广泛采用[5]、[15]、[16]，但其长气流路径可能导致压力不平衡和气流旁路。相比之下，基于行的冷却系统在机架之间部署了行内空调单元（ACUs），从而缩短了气流路径并提高了冷却能力[17]。

Chu等人[18]对数据中心的气流管理策略进行了全面回顾，将气流路径分为长路径和短路径两种类型。他们的研究结果表明，长路径更容易导致热空气循环和冷空气旁路，而短路径冷却在减少热损失方面更有效。在相关研究中，Lin和Avelar[19]提出了基于行的冷却系统的概念，强调了其更好地匹配冷却能力和热负荷的能力。Cho等人在韩国进行了实验研究，评估了用基于行的冷却系统替代传统周边冷却系统的性能。结果显示，供热量指数（SHI）提高了37.1%，而回热量指数（RHI）增加了20%，表明冷却效率得到提升，热管理更加有效。Gupta等人[21]根据能耗指标分析了多种冷却配置，得出基于行的冷却系统能耗更低的结论。这些研究展示了基于行的冷却系统的冷却效率和节能潜力，突出了其优势。随着IT设备功率的提高，基于行的冷却系统的应用越来越普遍[22]。

然而，由于水平供气模式以及行内空调单元与机架的紧密接近，基于行的冷却系统会在机架周围引起剧烈的气流扰动。长期以来，气流分布一直被认为是数据中心能源管理的关键方面。不良的热分布，如局部热点和过冷现象，会导致严重的能源浪费并降低效率[23]、[24]、[25]。相比之下，优化的气流组织可以减少气流混合，帮助保持稳定和均匀的气流模式，从而提高热性能和冷却效果。Jin等人在一个实际项目中进行了实验测试，发现了与基于行的冷却系统相关的一些气流问题，包括气流涡旋、机架入口处的空气温度不均匀以及相邻模块之间的相互作用。Wang等人[27]采用现场测量和数值模拟相结合的方法，揭示了特定服务器机架内的气流问题，如热点和涡流。Abbas等人[28]和Nada等人[29]通过数值模拟观察到，位于行中心的机架比位于行末端的机架具有更好的热性能，后者有更多的热点。

大量研究致力于数据中心的气流优化，旨在提高冷却效率并保持稳定的热性能。Nada等人[30]对行内系统的各种隔离策略进行了深入研究，发现密封通道的两侧和顶部可以有效消除行末端的热点。此外，安装挡板可以减少气流混合[31]。Jin等人[32]对服务器布局、通道隔离策略和基于行的冷却系统中的挡板使用进行了全面分析，得出结论认为，冷通道隔离和挡板的结合可以改善气流分布的均匀性。Tang等人[33]在比较气流组织和热分布的研究中表明，使用挡板可以有效抑制空气混合，并显著降低风扇功耗。Cho等人[34]分析了不同通道布局下的各种基于行的空调单元，并通过组合方法构建了2,592个模拟案例以确定最佳布局。他们的研究结果表明，交错排列在所有通道配置中始终能够获得最佳的热性能。Wang等人[35]结合田口方法和TOPSIS方法，研究了机架数量、空调单元布局、冷通道宽度和服务器排列的耦合效应，并为现有数据中心提出了一个实现良好热性能的最佳结构布局方案。总体而言，现有研究验证了数据中心气流管理的可行性和重要性。然而，对于不同电源模块之间共享热通道中的热排气空气相互作用现象关注较少，这种现象会导致空调单元无法准确反映单个模块的冷却需求，从而导致冷却能力判断错误和能源浪费。因此，有必要提出一个专门的定量指标来描述这种相互作用。此外，机架功率密度和不同模块之间的共享热通道宽度是影响热排气空气干扰的关键因素，需要进一步研究。最后，提出具体的缓解策略可以为基于行的冷却数据中心的应用提供实际指导。

在这项研究中，我们在数据中心进行了现场实验和模拟，分析了基于行的冷却系统的热环境，并揭示了共享热通道中的热排气空气相互作用现象。提出了一种新的指标ΔT，定义为高功率模块和低功率模块之间空调单元的回风温差，用于定量评估相互作用程度。基于参考文献[35]中的最佳数据中心布局，通过数值模拟研究了在不同功率比下共享热通道宽度变化对热排气空气相互作用的影响。然后，从气流导向器、垂直隔离和水平隔离的角度提出了改进策略。此外，通过模拟结果和ΔT的值评估了这些策略在共享热通道中热排气空气相互作用上的有效性。最后，在涉及高功率模块的情景下进一步检验了所提出策略的适用性和有效性。据作者所知，这是第一项提出改进策略以缓解基于行的冷却系统共享热通道中热排气空气相互作用现象的研究。

部分摘要

数据中心描述

本研究中的数据中心位于中国重庆，其照片和布局如图1和图2所示。该数据中心采用基于行的冷却系统，包含两个模块，共有52个服务器机架。这些机架面对面和背靠背排列，没有使用挡板。数据厅长14.7米，宽12.6米，高3.7米，抬高地板高度为0.3米，占地面积为185.2平方米。冷通道是封闭的，宽1.2米，而热通道...

机架进出口空气的温度分布

图10显示，所有服务器机架的入口空气温度均保持在ASHRAE推荐的18至27°C范围内[40]。位于行末端的机架（例如A1–A4和A10–A12）的入口空气温度较高，而位于行中间的机架（例如A5–A9）的入口空气温度相对较低。这种温差主要是由于中间机架受益于两侧基于行的空调单元提供的冷空气。

改进策略的选择性分析

以下是对模块功率比为2.4、共享热通道宽度为1.6米的数据中心进行的分析和讨论。图18表明，随着高度的增加，共享热通道内的热相互作用加剧。值得注意的是，当高度增加时，热相互作用首先出现在B7、B8和B9机架的出口处。基于这些现象，从局部导向和物理隔离的角度提出了三种改进方案。

结论

本研究重点关注缓解基于行的冷却系统中不同功率模块在共享热通道内的热排气空气相互作用。为了定量评估这种相互作用，提出了一种新的指标ΔT，定义为高功率模块和低功率模块之间基于行的空调单元的回风温差。基于之前的数据中心最佳布局，通过数值模拟研究了在不同共享热通道宽度下变化的影响

CRediT作者贡献声明

刘颖颖：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、正式分析、数据整理。白雪莲：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。王立刚：验证、方法论、正式分析。王亚婷：验证、方法论。金超强：方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号51778080）的支持，特此表示感谢。