這是國華人壽的新機房,這座機房的玻璃隔間就印上「Green(綠化)」可以嗅到近年來臺灣機房建置的趨勢,希望透過強化機房設計,來增加機櫃密度,並降低機房的用電量。

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iThome

夏天的腳步逐漸接近,高達30多度的氣溫讓人受不了,如果吹著冷氣,搭配電風扇,就可以快速降低房間的溫度,讓人感覺到涼爽。

機房環境同樣面臨夏天的高溫挑戰,如果沒有一套有效的機房散熱機制,機房溫度可能高達30多度,而伺服器面臨的溫度更高,甚至逼近50至60度,這樣的高溫很容易讓伺服器無法散熱而當機,這個時候,你會怎麼解決機房散熱的問題?

不少MIS自然而然會想到的方法是,先買支電風扇吹向過熱的IT機櫃,來降低這些機櫃的溫度。從個人經驗來看,電風扇的確可以幫助人體降溫,但是電風扇真能幫助IT設備降溫嗎?同樣的作法也能適用企業機房嗎?這麼做真能解決機房的散熱問題嗎?電風扇散熱的效果為何?什麼情況下適合使用電風扇?解決機房散熱問題的根本作法是什麼?

為了找出這些問題的答案,我們從兩方面著手,一方面找機房專家來分析機房散熱原理,找出理想作法,另一方面也親自進入企業級機房,實地測試電風扇對機房散熱的功效。

電風扇無法將熱帶出機房

我們特別詢問一位IDC負責機房建置人員,他在能源與冷凍空調工程系獲得碩士學位,並且熟悉機房空調冷卻系統的設計。他指出,散熱的目的就是要帶走設備所產生的熱量,比方個人電腦就是透過風扇帶走處理器的熱量,如果個人電腦的冷風與熱氣的出風口剛好都被阻礙物擋住,那麼就無法順利將機殼內的熱氣排出,機殼內的溫度就會不斷提高,此時,就算電腦內部的處理器或繪圖晶片都有風扇幫助降溫,溫度還是會不斷上升。

他進一步解釋,機房環境就如同電腦機殼,都是屬於密閉的空間,在機房內擺置電風扇,如果沒有將「熱」帶出機房,那麼就算買風量再大的電風扇,IT設備的熱量還是會留在機房中,機房內的溫度只會不斷上升,最後還是會導致機櫃溫度過高。

從個人經驗來看,電風扇的確可以幫助人體降溫,但這只有考量個人角度的效果,而沒有考量到整體環境的綜效。電風扇只是將人體熱量轉移到周邊環境,卻不一定能降低整體環境的熱量。

這個道理放到機房散熱時,這位IDC機房建置人員表示,在機櫃後方放置電風扇能做到降溫,是因為機房空調系統的制冷力,足夠帶走機房內所有IT設備製造的熱量,而不是電風扇本身的制冷效果。

在機房內放置電風扇,這些電風扇並不能將機房的熱量帶出,而且電風扇的馬達也會製造熱量,機房內擺置越多的電風扇,反而提高空調系統的負擔,增加機房的耗電。「如果IT設備的發熱量大於空調的制冷力,也就是說,空調設備無法帶走機房內所有的熱量,那麼,就算擺放再多的電風扇,只是把熱量帶往機房內的其他區域,提高其他機櫃的溫度,整體來看,問題仍未有效解決。」他說。

從機房整體角度來看,電風扇不但沒有助益,甚至會產生副作用。機房環境的散熱要求,和個人需求不同,個人經驗中理所當然的作法,不一定能解決機房散熱的問題。機房要做到妥善散熱,還是必須將IT設備的熱量帶出機房。

電風扇容易造成機房混風,反而降低空調效率

在機房擺設電風扇會造成更大的衝擊。不只是電風扇所散發出來的熱量問題,「更重要的是電風扇所製造的風流,混亂了機房熱對流的模式。」這位IDC機房建置人員說。

以下吹式機房為例來說明機房熱對流情形,企業通常會將空調主機配置在機房的某一面牆,由這個空調主機先將冷空氣吹進高架地板,接著冷空氣會從機櫃前方的蜂巢地板向上流動,伺服器再將這些冷空氣吸入機箱。

因此,採用下吹式空調系統,高架地板下會充滿冷空氣,如果空調主機是朝機房的另一端單向送風,位於較遠的機櫃,可能會有送風量不足的問題,這個時候,如果在這個區域擺置高顯熱的IT設備,可能會因為制冷力不足,導致設備過熱的狀況。

一般情形下,企業為了解決這個局部熱點,會在機櫃後方擺設電風扇,透過機架式設備前方吸氣、後方排氣的原理,加速帶走這個高顯熱機櫃的熱氣。不過將這樣的做法,詢問多位機房專家,包含某IDC機房建置人員、IBM、APC與Emerson的專家皆一致認為這樣的作法是非常不正確的。

對下吹式空調機房來說,最理想的狀態是機櫃後方所排放的熱量都能順利回到空調主機中進行冷卻。由於下吹式機房,機櫃與空調主機的距離較長,IT設備所製造的熱氣較輕,必須經過天花板後,才能回到空調主機。

在這段過程中,熱氣會經過許多機櫃,如果在部分機櫃放置電風扇,電風扇所製造的風流,將會影響熱氣回流到空調主機的途徑,這麼一來,電風扇容易讓高架地板下所排出的冷空氣與機櫃後方的熱氣混合,造成「混風」的現象。

IBM全球資訊科技服務事業部資訊系統架構規畫師鄧南品表示,如果某一個機櫃製造出30度的熱量,那麼,這個熱量回到空調主機時,最理想的狀態下,也應該是30度,如果是一座混風的機房,機櫃製造出40度的溫度,回到空調主機時,溫度可能只有28度,這麼一來,空調主機就會誤判機房的溫度不高,反而讓機房內局部熱點的問題更加嚴重。

這樣就代表著這個熱量仍留在機房中,由於空調主機吸收的熱氣較少,將降低空調系統的負載率。空調系統就像是一臺汽車,汽車跑的越慢,並不代表越省油,以市區行駛為例,速度約50至60公里是最佳的油耗表現,空調主機也是如此,如果是一座混風嚴重的機房,IT設備所製造的熱無法全部送回空調系統進行冷卻,空調主機的壓縮機可能必須每5分鐘就運轉一次,一整天下來,空調主機就在不斷的開開關關的狀態下運作,就像是汽車遇到塞車般走走停停的狀態,反而讓空調主機更加耗電。「電風扇只有百害而無一利。」鄧南品說。

電風扇對機房真的是百害而無一例?電風扇到底能不能幫助機櫃降溫?這一次iThome周刊實際走訪某一學校的企業級機房,實測電風扇對機櫃散熱的效果。這座機房的面積約有41.3坪,共有27座機櫃,其中,在這座機房內擁有一座超級電腦,也是我們此次實測的對象。

高密度超級電腦竟用電扇輔助降溫

之所以選擇超級電腦作為實測標的,因為超級電腦的高運算能力很容易產生高熱量,進而影響系統穩定性。為了解決熱量問題,該校採用電風扇來強化散熱。這座超級電腦共有4個機櫃,168U的空間中,共容納102臺HP ProLiant DL140 G3 1U高的伺服器、3臺HP ProLiant DL380 G5 2U伺服器、5臺HP Procurve 2848乙太網路等級交換器、5臺HP Procurve 2650交換器與1座Infiniband高速網路系統。

由於這座超級電腦密度相當的高,這4座機櫃前方共10片蜂巢板,但仍無法滿足這座超級電腦的散熱需求,為了解決散熱問題,該校改變機櫃出風的設計,將機櫃前方的高架地板重新設置,在其中距離機櫃最近的三片蜂巢板下方設置風扇,強化冷空氣的排送。根據實際的測量,如果未加裝風扇,每片蜂巢板的出風量約300CFM,如果加裝風扇,每片蜂巢板出風量最高可達1,362CFM。

但是,強化了蜂巢板的出風量還是無法徹底解決該機櫃的散熱,於是,該校決定採用熱源分散的作法。由於這座機房面積相當的大,但機櫃只集中在某一側,整體來說,機房使用的密度是相當的低,於是,該校在這四座機櫃上方安裝了氣流輔助設備,強化機櫃後方的熱氣向外排出。

不過,氣流輔助設備的確改善了機櫃上方的散熱問題,該校為了做到妥善的散熱,在機櫃後方另外擺設兩支電風扇,將機櫃中下方的熱氣引導至機房內無機櫃的地方,避免熱源集中在特定位置。這麼一來,也解決了這座機房的散熱,之後,該校這座超級電腦就很少發生不穩定的狀況。

關閉風扇與氣流輔助設備,機櫃溫度快速提升

氣流輔助設備搭配電風扇,聯手解決了這座超級電腦的機櫃散熱問題,為了比較出散熱問題改善前後的差異,我們進行了一項比較實驗,針對機房裝設氣流輔助設備與電風扇之前,與裝設之後的實測比較。

此次實測使用泰儀電子的風量計(型號AVM-05)來測量機櫃氣流的溫度和風速。針對機櫃的不同高度,分別在5U高度、25U高度、38U高度與機櫃上方進行量測風速與溫度,4座機櫃共量測16次,而且機櫃正面和背面也分開量測,總共量測了32次,用這些數據來描繪出這套超級電腦4座機櫃的散熱分布。

首先量測機櫃現況,也就是散熱改善後的情形,這四座機櫃在開啟氣流輔助設備與風扇的狀況下,機櫃正面的平均溫度為20.2度、機櫃前方平均進風的風速值為每分鐘114.1英呎。再來看機櫃背面,平均溫度為29.0度、平均出風風速值為每分鐘636.0英呎。

接下來,則是模擬散熱未改善前的狀態,關閉機櫃上方的氣流輔助設備與電風扇,靜待10分鐘,讓機櫃溫度重新平衡後,再開始量測這四座機櫃的溫度。

量測結果顯示,機櫃正面的平均溫度為21.8度、平均進風的風速值為每分鐘154.45英呎;機櫃背面的平均溫度為31.6度、平均出風達每分鐘311.8英呎。

在關閉風扇與氣流輔助設備後,機櫃的溫度與風速明顯升高,正面溫度平均上升1.6度、進氣風速提高每分鐘40.0英呎,機櫃背面溫度平均上升2.6度、出風風速提高每分鐘達324.2英呎。

從比較實驗的結果可以看出,電風扇與氣流輔助設備的確成功地將機櫃所產生的熱量帶走,不但降低機櫃溫度,熱氣也更快被帶走。

如果再進一步細看機櫃上方、中間與下方的溫度,可以發現,如果關閉電風扇與氣流輔助設備,機櫃上方的溫度提高最多,可達到3.3度,如果是機櫃中間提高的溫度則降至1.6度。換句話說,電風扇與氣流輔助設備,最多幫機櫃降低了3.3度的溫度。

不過,實驗結果中也有一個例外情況,在機櫃下方的溫度不但沒有提高反而降低至1.2度。分析原因,因為這四座機櫃從高架地板延伸至機櫃的管線,必須在高架地板挖開一個空間,讓管線能送到機櫃,但管線與高架地板間卻沒有確實封閉,導致高架地板下的冷空氣外洩,讓機櫃下方的溫度,在關閉氣流輔助設備後,反而溫度不升反降。

機櫃上方的溫度升幅最高的原因是,下吹式空調設計機櫃的上方與蜂巢板距離較遠,但這些設備仍需要足夠的制冷力,無法吸收足夠的冷空氣,機櫃內的IT設備就會吸入機櫃後方的熱氣,導致IT設備過熱。

整體來說,從專家意見和理論來看,電風扇由於缺乏制冷力,無法將熱氣從機房帶走,對機房整體散熱效果幫助甚微,但從實驗中可以發現,電風扇如果搭配其他散熱設備,例如氣流輔助設備,在機房整體制冷力足夠的情況下,能對局部熱點可以達到分散熱源的效果。

 

專家對機房放置電風扇的看法

 


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