摘要

在過(guò)去幾年中，數(shù)據(jù)中心的數(shù)量每年增長(zhǎng)10%到30%，因此企業(yè)逐步重視優(yōu)化數(shù)據(jù)中心散熱效果，以期提高效率，更好地匹配性能以降低能耗，最大限度地提高性能并重用浪費(fèi)的能源。領(lǐng)先的數(shù)據(jù)中心開(kāi)發(fā)人員依靠Simcenter軟件創(chuàng)建仿真和測(cè)試解決方案的數(shù)字孿生，以更好地應(yīng)對(duì)冷卻挑戰(zhàn)。

序言

數(shù)據(jù)中心堪比互聯(lián)網(wǎng)的大腦。在全球范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)中心占全球能源消耗和二氧化碳排放量的1%-2%。大型數(shù)據(jù)中心容納數(shù)以萬(wàn)計(jì)的設(shè)備，這些超大規(guī)模設(shè)施每年消耗20-50兆瓦的能量，這些能量足以滿足37,000個(gè)家庭的用電需求。

數(shù)據(jù)中心40%-50%的能源用于暖通空調(diào)系統(tǒng)，但58%的能源消耗沒(méi)有達(dá)到高效的電源使用效率(PUE)。

數(shù)據(jù)中心冷卻的挑戰(zhàn)

數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)不僅要高效運(yùn)行，發(fā)揮理想性能，還要達(dá)到各級(jí)別認(rèn)證要求，證明其可靠性和整體性能。

數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)面臨著許多技術(shù)挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)中心的處理過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量熱負(fù)荷。隨著下一代中央處理單元(CPU)和圖形處理單元(GPU)的引入，處理器性能水平的提高將導(dǎo)致熱負(fù)荷大幅增加。在各種新硬件和信息技術(shù)(IT)選項(xiàng)涌入后，熱源也會(huì)大不相同。日益涌現(xiàn)的新工作負(fù)載，包括如火如荼的云計(jì)算遷移、物聯(lián)網(wǎng)以及加密貨幣挖掘等流程的興起，也大大增加了數(shù)據(jù)中心的熱負(fù)荷。

數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的技術(shù)挑戰(zhàn)

數(shù)據(jù)中心散熱面臨重重挑戰(zhàn)，包括：

熱源：當(dāng)今的計(jì)算硬件會(huì)在狹小的空間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量。隨著處理器和存儲(chǔ)設(shè)備愈加強(qiáng)大，數(shù)據(jù)中心設(shè)備的封裝比以往任何時(shí)候都更加密集，導(dǎo)致散熱愈加困難。

熱負(fù)荷和散熱效率：散熱設(shè)備的設(shè)計(jì)和配置必須能夠有效地冷卻數(shù)據(jù)中心設(shè)備。冷卻不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障、縮短設(shè)備壽命并增加能耗。氣流中的任何障礙物或泄漏都可能產(chǎn)生熱點(diǎn)，降低散熱效率。

能耗：數(shù)據(jù)中心的散熱需要消耗大量的能量。事實(shí)上，美國(guó)能源部的一份報(bào)告指出，數(shù)據(jù)中心消耗了該國(guó)總電力的2%。散熱會(huì)占到數(shù)據(jù)中心總能耗的40%。

費(fèi)用成本：能耗和散熱設(shè)備所需的初始投資來(lái)看，冷卻數(shù)據(jù)中心的費(fèi)用不低。此外，冷卻設(shè)備的持續(xù)維護(hù)和更換成本可能也很高。

可變性和可擴(kuò)展性：高計(jì)算可變性給數(shù)據(jù)中心散熱帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)。算法控制的冷卻系統(tǒng)需要根據(jù)使用情況調(diào)整系統(tǒng)性能。隨著數(shù)據(jù)中心的發(fā)展和演進(jìn)，其散熱需求也可能發(fā)生變化。因此，企業(yè)務(wù)必部署一個(gè)能夠擴(kuò)展以滿足數(shù)據(jù)中心不斷變化需求的冷卻系統(tǒng)。

環(huán)境影響：數(shù)據(jù)中心散熱所需的能源和水消耗對(duì)環(huán)境有重大影響。散熱所用的電力會(huì)產(chǎn)生碳排放和其他污染物，從而危害環(huán)境。

數(shù)據(jù)中心冷卻基礎(chǔ)設(shè)施的仿真和測(cè)試

解決方案

Simcenter仿真和測(cè)試解決方案產(chǎn)品組合是Siemens Xcelerator軟件、硬件和服務(wù)業(yè)務(wù)平臺(tái)的一部分，為優(yōu)化數(shù)據(jù)中心冷卻提供了寶貴的見(jiàn)解。憑借仿真和測(cè)試解決方案，數(shù)據(jù)中心建設(shè)者和運(yùn)營(yíng)商可在實(shí)施各種冷卻策略之前對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行建模并測(cè)試其有效性。

以下是Simcenter解決方案可解決的部分?jǐn)?shù)據(jù)中心散熱問(wèn)題：

系統(tǒng)仿真以虛擬方式評(píng)估概念設(shè)計(jì)、確定理想架構(gòu)、定義子系統(tǒng)交互并分析管道系統(tǒng)中的流動(dòng)。此外，將系統(tǒng)模型與物理或虛擬控制器相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)并行或早期自動(dòng)化和控制邏輯開(kāi)發(fā)。

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真使用三維數(shù)學(xué)表示來(lái)模擬數(shù)據(jù)中心的3D流體流動(dòng)和熱行為。這些仿真有助于找到熱點(diǎn)和通風(fēng)不良區(qū)域，并優(yōu)化冷卻設(shè)備的放置。

機(jī)械仿真可以通過(guò)聲學(xué)建模功能評(píng)估冷卻設(shè)備（泵、壓縮機(jī)、冷水機(jī)組）的噪聲，包括通過(guò)聲音處理捕捉封裝的效果。

該測(cè)試解決方案可有效識(shí)別現(xiàn)有冷卻設(shè)備或數(shù)據(jù)中心設(shè)施中高噪聲/振動(dòng)水平的來(lái)源，并滿足當(dāng)?shù)卣畤?yán)格的噪聲法規(guī)和噪聲排放要求。

認(rèn)證

Uptime Institute的Tier Standard（分級(jí)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)）是全球公認(rèn)的數(shù)據(jù)中心可靠性和整體性能標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了數(shù)據(jù)中心規(guī)格對(duì)應(yīng)的各種級(jí)別性能（見(jiàn)下圖）。

為了在要求苛刻的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)最高認(rèn)證水平，設(shè)備必須配有冗余、多條獨(dú)立的分布路徑以及風(fēng)扇、水泵和冷水機(jī)組速度的調(diào)節(jié)，以快速適應(yīng)IT負(fù)載。

Simcenter的預(yù)測(cè)性仿真和測(cè)試應(yīng)用程序產(chǎn)品組合能夠盡早驗(yàn)證系統(tǒng)規(guī)格是否符合認(rèn)證要求。系統(tǒng)仿真、計(jì)算機(jī)輔助工程仿真和物理測(cè)試解決方案的集成讓驗(yàn)證概念成為可能：從詳細(xì)的3D流體、熱分析、組件選型和控件開(kāi)發(fā)，到架構(gòu)選擇以及振動(dòng)和聲學(xué)故障排除。

系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真包括多物理場(chǎng)庫(kù)，可在集成環(huán)境中表示物理系統(tǒng)中的機(jī)械、電氣、流體和熱領(lǐng)域。該軟件用于評(píng)估這些域在既定系統(tǒng)和子系統(tǒng)配置下的交互方式。這些模型庫(kù)還提供了多個(gè)級(jí)別的模型復(fù)雜性，從一維到三維建模，再到基于幾何體的詳細(xì)模型以及準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模型。

流體仿真

系統(tǒng)仿真支持分析任何規(guī)模和復(fù)雜性的管道系統(tǒng)。只需根據(jù)CAD或地理信息系統(tǒng)(GIS)圖紙即可創(chuàng)建管道仿真模型，并且該軟件還提供了液體、氣體或兩相流的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析工具。此外，它還可以控制流量平衡，輕松識(shí)別管線網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的壓力峰值，例如調(diào)節(jié)閥突然打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)。

制冷劑和水回路

為了支持制冷劑回路工程，系統(tǒng)仿真可提供兩相流和熱庫(kù)來(lái)表示暖通空調(diào)蒸發(fā)器和冷凝器中發(fā)生的相變。這些庫(kù)附帶可用流體和固體屬性的數(shù)據(jù)庫(kù)。熱庫(kù)重點(diǎn)關(guān)注交換類型，例如流體與壁面之間的對(duì)流、不同固體材料幾何體的傳導(dǎo)以及主體之間的高熱水平輻射。

制冷劑回路中的流體狀況也可提前通過(guò)預(yù)處理應(yīng)用進(jìn)行檢查，從而可以監(jiān)控密度水平、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)水平、熵、飽和度、壓力和溫度。您還可以調(diào)節(jié)壓縮機(jī)入口處的過(guò)熱度和/或膨脹設(shè)備入口處的過(guò)冷度。

系統(tǒng)仿真這款強(qiáng)大的工程工具可用于研究改變制冷劑流體的效果并預(yù)設(shè)熱泵循環(huán)，以優(yōu)化冷卻機(jī)組的流體充注量和冷卻性能。此外，您還可以輕松評(píng)估所需的功率和能量，以實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)蒸發(fā)器所需的冷卻容量，并從IT機(jī)房/部門的熱交換器中帶走適當(dāng)?shù)臒崃俊?/p>

系統(tǒng)仿真可以通過(guò)冷水機(jī)組優(yōu)化散熱性能?，F(xiàn)有的單相和兩相流體庫(kù)提供的數(shù)據(jù)可用于分析回路中或氣-液和液-液熱交換器空間中的流。此外，還可以分析新架構(gòu)和制冷劑的性能并優(yōu)化空氣分布。

換熱器

換熱器是冷卻系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)仿真提供了多個(gè)復(fù)雜級(jí)別的建模。對(duì)于詳細(xì)的組件設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，基于幾何體的模型可用于預(yù)測(cè)換熱器流體兩側(cè)的散熱性能和壓力損失。然后，功能模型可用于研究子系統(tǒng)之間的相互作用，以便盡早集成控制策略，并評(píng)估系統(tǒng)甚至建筑物長(zhǎng)達(dá)一年的總體能耗。因此，系統(tǒng)仿真使用整體行為可靠的快速運(yùn)行模型。

為此，可使用詳細(xì)的系統(tǒng)模型來(lái)預(yù)測(cè)組件的性能。

縮短開(kāi)發(fā)控制算法的時(shí)間

系統(tǒng)仿真還可用于縮短開(kāi)發(fā)和調(diào)試控制算法的時(shí)間。無(wú)論是硬件在環(huán)還是軟件在環(huán)，都可以將系統(tǒng)仿真模型與可編程邏輯控制器(PLC)耦合。例如，借助西門子自動(dòng)化，在硬件在環(huán)中，PLC可以通過(guò)作為仿真外設(shè)的專用單元（硬件）與物理仿真模型交換數(shù)據(jù)。在軟件在環(huán)中，Simcenter物理模型的數(shù)據(jù)可以通過(guò)模擬真實(shí)PLC的虛擬控制器進(jìn)行交換。當(dāng)前基于可用的OPCUA、OPCDA和ModbusTCP通信協(xié)議，系統(tǒng)仿真幾乎支持通過(guò)以太網(wǎng)連接到任何工業(yè)控制器。

工具與3DCFD仿真相結(jié)合

系統(tǒng)仿真應(yīng)用程序還可以與3DCFD仿真工具相結(jié)合，對(duì)熱流體分析進(jìn)行局部?jī)?yōu)化。為支持制冷劑回路，工程系統(tǒng)仿真提供了兩相流和熱庫(kù)，用于表示暖通空調(diào)系統(tǒng)中蒸發(fā)器和冷凝器中發(fā)生的相變。

系統(tǒng)仿真計(jì)算速度更快，適合在全局范圍內(nèi)研究整體散熱性能、回路之間的相互作用以及總能耗，并從可行的變體中選擇理想架構(gòu)。

將系統(tǒng)仿真與基于幾何體的模型相結(jié)合，可以在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行放大，從而促進(jìn)設(shè)計(jì)改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)效率目標(biāo)。在分析組件內(nèi)部時(shí)，熱流體行為可使用3DCFD工具進(jìn)行驗(yàn)證，后者從系統(tǒng)仿真模型的真實(shí)邊界條件接收數(shù)據(jù)。

流建模：通過(guò)3D流建模，用戶可以深入了解數(shù)據(jù)中心散熱設(shè)備的至優(yōu)位置，顯著降低運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)提高電子設(shè)備的性能和安全性。

熱建模：熱建模使用數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬數(shù)據(jù)中心的熱傳導(dǎo)。這可用于預(yù)測(cè)不同組件的溫度，找出散熱不足的區(qū)域。

虛擬現(xiàn)實(shí)仿真：虛擬現(xiàn)實(shí)仿真可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的圖形化表示，有助于操作人員探索空間并識(shí)別可能難以進(jìn)入或空氣流通不暢的區(qū)域。

應(yīng)用案例

案例一：三層數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的散熱

相關(guān)人員可以通過(guò)仿真在無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境中對(duì)最復(fù)雜的數(shù)據(jù)中心開(kāi)展PLC控制器的早期調(diào)試。例如，一個(gè)三層數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)包含冷凝器、制冷劑和冷卻水回路。數(shù)據(jù)中心還具有冗余和獨(dú)立路徑，可符合認(rèn)證級(jí)別要求。所有樓層均設(shè)有IT室，冷卻系統(tǒng)將配備冷水機(jī)組（制冷劑回路）和帶儲(chǔ)水池的冷凍水回路。每個(gè)樓層都設(shè)有獨(dú)立的冷卻回路，為IT室中的液-氣換熱器提供冷凍水，隨后冷凍水返回冷水機(jī)組。

頂層的冷卻塔設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立的變速風(fēng)扇，每個(gè)冷卻塔裝有四個(gè)開(kāi)關(guān)閥，還有變速冷凝水泵（每支冷水機(jī)組回路一個(gè)）。所有這些都可以通過(guò)模擬來(lái)提高效率。

SimcenterAmesim軟件（系統(tǒng)仿真）分析冷凝器水、制冷劑和冷凍水回路的物理行為，以將其控制在目標(biāo)溫度（13攝氏度）內(nèi)。仿真還用于驗(yàn)證冷卻系統(tǒng)是否能夠正確調(diào)節(jié)空氣溫度并將其傳遞到IT室。

使用系統(tǒng)仿真模型，我們可以根據(jù)急劇變化的環(huán)境條件（溫度和濕度）和IT負(fù)載來(lái)評(píng)估溫度水平。冷卻回路和IT機(jī)房中的溫度水平以及IT負(fù)載都可以進(jìn)行仿真，冷卻塔和調(diào)節(jié)流量也可以進(jìn)行仿真，其中包含大量物理系統(tǒng)中永遠(yuǎn)無(wú)法測(cè)量的變量。這樣就可以評(píng)估冷卻系統(tǒng)的功率和能耗，維持IT室的目標(biāo)溫度和最佳功耗效率。

Simcenter使用系統(tǒng)仿真數(shù)字孿生分析冷卻系統(tǒng)的物理行為。數(shù)字孿生支持并行工程，因此甚至可以在施工前驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)。操作人員可以接受線上培訓(xùn)，并在無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境中執(zhí)行假設(shè)場(chǎng)景，一旦數(shù)據(jù)中心投入運(yùn)行，數(shù)字孿生可用于系統(tǒng)診斷和預(yù)測(cè)性維護(hù)。

案例二：對(duì)氣流和熱行為建模

對(duì)航空電子設(shè)備艙內(nèi)電子卡的熱交換進(jìn)行建模，演示如何耦合一維和三維仿真以提高散熱性能。

通過(guò)使用三維CFD協(xié)同仿真來(lái)表示外殼外部的復(fù)雜氣流，每張電子卡都被量化為一維系統(tǒng)仿真模型中的六個(gè)熱質(zhì)量。外殼的每個(gè)壁還使用了一個(gè)附加熱質(zhì)量。仿真可以分析空氣交換過(guò)程中的對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射。在三維CFD模型中，使用航空電子設(shè)備艙的簡(jiǎn)化版幾何體形成矩形，其中有兩個(gè)進(jìn)氣口用于風(fēng)量分配。

使用TCP/IP套接字在兩個(gè)仿真工具之間交換變量，可以觀察航空電子設(shè)備艙中的溫度分布和氣流，以及電子卡中達(dá)到的溫度。此類分析允許檢測(cè)電子設(shè)備中可能存在的局部熱點(diǎn)。該仿真還準(zhǔn)確分析了艙內(nèi)的復(fù)雜氣流場(chǎng)、外殼之間的耦合行為以及外殼位置對(duì)散熱效率的影響。

捕捉CPU和GPU釋放的熱量

系統(tǒng)仿真和CFD仿真還可用于服務(wù)器的全浸入式液冷。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)能夠有效捕獲IT設(shè)備釋放的熱量，比風(fēng)冷效率更高。但是，液冷服務(wù)器必須將冷卻液輸送到所有IT組件、散熱器和其他主要熱源。這里的挑戰(zhàn)在于如何在不過(guò)度設(shè)計(jì)系統(tǒng)的情況下將適量的冷卻液輸送到正確的組件。

通過(guò)仿真，您可以找到高效的冷卻設(shè)計(jì)，使用泵送浸入式液冷技術(shù)在機(jī)架式單機(jī)服務(wù)器機(jī)箱中實(shí)現(xiàn)高可靠性。具體做法是在一定范圍的可能流速下確定系統(tǒng)的壓降，幫助根據(jù)流速和額定功率選擇理想的設(shè)計(jì)。分析流向機(jī)架每個(gè)組件或整個(gè)系統(tǒng)的流量平衡情況，以確保機(jī)架中的每個(gè)技術(shù)單元都具有適量的冷卻液流量，從而最大限度地降低對(duì)建筑服務(wù)的需求，維持溫度處于可接受范圍。此外，通過(guò)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)管道網(wǎng)絡(luò)，將冷卻液輸送到機(jī)架內(nèi)的服務(wù)器機(jī)箱，避免在接頭或連接處產(chǎn)生任何壓力峰值或應(yīng)力，從而消除服務(wù)器機(jī)房的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)仿真是一種強(qiáng)大的工程工具，可以盡可能地提高數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的可用性、可靠性和效率。在考慮流體流動(dòng)、熱力學(xué)和控制時(shí)，它可以表示復(fù)雜組件和系統(tǒng)的多物理場(chǎng)行為。借助Simcenter仿真工具，您可以在無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)早期調(diào)試控制策略，通過(guò)優(yōu)化控制和引入更高效的暖通空調(diào)系統(tǒng)和能量回收系統(tǒng)來(lái)研究節(jié)能效果。

使用仿真可以進(jìn)行瞬態(tài)分析，驗(yàn)證冷卻系統(tǒng)適應(yīng)變化極大的IT負(fù)載和天氣條件的能力。通過(guò)對(duì)在效率、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、能耗和數(shù)據(jù)安全性方面表現(xiàn)出色的架構(gòu)進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，仿真工具可以加快下一代數(shù)據(jù)中心冷卻基礎(chǔ)設(shè)施的工程設(shè)計(jì)。