摘要

在過去幾年中，數(shù)據(jù)中心的數(shù)量每年增長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的能源。領(lǐng)先的數(shù)據(jù)中心開發(fā)人員依靠Simcenter軟件創(chuàng)建仿真和測試解決方案的數(shù)字孿生，以更好地應(yīng)對冷卻挑戰(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)以萬計的設(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)不僅要高效運行，發(fā)揮理想性能，還要達(dá)到各級別認(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)中心的處理過程會產(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)選項涌入后，熱源也會大不相同。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)今的計算硬件會在狹小的空間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量。隨著處理器和存儲設(shè)備愈加強大，數(shù)據(jù)中心設(shè)備的封裝比以往任何時候都更加密集，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，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。事實上，美國能源部的一份報告指出，數(shù)據(jù)中心消耗了該國總電力的2%。散熱會占到數(shù)據(jù)中心總能耗的40%。

費用成本：能耗和散熱設(shè)備所需的初始投資來看，冷卻數(shù)據(jù)中心的費用不低。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：高計算可變性給數(shù)據(jù)中心散熱帶來了額外的挑戰(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環(huán)境有重大影響。散熱所用的電力會產(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)施的仿真和測試

解決方案

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

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

系統(tǒng)仿真以虛擬方式評估概念設(shè)計、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。此外，將系統(tǒng)模型與物理或虛擬控制器相結(jié)合，可實現(xiàn)并行或早期自動化和控制邏輯開發(fā)。

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

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

該測試解決方案可有效識別現(xiàn)有冷卻設(shè)備或數(shù)據(jù)中心設(shè)施中高噪聲/振動水平的來源，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)格對應(yīng)的各種級別性能（見下圖）。

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

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

系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真包括多物理場庫，可在集成環(huán)境中表示物理系統(tǒng)中的機械、電氣、流體和熱領(lǐng)域。該軟件用于評估這些域在既定系統(tǒng)和子系統(tǒng)配置下的交互方式。這些模型庫還提供了多個級別的模型復(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)閥突然打開或關(guān)閉時。

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來表示暖通空調(diào)蒸發(fā)器和冷凝器中發(fā)生的相變。這些庫附帶可用流體和固體屬性的數(shù)據(jù)庫。熱庫重點關(guān)注交換類型，例如流體與壁面之間的對流、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)壓縮機入口處的過熱度和/或膨脹設(shè)備入口處的過冷度。

系統(tǒng)仿真這款強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)化冷卻機組的流體充注量和冷卻性能。此外，您還可以輕松評估所需的功率和能量，以實現(xiàn)冷水機蒸發(fā)器所需的冷卻容量，并從IT機房/部門的熱交換器中帶走適當(dāng)?shù)臒崃俊?/p>

系統(tǒng)仿真可以通過冷水機組優(yōu)化散熱性能?，F(xiàn)有的單相和兩相流體庫提供的數(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)仿真提供了多個復(fù)雜級別的建模。對于詳細(xì)的組件設(shè)計和創(chuàng)新，基于幾何體的模型可用于預(yù)測換熱器流體兩側(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，并評估系統(tǒng)甚至建筑物長達(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行模型。

為此，可使用詳細(xì)的系統(tǒng)模型來預(yù)測組件的性能。

縮短開發(fā)控制算法的時間

系統(tǒng)仿真還可用于縮短開發(fā)和調(diào)試控制算法的時間。無論是硬件在環(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，借助西門子自動化，在硬件在環(huán)中，PLC可以通過作為仿真外設(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)可以通過模擬真實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，對熱流體分析進(jìn)行局部優(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，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)計改進(jìn)以實現(xiàn)效率目標(biāo)。在分析組件內(nèi)部時，熱流體行為可使用3DCFD工具進(jìn)行驗證，后者從系統(tǒng)仿真模型的真實邊界條件接收數(shù)據(jù)。

流建模：通過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，顯著降低運營成本，同時提高電子設(shè)備的性能和安全性。

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

虛擬現(xiàn)實仿真：虛擬現(xiàn)實仿真可以實現(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)人員可以通過仿真在無風(fēng)險的環(huán)境中對最復(fù)雜的數(shù)據(jù)中心開展PLC控制器的早期調(diào)試。例如，一個三層數(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立路徑，可符合認(rèn)證級別要求。所有樓層均設(shè)有IT室，冷卻系統(tǒng)將配備冷水機組（制冷劑回路）和帶儲水池的冷凍水回路。每個樓層都設(shè)有獨立的冷卻回路，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組。

頂層的冷卻塔設(shè)有兩個獨立的變速風(fēng)扇，每個冷卻塔裝有四個開關(guān)閥，還有變速冷凝水泵（每支冷水機組回路一個）。所有這些都可以通過模擬來提高效率。

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)載來評估溫度水平。冷卻回路和IT機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)無法測量的變量。這樣就可以評估冷卻系統(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證系統(tǒng)設(shè)計。操作人員可以接受線上培訓(xùn)，并在無風(fēng)險的環(huán)境中執(zhí)行假設(shè)場景，一旦數(shù)據(jù)中心投入運行，數(shù)字孿生可用于系統(tǒng)診斷和預(yù)測性維護(hù)。

案例二：對氣流和熱行為建模

對航空電子設(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。

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

使用TCP/IP套接字在兩個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。此類分析允許檢測電子設(shè)備中可能存在的局部熱點。該仿真還準(zhǔn)確分析了艙內(nèi)的復(fù)雜氣流場、外殼之間的耦合行為以及外殼位置對散熱效率的影響。

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)在于如何在不過度設(shè)計系統(tǒng)的情況下將適量的冷卻液輸送到正確的組件。

通過仿真，您可以找到高效的冷卻設(shè)計，使用泵送浸入式液冷技術(shù)在機架式單機服務(wù)器機箱中實現(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。分析流向機架每個組件或整個系統(tǒng)的流量平衡情況，以確保機架中的每個技術(shù)單元都具有適量的冷卻液流量，從而最大限度地降低對建筑服務(wù)的需求，維持溫度處于可接受范圍。此外，通過系統(tǒng)仿真設(shè)計管道網(wǎng)絡(luò)，將冷卻液輸送到機架內(nèi)的服務(wù)器機箱，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)器機房的泄漏風(fēng)險。

結(jié)語

系統(tǒng)仿真是一種強大的工程工具，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、熱力學(xué)和控制時，它可以表示復(fù)雜組件和系統(tǒng)的多物理場行為。借助Simcenter仿真工具，您可以在無風(fēng)險的環(huán)境中實現(xiàn)早期調(diào)試控制策略，通過優(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)來研究節(jié)能效果。

使用仿真可以進(jìn)行瞬態(tài)分析，驗證冷卻系統(tǒng)適應(yīng)變化極大的IT負(fù)載和天氣條件的能力。通過對在效率、動態(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。