數據中心露點間接蒸發冷卻溫度分布研究

聞發凡++涂淑平++李林星

文章編號：2095-6835（2016）13-0070-01

摘 要：為分析數據中心空調房間溫度場的分布，為空調的安裝和選型提供了理論基礎。采用Fluent和Ansys模擬仿真軟件分析其內部服務器散熱和氣流組織特點，并采用露點式蒸發冷卻器作為送風處理機組，并通過對地板送風頂上排風、冷通道封閉這一具體氣流組織方式，對其邊界條件、初始條件進行簡化，建立物理及數學模型，研究數據中心的溫度分布。

關鍵詞：數據中心；露點蒸發冷卻；溫度分布；CFD

中圖分類號：TP308 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.070

根據能源研究所的統計，至2014-03，全國大約1/3的省市投資約2 700億元來規劃建設數據中心。隨著電子計算機科學技術的發展和高密度散熱通信機房的建設，電子計算機房空調系統及設備的設計與開發已成為暖通設計工作者所考慮的問題。

1 露點間接蒸發冷卻空調系統

選取的機房采用露點間接蒸發冷卻空調系統。露點式間接蒸發冷卻機組放置于室外，僅向機房內通入機組制得的一次空氣。這樣就避免了精密空調放于室內漏水的風險，安全、可靠。機房內為架空地板，一次空氣送入機房架空地板內，送風通過地板上的穿孔進入面對面布置的機柜內部。而機柜又有一定的通孔率，將兩排機柜面對面布置于有地板穿孔的通道，送風被吸入機柜中。而熱空氣將被排出到沒有地板穿孔的熱通道中，再由天花板頂上的風機將熱空氣排出。機柜以面對面、背對背的形式布置，形成冷、熱通道相間隔的狀態，可減少局部熱點的形成，并且為防止機房內部分送風不經過機柜內部而直接通過排風口排出或因混風問題而降低出風溫度，所以將冷通道用絕熱或傳熱系數較小的材料封閉，做到冷熱通道隔離，從而達到服務器內部冷卻的效果，減少能源消耗。

2 數據中心氣流組織模擬分析

該數據中心尺寸為x=6.9 m（長），y=12.4 m（寬），z=3.5 m（高）。將開孔率為25%的送風地磚簡化為尺寸是0.36 m×0.36 m的送風口，布置在冷通道內；回風口尺寸0.7 m×0.7 m，設在熱通道內；數據中心服務器機柜的簡化模型每排有7個，共4排（高熱流密度熱源），每排尺寸4.9 m×1 m×0.3 m。

為了使實際問題可以用數值方法模擬，并且保證模擬的可靠性和可行性，需對以上物理模型進行簡化：①機房內服務器機架等設備的使用根據具體要求，有不同的使用情況，但變動不大，按機架熱流密度不發生變化考慮。②機房內部有各種發熱量少且不集中的設備，僅在較有限的時間段內使用，不將其作為熱源處理。③架空地板內走線復雜，各個數據中心各不相同，在此空間內的送風氣流情況不作考慮。④機房窗墻面積比較小，將窗戶作為墻壁處理，均視為絕熱。⑤機房管理人員數量很少，維護時間固定，其散熱與燈光一起相對于服務器的散熱可忽略。⑥送風通過穿孔地板送入室內，由于地板送風口形狀只在出風口處對氣流組織形式有一定影響，可以將穿孔地板送風面積換算成矩形送風口。⑦由于機柜是緊挨著布置的，在建立模型時，在橫向上可以將同一排的7個機柜看作一個整體，而服務器本身又有一定的穿孔率。模擬時，可以將機柜上的服務器看作是書放在書架上，上下每排之間氣流可以通過服務器之間的空隙穿過。

3 數值模擬過程

3.1 網格的劃分

模擬使用的Fluent軟件是在各種工程上又很廣泛應用的CFD軟件，它可以對流動的物理問題的具體特點，選取SIMPLER的算法。采用Gambit軟件建立幾何模型進行網格劃分，網格劃分數目為286萬個。網格劃分尺寸為0.1 m。

3.2 模擬計算結果分析

在Fluent中對該模型進行計算。迭代計算進行到700步左右之后各項殘差基本滿足收斂條件。送風溫度較一般舒適性空調送風溫度高，防止結露；送風速度為5.0 m/s，以保證送風量要求。

由于送風速度較高，氣流很可能流經服務器表面而直接從機房上部排風口排出，起不到對發熱面的冷卻作用。因此，在冷通道上部及前后，都加了傳熱系數很小的擋風板，形成封閉的冷通道。

為了便于機房內部溫度分布比較，選取截面Z=-0.25 m、Z=-0.75 m、Z=-1.25 m（此3處截面為散熱壁面表面）處作為分析面，分析室內服務器散熱面的溫度場分布狀況。

從溫度分布可以看出，服務器表面溫度未超過50 ℃，達到穩態時，沒有出現局部高溫，說明冷通道封閉下送上回形式，能夠迅速帶走散熱面散發的熱量，除熱效果良好，因此散熱面的溫度升高較低。在截面Z=-0.25 m、Z=-0.75 m的溫度分布上，冷通道側的溫度相對于熱通道側的低，而截面Z=-1.25 m的溫度分布上，冷通道側的溫度相對于熱通道側的高，是因為越靠近送風口處，送風速度越大，發熱壁面在冷通道內與冷風來不及進行充分的熱交換，散熱效果不如上層好?？偟膩碚f，露點間接蒸發冷卻對數據中心具有顯著的冷卻效果，同時該冷卻方式也具有更深的研究價值和發展前景。

4 結論

分析數據中心氣流組織的特點和合理的氣流組織，并由所選用的數據中心對象的實際情況選用地板送風上部回風的氣流組織形式，機柜以面對面、背對背的形式布置，形成冷、熱通道相間隔的狀態，對其邊界條件、初始條件進行簡化，建立了數據中心物理及數學模型，用Fluent模擬軟件對溫度場進行了模擬，得出了溫度場分布，為房間內空調的安裝和選型提供理論基礎。

參考文獻

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〔編輯：胡雪飛〕