軌道交通控制中心數據機房氣流組織分析

林其雙

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軌道交通控制中心數據機房氣流組織分析

林其雙

（中國建筑第八工程局有限公司 武漢 430056）

以軌道交通控制中心數據機房為研究對象，給出了數據機房的空調負荷特征，采用三維數值模擬軟件Airpak，建立機房的CFD模型，針對低、中、高三種空調負荷強度下，給出采用下送上回、冷通道下送上回、側送側回和上送上回四種不同空調送風形式時，機房內的氣流組織分布特性、溫度場和流場進行模擬分析，提出不同送風形式的適用性，用于指導工程設計。

軌道交通控制中心；數據機房；氣流組織

0 引言

我國數據中心于2011年的總耗電量達到700億千瓦時，占全社會總用電量的比重已經達到1.5%，預計未來五年我國數據中心電耗還將翻番[1]。目前，業界評價相對合理和普遍的PUE（電能利用效率，即總用電功率和IT設備用電功率的比值）值為1.6～2.5[2,3]，而我國數據中心的平均耗能較多，PUE普遍在2.2～3之間[4]。同時，根據資料統計分析，平均每個機房空調的電費支出約占整個數據機房電費支出的45%～50左右[5,6]，空調成為機房中的主要用電設備。而數據機房空調系統的設備選型在設計時是根據最大熱負荷來確定的，使得空調機組經常在部分負荷下工作。因此，空調節能是具有很大潛力的。

除了能耗方面的考慮，機房設備的穩定運行和使用壽命都受機房內溫度和濕度的影響，散熱不好的機房甚至容易造成宕機。針對不同功耗的機房，合理的送風方案的選擇，不僅可以節約能耗，也可以達到精確送風的效果，有效改善各區域的室內熱環境，保證機房設備安全運行。

本文主要進行軌道交通控制中心數據機房空調送風方式優化設計，采用數值模擬的方法，建立機房模型，分析整個區域的氣流組織分布情況，針對機房不同的空調負荷強度，進行氣流組織優化設計。

1 機房的環境特征

1.1 機房的溫濕度要求

NEBS（Network EquipmentBuilding System）2001年制定的通信設備穩定運行的建議溫度范圍為18～27℃，允許溫度范圍為5～40℃。ASHRAE制定的等級1和等級2的通信電子設備穩定運行建議溫度范圍為20～25℃，建議相對濕度范圍為40%～55%[7]。

我國《電子信息系統機房設計規范》將電子信息系統機房劃分為A、B、C三級，而數據通信機房屬于A、B類[8]。對數據機房環境的具體要求如表1所示。

表1 數據機房環境設計參數

1.2 機房內氣流組織類型

根據《電子信息系統機房設計規范》，主機房空調系統的氣流組織形式，應根據電子信息設備本身的冷卻方式、設備布置方式、布置密度、設備散熱量、室內風速、防塵、噪聲等要求，并結合建筑條件綜合確定。

目前，數據中心常用的機房空調系統氣流組織方式有下送風上回風、下送風下回風、冷熱通道、側送側回等方式。無論何種氣流組織方式，都應滿足數據中心設備和相關規范的相關要求。同時機架采用面對面、背對背排列形式。

1.3 機房內的空調負荷

以某市地鐵4號線控制中心為例，控制中心設備用房根據線路規劃分期建設，其中1-5層設備用房近期需建成投入使用，6-9層按樓層供遠期使用，10-22層均為預留用房（模型暫不分析）。采用DeST能耗模擬軟件建立如圖1所示建筑模型，模擬計算不同設備房間的空調負荷。

圖1 建筑DeST模型

環境參數采用南京地區的DeST模擬用室外逐時氣象參數，控制中心設備機房室內設計參數根據規范要求設置，設備發熱量由相關專業提供。各設備房間的空調負荷計算結果如表2所示。

表2 數據機房設備房間空調負荷

表2給出了各設備房間的空調設計冷負荷，對各設備房間的冷負荷進行統計分析，設備用房總冷負荷為1291kW，不保證50h冷負荷為1273kW，全年累計冷負荷為9619MWh；設備房間主要位于建筑內區，各房間全年需要供冷，全年逐時冷負荷在965kW～1291kW之間，逐時冷負荷波動不大，該研究結論與文獻[9]和[10]一致。

2 機房氣流組織CFD模型及模擬工況的確定

2.1 模型的建立及邊界條件確定

本文采用CFD三維數值模擬軟件進行計算，由于RNG型可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的變動，因此湍流模型確定為RNG模型。選取冷負荷較大的AFC線路中心機房作為研究對象，該房間北側和西側為室外，房間尺寸為6.4m×7.0m，層高4m。機柜尺寸和機柜列間距根據相關規范進行選取。

由于機房室內人員停留時間較少，且燈光負荷相對于設備發熱量很低，因此空調冷負荷僅考慮圍護結構冷負荷和設備發熱量。對控制中心各功能房間進行空調逐時負荷模擬計算，根據計算結果選取AFC線路中心機房（按最大冷負荷680W/m2考慮）作為研究對象，該房間的冷負荷構成如表3所示。

表3 設備機房冷負荷構成

圖2 工藝設備用房三維模型

根據室內機柜尺寸、機柜列間距、室內空調負荷構成，建立圖2（1）所示三維模型，選取圖2（2）所示截面1和截面2進行溫度場和流場分析。其中，機柜采用前后均無柜門的開架式機柜，最下層層板離機柜底部150mm，機柜側面與墻之間走道寬度為1000mm。

根據工藝設備用房的設計參數可知，室內設計溫度24℃，相對濕度50%；送風溫度根據機房專用空調樣本技術參數選定。需要指出的是，雖然規范中對空調送回風溫差要求為4～6℃，但目前機房專用空調產品技術參數中的送回風溫差在9～12℃之間，通過設備樣本統計分析，設計冷負荷為680W/m2時，本模型確定的送風溫度為14℃，送風量9000m3/h，此時送風溫差為10℃。

2.2 模擬工況的確定

由于工程設計中需根據機房內的空調負荷強度選擇合理的空調系統送風形式，在此設定三種空調負荷強度：低空調負荷（350W/m2），中空調負荷（680W/m2）和高空調負荷（1000W/m2）。通過維持圍護結構傳熱量不變，改變機柜的發熱量來實現空調負荷的改變。再結合常見的機房空調系統送風形式，設置如下四種模擬工況。

工況一下送上回：該工況下兩排機柜中間設置地板送風口長度與機柜同長，寬度為1.2m，機柜外側頂部設置2排回風口，單排回風口長度與機柜同長，寬度為600mm。

工況二冷通道下送上回：該工況下將兩排機柜前后兩側以及頂部密閉，兩排機柜之間形成冷通道，兩排機柜中間設置地板送風口，長度與機柜同長，寬度為1.2m，機柜外側頂部設置2排回風口，單排回風口長度與機柜同長，寬度為600mm。

工況三側送側回：該工況下機柜兩側分別布置一臺機房空調送風機組，采用側送側回的送風方式，參考常規機組的送風口和回風口尺寸設置送、回風口。

工況四上送上回：該工況下房間頂部設置2個送風口，單個風口尺寸為1000mm×300mm，兩側各設置1個回風口，回風口尺寸為1000mm×900mm。

3 不同空調負荷強度下各送風形式氣流組織優化分析

3.1 低空調負荷工況模擬分析

對于低空調負荷工況，工藝設備用房室內冷負荷為350W/m2，此時機柜內每個服務器的發熱量為174W，空調送風量為4650m3/h，對該工況下不同送風形式的氣流組織分布進行模擬計算。圖3以截面1為例，給出了溫度場分布云圖。

工況一下送上回模擬結果表明，設備房間的溫度基本保持在23℃以下，但機柜兩側區域機架內氣流組織較差，機架內部通道最高溫度接近40℃，因此該送風方式雖能滿足設備房間的熱環境要求，建議地板送風口仍通長布置。

工況二冷通道下送上回模擬結果表明，設備房間下部溫度基本維持在22℃以下，冷通道內部流場不均勻，機柜兩側及頂部區域部分機架內無法形成有效的氣流通道，該區域溫度最高達到33℃左右。因此該送風方式雖能滿足設備的熱環境要求，但同樣建議地板送風口仍通長布置。

工況三側送側回模擬結果表明，設備房間溫度基本保持在24℃以下，基本能夠滿足設備房間的熱環境要求，但機柜內部無法形成有序的送排風氣流組織形式，導致機架內部的熱量無法有效排出，空氣通道內溫度則達到42℃以上。

工況四上送上回模擬結果表明，冷空氣同樣直接吹至兩排機柜中間的通道，主要通過機柜內下部2-3排機架間的縫隙流向兩側，整個房間的溫度雖然也保持在24℃以下，但溫度場分布不均，機柜內部中上排機架通道溫度達到44℃左右，尾流溫度則達到37℃以上。

3.2 中空調負荷工況模擬分析

同理，對于中空調負荷工況，工藝設備用房室內冷負荷為680W/m2，此時機柜內每個服務器的發熱量為350W，空調送風量為9000m3/h，對該工況下不同送風形式的氣流組織分布進行模擬計算，根據模擬結果對截面1和截面2進行溫度場和流場分析。

工況一下送上回模擬結果表明，此時基本上可以滿足設備房間的熱環境要求，但當機柜高度較高時，機柜上排機架的冷卻效果要差于下排，建議該送風方式下，機柜內機架安裝高度在1.8m范圍以內。

工況二冷通道下送上回模擬結果表明，該工況下機柜外側區域空氣溫度在22℃左右，相對于工況一溫度降低2℃，提高了空調系統對機柜的冷卻效果。由于機架間的風速增大，設備房間未形成明顯的溫度分層，該送風方式可很好的滿足設備房間熱環境要求。該工況下由于兩排機柜頂部設置了隔板，導致距機柜頂部500mm范圍機架內存在渦流，機架內散熱無法排出，因此建議機柜頂部隔板安裝高度要高出機柜500mm左右。

工況三側送側回模擬結果表明，工藝設備用房室內平均溫度能夠滿足熱環境要求，但室內氣流組織分布不均，且機柜內機架通道溫度達到50℃。

工況四上送上回模擬結果表明，該送風方式不能滿足設備房間的熱環境要求，僅能滿足機柜下部兩排機架的散熱，其余機架內部的熱量則無法有效帶走，機柜內部通道溫度達到50℃左右，上部機架間氣流通道尾流溫度則在33℃左右。

3.3 高空調負荷工況模擬分析

同理，對于高空調負荷工況，機房室內冷負荷為1000W/m2，此時機柜內每個服務器的發熱量為521W，空調送風量為13300m3/h，對該工況下不同送風形式的氣流組織分布進行模擬計算，根據模擬結果對截面1和截面2進行溫度場和流場分析。

工況一下送上回模擬結果表明，該送風方式基本能夠滿足設備房間的熱環境要求，室內產生了較為明顯的溫度分層，空調送風冷量集中在房間底部，機柜周邊區域溫度基本在23℃以下，其中機柜內部機架間通道溫度在27℃左右，尾流溫度在31℃左右。

工況二冷通道下送上回模擬結果表明，該送風方式能夠滿足設備房間的熱環境要求，設備房間平均溫度基本維持在24℃以下，房間機柜高度范圍以內空氣溫度則基本保持在23℃以下。機柜內各機架間氣流通道平均溫度在19℃以下，僅機柜頂部機架氣流通道尾流溫度偏高，最高達到了32℃以上。

工況三側送側回模擬結果表明，該送風方式不能滿足設備房間的熱環境要求，機柜內部溫度達到了70℃以上，表明該送風方式無法有效帶走機柜內產生的熱量。

工況四上送上回模擬結果表明，該送風方式不能滿足設備房間的熱環境要求，機柜內部機架間氣流通道內無法形成有序的氣流組織流向，氣流通道內溫度則達到53℃以上。

3.4 不同產熱密度熱源工況模擬結果對比分析

對低空調負荷、中產熱密度熱源以及高空調負荷三種工況下，不同送風方式設備房間氣流組織分布模擬結果進行對比統計分析，結果如表4所示。

表4 不同熱源強度和氣流組織時的室內熱環境對比

續表4 不同熱源強度和氣流組織時的室內熱環境對比

根據模擬結果進行統計分析，獲得如下研究結論：

（1）下送上回和冷通道兩種送風方式對于不同產熱密度熱源的設備用房均可滿足散熱要求，但采用下送上回的送風方式頂部機架的氣流通道內溫度較冷通道送風方式高5～8℃；設備區周邊溫度則均保持在23℃以下，不超過設備房間熱環境設計要求規定的24℃溫度值。

（2）采用側送側回和上送上回的送風方式，僅能滿足低空調負荷時設備房間的熱環境要求，這主要是由于側送側回和上送上回的送風方式不能夠在機柜內部機架間氣流通道內形成有序的氣流組織流向。

4 結論

本文給出了控制中心不同設備房間的空調負荷特征，通過建立CFD三維數值仿真模型，針對低空調負荷強度、中空調負荷強度和高空調負荷強度等三種工況，進行下送上回、冷通道下送上回、側送側回、上送上回等四種送風方案的室內氣流組織分布特性模擬分析。研究結果表明：

（1）低空調負荷強度下，各送風形式均能滿足工藝設備用房的熱環境要求，從安裝成本和系統復雜程度考慮，采用側送側回和上送上回兩種送風方式即可；

（2）中空調負荷強度下，下送上回送風方式和冷通道下送上回送風方式可滿足工藝設備用房的熱環境要求，側送側回送風方式雖然滿足房間熱環境要求，但室內氣流組織分布不均，而上送上回送風方式則無法滿足房間熱環境要求；

（3）高空調負荷強度下，送上回送風方式和冷通道下送上回送風方式均可滿足工藝設備用房的熱環境要求，且冷通道下送上回送風方式降溫效果要更好一些，側送側回和上送上回兩種送風方式則無法滿足房間的熱環境要求。

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Analysis of Air Distribution for Data Room of Subway Control Center

Lin Qishuang

( China Construction Eighth Engineering Division Co., Ltd, Wuhan, 430056 )

Taking the railway traffic control center data room as the research subjects, the cooling load of different room is gained, by utilizing the three-dimensional numerical simulation software, the CFD model of data room is established to simulate the air distribution, the temperature field and the flow field of data room under three kinds of air conditioning load intensity and four different air supply forms are simulated. The analysis of the practicality of different air supply forms is given to guide the engineering design.

railway traffic control center; data room; air distribution

1671-6612（2018）01-054-06

TU831.8

A

林其雙（1972.06-），男，本科，高級工程師，E-mail：76630023@qq.com

2017-09-30