數據中心自然冷卻及其節能潛力分析

廖婉婷 趙福云 劉娣 王漢青

1水力機械過渡過程教育部重點實驗室

2水射流理論與新技術湖北省重點實驗室

3武漢大學動力與機械學院

4中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院

5南華大學土木工程學院

0 引言

數據中心已成為機構信息系統的物理載體和核心資源，已經成為信息化建設的熱點和核心內容。在1990年，服務器機架功率普遍為能耗為1 kW左右，而如今同等占地面積的服務器機架已經達到了20 kW[1]。數據處理的大量需求促使數據中心增長到7500m2，產生的能量消耗達到數百萬瓦[2]。

自然冷卻是利用自然界低溫冷源進行冷卻的方案。它通過降低機械制冷的運行時間實現全年能耗降低[3]。國內外已經有許多對空氣側自然冷卻的研究。劉杰[4]等以廊坊一處通信機房為例，對直接引入新風式節能系統使用和節能效果進行了比較。張謙[9]對直接式空氣側自然冷卻節能系統，熱管換熱系統和板式換熱系統的各方面性能進行對比。CaciolliR和Vio M[5]調查研究了室外空氣自然冷源在溫帶氣候區數據中心的應用，由于溫帶氣候區的特殊氣候特征，其適宜采用全空氣室外冷源降溫，具有很好的節能效果。

1 數值模擬方法驗證

1.1 模型驗證

本文選用了文獻[6]中的數據中心測試室進行數值模擬的模型驗證。該文中選用了IBM公司在紐約建立的一個數據中心機房作為案例研究，并對比了CFD數據模擬結果和實測數據。

整個實驗室內有一臺A/C機組，一臺服務器機架以及8塊開孔率為27%的地板磚。整個房間的實驗室的尺寸為 15.24 m×5.94 m×3.05 m，機架尺寸為0.61 m×1.22 m×2 m，多孔地板磚尺寸為 0.61 m×0.61m，布置如圖1所示，則其中藍色區域為溫度值采樣區。

圖1 實驗室各設備布置圖

1.2 模型驗證結果

數據處理得到如圖2所示的溫度對比圖。其中左側的數據為溫度采樣區離地面該高度下的溫度值，右側為同樣位置的CFD數值模擬溫度結果。由圖2可知，CFD模擬的結果在大部分區域和實測區域是比較符合的。在原文獻中也進行了數值模擬，得到的全局均方根誤差為4℃，而本文得到的全局均方根誤差為2.86℃，有一定的改善。

圖2 數值模擬與實測數據溫度對比圖

2 典型數據中心模型數值模擬

2.1 典型數據中心模型建立

本文用ICEM CFD軟件構造了一個有14個機架的數據中心，每個機架又分為四層。

典型數據中心模型中，機架之間正面距離為1.22m，機架與墻面距離1.22m。整個數據中心尺寸為6.71m×5.49m×3m，14個機架分成兩列，在地板送風方式中，機架中間地板上布置有多孔磚作為冷空氣入口，CRAC機組未被考慮進模型。多孔地板磚尺寸考慮采用標準型尺寸0.61m×0.61m，多孔率為0.25。機架選用標準的19寸機架，機架整體尺寸為0.61 m×1.016m×2.0m。模擬分別設置了地板送風方式和頂部送風方式，兩個模型保證送風量相同，送風示意圖見圖3及圖4。

圖3 數據中心地板送風方式

圖4 數據中心天花板送風方式

2.2 工況設置

本文主要關注的是利用空氣側自然冷卻時對外界冷空氣的溫度要求，來確定空氣側自然冷卻方式的可使用時長。故采用保持其他條件相同的情況下，改變入口冷空氣的溫度來進行模擬計算。根據《數據中心設計規范》以及ASHRAE對數據中心的環境溫度要求，數據中心的環境溫度推薦值為18～27℃，允許值為15～32℃。采用空氣側自然冷卻方式時要考慮防止結露的問題，實際中可利用露點測試儀進行測試，由文獻[6]可知防結露最低送風溫度一般為10℃。雖然在室外環境溫度低于10℃時，可以采用加熱等方法讓冷空氣高于露點溫度，但是這樣加熱的耗能遠高于空調直接制冷，不利于節能，還會使得系統過于復雜，降低系統的可靠性。因此10℃即為判斷某地區某時能否用空氣側自然冷卻的最低溫度。

考慮到數據中心環境溫度推薦值最高為27℃，工況設置如表1以探究不同溫度的冷空氣對典型數據中心氣流組織以及制冷效果的影響。一般單一機柜熱密度低于8 kW的視作低密度數據中心，單一機柜在8 kW至30 kW之間的定義為高熱密度數據中心，而高于30 kW的視為超高熱密度數據中心。故本文中選擇設置機架的功率為7 kW代表低熱密度數據中心，工況數據如表1所示。

表1 工況設置

2.3 網格獨立解

為保證數值模擬計算的結果不受網格質量的影響，計算之前必須要有網格獨立解來驗證。理論上來說，計算模型的網格劃分得越細，計算結果將最準確。在計算資源有限的情況下，再加上浮點數舍入造成的誤差，計算工作往往要在準確度和計算能力上找到一個折中點，做出取舍。雖然不可能完全做到是網格對計算結果無影響，但一般來說，當研究對象在不同網格下計算的誤差達到一定可接受范圍內時，即認為達到網格無關了。

本文建立了不同密度的網格，并分別計算了熱負荷為7 kW時，送風溫度為13℃的工況，得到計算結果如圖5。

圖5 不同網格下的對稱面最高溫度

3 模擬結果及分析

3.1 氣流組織分析

圖6為地板送風模式下的溫度場分布圖，送風溫度為16℃，流線顏色隨溫度變化，機架內的溫度并不高的原因是，本文由于研究重點在室內的氣流組織分布，簡化了機架模型，僅設置體熱源，并在機架出風口做了動量修正，故機架內部并未完全模擬熱空氣滯留受阻的狀態，故僅機架外部室內流場有參考意義。圖7為頂部送風模式下的流場分布圖，送風溫度同樣為16℃。由于進風口風速約為地板送風入口風速的兩倍，可以看到很明顯大部分冷空氣從機架的底部進入進風側，同樣由于機架內部的簡化，使得空氣在機架內部換熱時出現了小部分回流，大部分機架后部流出，并經由頂部排風口排出。

圖6 地板送風模式溫度場分布圖

圖7 頂部送風模式溫度場分布圖

對比圖6、圖7可以看出，在相同的送風溫度下，兩種送風模式產生的散熱效果有明顯的區別。地板送風模式下，熱量分布均勻，冷空氣從多孔地板送出來后迅速與熱源進行熱量交換，兩種模式的最高溫度都在機架內部，室內的氣流組織明顯是地板送風模式下的平均溫度高。

圖8是在地板送風模式下，送風溫度為16℃工況下的速度場分布圖，在室內1.5m左右高的位置達到了風速最大值，約為17.3m/s。在多孔地板磚上方出現速度大幅度提高是符合對地板磚進行動量修正的結果的。不同于大開口的進風口，冷空氣從多孔地板磚的小孔流入后形成很多的小射流，并在一定高度上匯合成統一的流體，地板孔之間的空隙造成的卷吸效應使得相同通風量和有效通風面積下穿過多孔地板磚的空氣中心流速遠大于通過全開口的流速。

圖8 地板送風模式速度分布圖

圖9是在頂部送風模式下，送風溫度為16℃工況下的速度場分布圖，入口風速為4.13m/s，最大風速出現在出口附近。由于垂直風速較大，冷空氣迅速到達機架底部，并由進風側進入機架進行熱交換，后由機架后側流出。同樣的，由于機架并不是空無一物的方腔，空氣通過機架時形同通過一個多孔介質，其等效的孔隙率為35%，由機架后部流出的空氣動量增大。整個室內的氣流組織平均風速不高，引起通過機架的通風量遠低于地板送風模式下的通風量，這也是造成整體冷卻效果不佳的原因。

圖9 頂部送風模式速度分布圖

3.2 數據中心溫度檢測

用空氣側自然冷卻方式對數據中心進行冷卻，檢驗其冷卻效果的方式自然是檢測數據中心的環境溫度。根據ASHRAE美國制冷空調協會給出的數據中心運行熱環境指導和中國國家標準《電子信息系統機房設計規范》主機房的環境溫度推薦值都是在18～27℃。而選用的代表機房環境溫度的測試點也有相關規定：當IT設備未采用冷熱通道分離方式布置時，機房溫度應以送風區域的分量參數為準。當機柜或機架采用冷熱通道分離方式布置時，機房環境溫度應以冷通道的測量參數為準。

本文對各工況的制冷效果進行評估選用的檢測點水平方向以0.6m為間距，得到的數據如上圖。圖10所示為檢測點最高溫度隨送風溫度的變化，圖（a）、（b）分別為地板送風模式和頂部送風模式下的情況。由圖（a）可知，當隨著送風溫度的增大，檢測點的最高溫度成比例上升，并在送風溫度為22℃時超出環境推薦溫度28（a），而由圖（b）可知頂部送風模式下送風溫度與最高溫度并不成線性關系，當送風溫度為17℃時，檢測點溫度超過了環境推薦溫度。

圖10 不同送風溫度下檢測點最高溫度

故地板送風方式下能夠使用風側自然冷卻方式節能的環境溫度為10℃至22℃，頂部送風方式下能夠使用風側自然冷卻方式節能的環境溫度為10℃至17℃。很明顯，相同通風量下地板送風模式的制冷效果要優于頂部送風效果，在利用自然冷源節能上更推薦用地板送風的方式。

4 省會城市利用空氣側自然冷卻節能潛能

我國南北跨緯度廣，冬季南北溫差大。綜合考慮全國各地溫度范圍，可利用冷源資源豐富，非常適合推廣自然冷卻方式，為節能保護環境提供基礎。

由上一節得到的結果可知，基于典型低熱流密度數據中心，地板送風模式下可以達到機房環境溫度推薦值的最佳環境溫度為10℃～22℃（以下簡稱最佳環境溫度），而頂部送風模式下最佳環境溫度為10℃～17℃。數據中心對濕度的要求為35%～75%，如果室外空氣的濕度高于75%時需要除濕，低于35%時則需要加濕。文獻[6]總結，在低溫地區，采用自然冷源制冷時，如果將濕度低高室外新風進行加濕處理，將產生采用自然冷卻而節約的冷量的25倍耗能。而將低濕度室外空氣進行除濕，則能耗能所節約冷量的2到4倍。因此，將濕度不符合要求的冷空氣作為冷源直接引入很影響節能效果的。

基于典型低熱流密度數據中心，本文找出了各個省會全年8760 h內，可以達到最佳環境溫度這一要求的時間，制成的時間頻數柱狀圖如圖11所示。

圖11 地板送風模式下累計時長頻數及比例圖

圖11所示為各城市地板送風模式下，最佳環境溫度時長累積柱狀圖，以及時長占全年比例折線圖。由圖可知，昆明、蘭州、拉薩、烏魯木齊分列最佳環境溫度時間域最長的前四名。其中，昆明的最佳環境溫度時間域有2481 h，占全年時長的28%。絕大部分地區在地板送風模式下最佳環境溫度時長都在1000 h以上，而占比在0.2以上的有4個城市。在實際應用中，雖然拉薩的環境條件很適合自然冷卻，但考慮到其海拔高度而造成的空氣稀薄，使得空氣換熱能力差，需要很大程度提高通風量，影響節能效果。

圖12 頂部送風模式時長頻數及比例圖

圖12所示為各城市頂部送風模式下，最佳環境溫度時長累積柱狀圖，以及時長占全年比例折線圖。和圖11相比，城市的排列順序是一樣的，很明顯，在頂部送風模式下，時長變化并未隨著城市排列順序單調增長。蘭州這個城市在地板送風模式下最佳環境溫度時長遠大于頂部送風模式下的，也就是說，在該城市環境狀態下，更適合使用地板送風模式來達到節能的效果，同樣的情況也發生在烏魯木齊。兩圖對比也可以看出，無論是哪種送風模式，海口、長沙、合肥等這些城市都是非常不適合利用自然冷源節能制冷的。

5 結論

1）在相同的送風溫度下，兩種送風模式產生的散熱效果有明顯的區別。地板送風方式下，卷吸效應使得相同通風量和有效通風面積下穿過多孔地板磚的空氣中心流速遠大于通過全開口的流速，冷空氣從多孔地板送出來后迅速與熱源進行熱量交換，熱量分布均勻。而頂部送風方式下，冷空氣垂直向下送入機架進風側，由于垂直風速較大，冷空氣迅速到達機架底部，并由進風側進入機架進行熱交換，后由機架后側流出，換熱效果不佳。最終模擬結果顯示，頂部送風方式下環境溫度要求為10℃～17℃，地板送風方式下環境溫度要求為10～22℃。

2）省會城市中，地板送風方式下，昆明、蘭州、拉薩、烏魯木齊分列最佳環境溫度時間域最長的前四名。其中，昆明的最佳環境溫度時間域有2481 h，占全年時長的28%。絕大部分地區在地板送風模式下最佳環境溫度時長都在1000 h以上，而占比在0.2以上的有4個城市。蘭州這個城市在地板送風模式下最佳環境溫度時長遠大于頂部送風模式下的，也就是說，在該城市環境狀態下，更適合使用地板送風模式來達到節能的效果，同樣的情況也發生在烏魯木齊。兩圖對比也可以看出，無論是哪種送風模式，海口、長沙、合肥等這些城市都是非常不適合利用自然冷源節能制冷的。昆明的最佳環境溫度時長和其兩種送風模式的時長差值都是最大的，也就是說全年逐時溫度在兩個溫度上限之間的值占比很大，在當地使用頂部送風方式來實行自然冷卻的數據中心，將送風方式改為地板送風，將會很大的改善數據中心的節能效果。而像西寧這樣的城市，盡管時長也有差值，但是想通過改變送風方式來提高節能效果結果不會這么明顯。

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[4] 劉杰,王景剛,康利改.通信機房應用自然冷源降溫方式的比較與選用[J].制冷與空調(四川),2008,(5):61-66

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[6] Iyengar M, Schmidt R R, Hamann H, et al. Comparison between numerical and experimental temperature distributions in a small data center test cell[C]//ASME 2007 InterPACK Conference Collocated with the ASME/JSME 2007 Thermal Engineering Heat Transfer Summer Conference. American Society of Mechanical Engineers, 2007: 819-826.

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