采用CFD仿真優化數據中心氣流組織

楊超，黃赟，丁聰

(1 北京瑞思博創科技有限公司，北京 100036；2 中國移動通信集團上海有限公司，上海 200060；3 上海郵電設計咨詢研究院有限公司，上海 200092)

1 引言

數據中心機房作為移動互聯網業務蓬勃發展的基礎設施，存放著大量的IT設備，機房內單位面積發熱量大，傳統的氣流組織形式已經不能有效解決機房散熱問題。同時空調制冷系統需要消耗大量的電能，據統計，平均每個通信機房中空調的電費支出約占總電費的45%左右。

空調系統的能耗成為運營商最關注的節能問題。如何保證機房IT設備的工作環境滿足要求，最大程度節省電能，這對機房的熱管理設計提出了嚴峻的挑戰。目前數據中心均采用強迫風冷冷卻IT設備，氣流組織設計成為空調制冷系統節能的關鍵。國外針對氣流組織做了大量的研究，CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學）被廣泛用來分析和優化機房和IT設備內部的氣流組織和溫度分布。

目前在數據中心機房設計中廣泛采用由英國Future Facilities公司研發的數據中心氣流組織仿真軟件6SigmaDC。該軟件含有豐富的模型庫，可快速搭建數據中心機房，模擬、仿真、預測數據中心內的熱環境，以動畫、視頻等多種方式顯示溫度場、氣流場、壓力場、濕度等。

本文采用6SigmaDC模擬了機柜擺放方向、高架地板高度、地板格柵布置、封閉通道等情況的熱環境，仿真獲得的速度場、溫度場、流線圖直觀形象，方便評估改善措施對空調系統的影響，為機房的氣流組織優化和布局設計以及節能改造提供指導。

2 機房氣流組織CFD優化

2.1 機柜面對面擺放

目前數據中心機房相關標準都要求機柜擺放為面對面、背靠背，開孔地板布置在冷通道中，這樣可減少空氣混合，降低冷通道的溫度，熱風回流到精密空調，有較高的回風溫度，制冷效率高。

這種擺放方式下實際氣流組織如何，是否存在氣流組織混亂，混亂的具體地方在哪兒，都不得而知。采用6SigmaDC軟件進行CFD仿真，可用溫度云圖和氣流流線圖直觀反應熱環境。

從溫度云圖可知，機柜背靠背、面對面擺放，形成了十分明顯的冷、熱通道隔離，對于開孔地板所在的冷通道區域，沒有熱氣流回流引起的明顯的送風溫度升高，在機柜兩端和冷通道上方，還是存在一定區域的冷熱氣流混合。

2.2 優化高架地板配置

目前機房中常采用高架地板下送風的方式，因為高架地板下方充盈來自空調的冷空氣，形成靜壓箱，然后冷空氣根據壓差流向地板格柵和其他開孔位置，從而為IT設備提供冷卻所需空氣。

根據《電子信息系統機房設計規范》GB50174-2008，活動地板的高度作為空調靜壓箱時，不宜小于400 mm。

2.2.1 優化地板格柵配置

以單機柜3kW熱耗、面高500 mm活動地板、封閉冷通道配置的常規矩形機房為例，進行CFD模擬，在地板格柵開孔率為30%、40%、50%下分別仿真流量分布，發現距離空調越近，流出地板格柵的空氣流量越小；距離空調越遠，流出地板格柵的空氣流量越大。當地板格柵開孔率越大時，阻力越小，相同靜壓差下流量越大，會導致地板格柵之間送風量嚴重的不均勻，50%的開孔面積的地板格柵尤為明顯，距離空調最近的地板格柵出現了凈流量為負值的情況。

地板格柵流量分配不均勻時，還會導致相鄰機柜流量掠奪現象及機柜出風溫度的差異。

利用地板格柵不同的開孔面積在不同位置的布局，來優化高架地板送風的流量，使其既能夠讓地板格柵風量一致，又能夠減少送風阻力。靜壓高的地方，應采用開孔率小的地板格柵。

在CFD仿真中，將距離空調單元較近的地板格柵，采用高開孔面積的格柵，由近及遠分別設置為70%、50%、40%，后面則逐漸降低開孔面積，直到25%。這樣的布局在CFD仿真中，得到了較好的結果，地板格柵風量趨于一致，并且沒有采用高阻力的地板格柵，降低了阻力，優化地板格柵開孔面積設置后的機柜平均出風溫度明顯降低。

2.2.2 高架地板的高度

根據規范，高架地板作為靜壓箱時，至少有400 mm高。原因是當高度較小的時候，靜壓箱內的氣流速度更大，導致前后機柜對應的地板格柵靜壓差別更大，從而距離空調單元比較近的地板格柵出風量很小，甚至成為負值（負壓把冷熱通道的風帶入地板格柵下面）。隨著地板高度的增加，其靜壓箱內速度降低，則地板格柵的靜壓更趨于一致性。

在相同地板柵格情況下，高架地板越小，兩端地板格柵的流量差異越大，其中0.4～0.6 m差異不太明顯。實際工程中可根據機房高度及高架地板下方阻礙物情況，選擇在0.4～0.6 m之間即可。

2.2.3 優化障礙物的位置

高架地板下面可能布置電纜布線或冷凍水管道，從而障礙氣流流動。

當一個障礙物放置在前面的機柜下面時，本來較高流速的氣流會變得速度更高，靜壓降低，可能導致負壓嚴重，影響地板格柵的風量。當障礙物位于送風的后段時，其風速較低，靜壓較大，障礙物對于前后的地板格柵風量影響都較小。

因此，高架地板下方的障礙物盡可能布置在遠離空調的地方。

2.2.4 優化空調與機柜的距離

高架地板下方，距離空調機柜越近，其風速越高，靜壓越小，則對應位置地板格柵風量越小。因此高熱耗的機柜應該布置在風量相對比較充足的地方，而不是距離空調最近的位置。在實際工程中，在地板格柵送風口上宜安裝調節閥，用來調節局部的靜壓和風量，根據CFD仿真結合機房的實際測試調整調節閥。通過CFD仿真得到地板格柵風量分布，如圖1所示，距離1.2 m處的地板格柵與距離1.8 m處的地板格柵流量相差很大，因此建議空調單元和機柜最近的距離不少于三個地板磚（約1.8 m）。

2.3 隔離冷熱氣流

圖1 空調單元距離機柜兩個地板磚的地板格柵風量分布（30%開孔率）

如前文所述，采用簡單的冷熱通道布局可以緩解冷熱氣流混合的問題，但還是會存在一些氣流混合的區域，影響制冷系統的效果。為了徹底消除冷熱氣流混合，必須將冷熱通道進行物理封閉，有封閉冷通道或熱通道。

對典型機房封閉冷通道進行CFD模擬，得到橫剖面的溫度截面云圖，縱剖面的溫度截面云圖如圖2所示。

圖2 機柜方向溫度截面圖

從圖2溫度截面的云圖可知，采用了冷通道封閉的結構以后，形成了十分明顯的冷、熱通道隔離，對于開孔地板所在的冷通道區域，沒有熱氣流回流引起的送風溫度升高，空調的制冷量得到了有效利用。

熱通道或者冷通道封閉系統均可實現出色的效率，制冷系統可以被設置為較高的送回風溫度，送風溫度可以提高到20℃以上；同時，這種物理隔離很容易就將冷熱氣流混合短路的問題解決了，避免了制冷設備的過度規劃以及制冷量的浪費。

2.4 縮短送風距離

通道封閉隔離解決了冷熱氣流混合、短路的問題，避免了局部熱點的產生，提高了制冷系統效率。房間級空調系統距離機柜相對較遠，風機需要消耗大量的能量。行級空調系統將制冷設備從機房內四周遷移到設備旁邊緊靠熱源，并配合封閉冷通道，因此避免了冷風遠距離輸送而造成的能源浪費及冷熱氣流混合，可以有效解決機房高密度散熱問題，其優勢如下。

（1）縮短空調送回風路徑：將行級空調安裝在機柜附近將會縮短送風和回風的路徑。供回風過程中由于路徑縮短導致風阻減少和保持壓力的要求降低，可以大幅降低風機的功耗。

(2）減少冷風與熱風混合：配合封閉冷通道，徹底消除冷熱風混合。

(3）高顯熱比：行級空調具有很高的顯熱比。這是因為這種方案下送風溫度提高，可以避免空調內的冷卻盤管結露導致的被動除濕，從而將冷量更多地用于冷卻IT 設備。制冷系統的顯熱比越高，系統就越節能。

對典型機房調整平面布局后進行CFD模擬，得到橫剖面的溫度截面云圖如圖3所示，縱剖面的溫度截面云圖如圖4所示。

從圖3的溫度截面云圖可以看出來，采用了行級空調和冷通道封閉的結構以后，形成了十分明顯的冷、熱通道隔離，沒有熱氣流回流引起的送風溫度升高，機柜的進風口溫度和空調送風溫度一致，空調的制冷量得到了有效利用。

圖3 距離地面1.5 m處的溫度截面云圖

圖4 氣流流線圖

從圖4流線圖可知，機房內部的氣流得到了有效組織。在冷通道內，沒有發生熱氣流的混入，并且冷氣流以最短的輸送距離直接送到了旁邊的機柜進風口，不需要耗費大量的風機動力，從而可降低空調的能耗，同時熱氣流以最短的路徑直接回到機柜旁邊的行間空調回風口。

3 結束語

機柜的排列方式對機房氣流組織的影響較大，采用機柜面對面、背靠背的排列方式，可使服務器的進風溫度大幅下降，提高了空調能量利用。對于高架地板下送風，可調整地板格柵的開孔大小及位置，使流出的冷空氣流量保持一致。對于冷熱通道分區的方式，可通過封閉隔離冷或熱通道，有效的避免氣流短路，提高空調能量利用水平及制冷效率。采用行級冷卻方案，可解決高密度機房散熱問題，改善冷/熱通道溫度場的均勻性同時提高回風溫度以及送風溫度，提高了空調能量利用，縮短送回風距離，降低風機能耗。