數(shù)據(jù)中心地板送風(fēng)方式對(duì)制冷系統(tǒng)運(yùn)行的影響及優(yōu)化

王 濤，楊 坤 ，張玉燕 ，鄭竺凌 ，黃 璜 ，李冀偉 (.交通銀行股份有限公司， 上海 000；.清華大學(xué)， 北京 0009；．上海建科建筑節(jié)能技術(shù)股份有限公司， 上海 000）

隨著科技的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心作為實(shí)現(xiàn)人工智能、互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)，其發(fā)展已成為核心需求。數(shù)據(jù)中心擁有大量的計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)及存儲(chǔ)等重要硬件設(shè)備，且全年運(yùn)行。長(zhǎng)時(shí)間地運(yùn)行使得機(jī)房局部過熱會(huì)使得服務(wù)器設(shè)備故障率升高、可靠性下降，甚至造成設(shè)備宕機(jī)。制冷系統(tǒng)的有效運(yùn)行可以減小機(jī)房局部過熱，保障設(shè)備安全運(yùn)行。因此提高制冷系統(tǒng)運(yùn)行效率至關(guān)重要。

研究表明，影響制冷系統(tǒng)運(yùn)行的因素有很多，而送風(fēng)方式是值得關(guān)注的重要因素。經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，在銀行數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域中，目前針對(duì)地板送風(fēng)方式影響數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的細(xì)化分析不多，還需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行深入分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

本文采用試驗(yàn)方式分析了地板送風(fēng)對(duì)制冷系統(tǒng)運(yùn)行的影響，并利用 CFD（ Computational Fluid Dynamics）數(shù)值模擬對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行了有效驗(yàn)證。

1 某數(shù)據(jù)中心概況

1.1 機(jī)房基礎(chǔ)情況

機(jī)房面積約 456 m2，凈層高約 3.20 m，共布置 122臺(tái)機(jī)柜。該機(jī)房采用風(fēng)冷形式為服務(wù)器降溫，采用地板送風(fēng)，同側(cè)側(cè)向回風(fēng)。未設(shè)置冷熱通道隔斷，同時(shí)機(jī)柜也未加裝盲板。

1.2 研究對(duì)象情況

以機(jī)房中 A、B 兩列機(jī)柜為研究對(duì)象，每列各有 19 臺(tái)機(jī)柜，且每臺(tái)機(jī)柜的尺寸為 0.66 m × 1.00 m × 2.00 m。在機(jī)柜的前方約 20 cm 處，配置有孔板型地板送風(fēng)口，送風(fēng)口尺寸為 60 cm × 60 cm，有效送風(fēng)面積占 20%，其位置如圖 1 所示。

圖 1 兩列機(jī)柜空調(diào)送風(fēng)口布置平面圖

1.3 測(cè)試目標(biāo)

采用風(fēng)量罩測(cè)定每個(gè)地板出風(fēng)口的風(fēng)量，同時(shí)測(cè)量典型機(jī)柜 B 01 和 B 19 的散熱風(fēng)扇出風(fēng)總風(fēng)量。利用溫濕度自計(jì)儀測(cè)定每個(gè)機(jī)柜在進(jìn)出風(fēng)面上的溫度分布情況，主要測(cè)定了距地面 0.30 m、0.60 m、1.00 m、1.30 m 和 1.60 m 高度處的溫度。

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 風(fēng) 量

兩列機(jī)柜地板送風(fēng)實(shí)測(cè)風(fēng)量分布情況見圖 2。由圖 2 可知，A 列和 B 列的地板送風(fēng)口均呈現(xiàn)出距離精密空調(diào)越近風(fēng)量越大的特點(diǎn)。A 列機(jī)柜前的地板送風(fēng)口提供的總風(fēng)量為15 260 m3/h，其中風(fēng)口風(fēng)量最大達(dá)到 1 518 m3/h，最小為872 m3/h，風(fēng)量的不均勻性達(dá)到 19.4%。B 列機(jī)柜前的地板風(fēng)口總風(fēng)量為 16 544 m3/h，風(fēng)量的不均勻性約 14.7%。對(duì)于上述各風(fēng)口風(fēng)量的不均勻性可從精密空調(diào)下送風(fēng)和地板靜壓的特點(diǎn)方面進(jìn)行分析。當(dāng)精密空調(diào)向地板下方送風(fēng)時(shí)受沿程阻力和局部阻力的影響，在氣流傳輸方向上全壓逐漸下降，使得地板送風(fēng)口離精密空調(diào)越近，其風(fēng)量越大，從而導(dǎo)致各風(fēng)口風(fēng)量分布不均勻。

圖 2 A、B 列機(jī)柜地板送風(fēng)實(shí)測(cè)風(fēng)量

此外，通過測(cè)量可知，B 01 和 B 19 機(jī)柜的散熱風(fēng)扇總出風(fēng)量分別為 619 m3/h 和 774 m3/h。B 01 和 B 19 機(jī)柜前的地板送風(fēng)口的風(fēng)量分別為 1 469 m3/h 和 1 017 m3/h，因此 B 01 和 B 19 兩機(jī)柜前的地板送風(fēng)量可以滿足這兩個(gè)機(jī)柜散熱風(fēng)扇的風(fēng)量需求。若以最大散熱風(fēng)量來計(jì)算該列機(jī)柜的總散熱風(fēng)量，同樣可以得出地板送風(fēng)口總風(fēng)量（即空調(diào)送風(fēng)總量）仍可以滿足機(jī)柜散熱風(fēng)扇風(fēng)量總量的需求這一結(jié)論。由此可知，機(jī)房地板送風(fēng)量能夠滿足機(jī)柜散熱風(fēng)扇的需求。

2.2 溫 度

圖 3 反映了所有機(jī)柜進(jìn)出風(fēng)面上的溫度分布情況。由圖3 可以看出，所有機(jī)柜的進(jìn)出風(fēng)溫度呈散點(diǎn)分布，各散點(diǎn)主要集聚在 I、II、III 3 個(gè)區(qū)域內(nèi)，且在每個(gè)集聚區(qū)域中進(jìn)出風(fēng)溫度呈線性關(guān)系。此現(xiàn)象主要由服務(wù)器功率不相同導(dǎo)致的。當(dāng)服務(wù)器運(yùn)行功率較高時(shí)，機(jī)柜進(jìn)出風(fēng)溫度落在 I 范圍中；服務(wù)器運(yùn)行功率較低時(shí)落在 II 范圍中；服務(wù)器待機(jī)或者沒有服務(wù)器時(shí)，溫度點(diǎn)則落在 III 范圍中。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度幾乎均在 16 °C 以上，出風(fēng)口溫度均在 20 °C 以上。通過測(cè)試可知地板平均送風(fēng)溫度約在 14.0 °C，由此可知，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度與空調(diào)送風(fēng)溫度間相差很大。但兩者間差值是送風(fēng)氣流組織設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，減小該差值不僅可以增加空調(diào)送風(fēng)的利用效率，同時(shí)在進(jìn)風(fēng)溫度一定情況下，減小該差值還可提升制冷系統(tǒng)運(yùn)行效率。因此，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)面溫度是影響空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的重要因素。

圖 3 實(shí)測(cè)所有機(jī)柜進(jìn)出風(fēng)溫度關(guān)系圖

為了更加直觀反映機(jī)柜進(jìn)風(fēng)面溫度，本文采用紅外溫度測(cè)溫儀對(duì)機(jī)柜不同高度的進(jìn)風(fēng)面溫度進(jìn)行了測(cè)量，詳細(xì)情況見圖 4。

由圖 4 可知，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)面溫度呈上下高、中間低的特點(diǎn)，且機(jī)柜下部的溫度普遍比其他區(qū)域溫度高 2～3 K 以上，而機(jī)柜上部的溫度則比中間區(qū)域高 1～2 K。

圖 4 機(jī)柜進(jìn)風(fēng)面溫度分布圖

綜上可知，數(shù)據(jù)中心地板送風(fēng)使得機(jī)柜進(jìn)風(fēng)面溫度存在垂直分布不均、與空調(diào)送風(fēng)溫度間差值較大等問題，從而導(dǎo)致空調(diào)送風(fēng)利用率不高，影響制冷系統(tǒng)運(yùn)行效率。

3 機(jī)房存在的問題分析

針對(duì)上文所述問題，可從地板送風(fēng)口位置和有無盲板兩方面進(jìn)行分析。由于一些機(jī)柜前未有送風(fēng)口，使得其獲得的空調(diào)送風(fēng)小于其散熱風(fēng)扇所需要的風(fēng)量。又由于機(jī)柜自身未設(shè)置盲板，機(jī)房中也未設(shè)置冷熱通道的隔斷，從而導(dǎo)致很大一部分送風(fēng)量來自熱通道向冷通道的空氣流動(dòng)，即機(jī)柜上、下方空間。最終使得機(jī)柜進(jìn)風(fēng)面溫度垂直分布不均，即上、下位置進(jìn)風(fēng)溫度較高，而中部區(qū)域由于冷熱摻混使其溫度較上、下區(qū)域偏低。

對(duì)于配置有地板送風(fēng)口的機(jī)柜而言，其送風(fēng)量大于散熱風(fēng)扇所需的風(fēng)量，故進(jìn)風(fēng)面上、下區(qū)域的溫度偏高不是由送風(fēng)量不足導(dǎo)致的。此時(shí)，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)面下部區(qū)域的溫度偏高可能是由于出風(fēng)面一側(cè)的空氣受到地板送風(fēng)口送風(fēng)的卷吸作用，而通過機(jī)柜下部無盲板的區(qū)域流動(dòng)導(dǎo)致的。但機(jī)柜進(jìn)風(fēng)面上部區(qū)域的溫度偏高則是由于送風(fēng)速度的衰減，使其未能阻擋熱通道向冷通道的摻混而引起的。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述解釋的合理性，本文利用 CFD 數(shù)值模擬了單個(gè)機(jī)柜周邊的氣流組織狀況。同時(shí)，以 B 01 機(jī)柜為原型，采用大尺度模擬與小尺度模擬相結(jié)合的模擬方法，詳細(xì)刻畫了機(jī)柜附近的氣流組織情況，模型如圖 5 所示。

圖 5 用 Airpark 軟件建立的計(jì)算模型

表 1 反映了模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比。由表 1 可知，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，相對(duì)偏差均在 15% 以內(nèi)，甚至大部分在 10% 以內(nèi)。由此說明了 CFD 數(shù)值模型設(shè)置和求解過程的準(zhǔn)確性。

表 1 CFD 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比

圖 6 展示了不同機(jī)柜下部區(qū)域的空氣流動(dòng)。由圖 6 可知，受到射流的卷吸作用，下部區(qū)域的氣流整體由出風(fēng)面一側(cè)流向進(jìn)風(fēng)面一側(cè)，使得機(jī)柜進(jìn)風(fēng)面下部區(qū)域溫度偏高。同理，機(jī)柜上部區(qū)域的空氣流動(dòng)情況也與此類似。

根據(jù) CFD 數(shù)值模擬驗(yàn)證可知，對(duì)機(jī)柜進(jìn)風(fēng)面溫度偏高、分布不均的原因推測(cè)是正確的。即進(jìn)風(fēng)面溫度分布不均是由機(jī)柜未設(shè)置盲板及冷熱通道隔斷，使得機(jī)柜出風(fēng)面一側(cè)的熱空氣通過機(jī)柜上、下部的空置區(qū)域，被卷吸至機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)面一側(cè)而造成的。

圖 6 不同機(jī)柜下部區(qū)域的空氣流動(dòng)

4 優(yōu)化方式討論

4.1 機(jī)柜的上、下空置區(qū)域增設(shè)盲板

圖 7 展示了增設(shè)盲板前后，機(jī)柜周圍垂直截面上的溫度分布情況。從圖 7 (a) 和 (b) 的對(duì)比中可以看出，增設(shè)盲板后，機(jī)柜的上、下部區(qū)域溫度明顯降低，進(jìn)風(fēng)面的溫度也因此得到顯著降低。

圖 7 增設(shè)盲板對(duì)機(jī)柜周圍溫度分布的影響

4.2 斜向上送風(fēng)形式

在增設(shè)盲板的基礎(chǔ)上，圖 8 展示了采用與孔板型送風(fēng)口相同有效面積的條縫型地板風(fēng)口，以斜向上與水平夾角 70°的相同風(fēng)速送風(fēng)時(shí)，機(jī)柜周圍的空氣流動(dòng)與溫度分布情況。從圖中可以看出，采用傾斜送風(fēng)的方式，使得機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)面處于送風(fēng)射流的區(qū)域內(nèi)，提升了地板送風(fēng)的利用率，并有效抑制了機(jī)柜上部區(qū)域的冷熱摻混。

圖 8 斜向上送風(fēng)時(shí)機(jī)柜周圍的空氣流動(dòng)和溫度分布

圖 9 從定量上反映了不同改進(jìn)措施前后機(jī)柜進(jìn)風(fēng)面溫度分布情況。觀察圖 9 發(fā)現(xiàn)，增設(shè)盲板可使機(jī)柜送風(fēng)面溫度比現(xiàn)狀降低 2～3 K，尤其是下部區(qū)域受益更為明顯。在此基礎(chǔ)上，采用斜向上送風(fēng)的形式，可使機(jī)柜送風(fēng)面溫度比現(xiàn)狀降低 3～5 K，機(jī)柜的下部區(qū)域由于距離送風(fēng)口更近且處于射流區(qū)域內(nèi)，其溫度已經(jīng)十分接近空調(diào)送風(fēng)溫度 14.0 ℃。這對(duì)于在同樣負(fù)荷下，提升空調(diào)送風(fēng)溫度、提高制冷系統(tǒng)運(yùn)行效率有很大的幫助。

圖 9 不同改進(jìn)措施前后機(jī)柜進(jìn)風(fēng)面溫度分布的區(qū)別

5 結(jié) 語

本文從機(jī)柜進(jìn)風(fēng)面溫度分布角度分析了地板送風(fēng)方式對(duì)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，并討論了機(jī)房存在的問題，進(jìn)而提出了優(yōu)化措施。主要獲得以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）地板送風(fēng)方式使得機(jī)柜進(jìn)風(fēng)面溫度分布不均，嚴(yán)重阻礙了制冷系統(tǒng)運(yùn)行效率的提高。

（2）對(duì)于地板送風(fēng)方式的數(shù)據(jù)中心機(jī)房，在機(jī)柜上、下空置區(qū)域增設(shè)盲板或采用斜向上送風(fēng)形式可以有效降低機(jī)柜上、下部區(qū)域溫度，緩解進(jìn)風(fēng)面垂直溫度分布不均情況，從而提高地板送風(fēng)率和制冷系統(tǒng)運(yùn)行效率。