基于數值模擬的鐵路“四電”機房斷電熱環境分析

王勝男 姚景生 吳金文 陶 麗 付 雷 曹曉玲

（1.中鐵二院工程集團有限責任公司 成都 610031；2.西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

0 前言

鐵路“四電”機房是指鐵路站房通信、電力、信號、信息四大專業的相關機房?！八碾姟睓C房對鐵路運輸的指揮和安全保障起到至關重要的作用，而良好的空調和通風又是“四電”機房安全穩定運行的保障[1]。“四電”機房全年每天24 小時運行，室內設備發熱量大、散濕量小，防火要求嚴格，全年四季要求維持室內一定的溫濕度范圍，對暖通空調設備的可靠性有著較高的要求。我國鐵路“四電”機房空調系統設計為了提高機房空調系統的可靠性，常見的方案是采用冗余設計來解決可能出現的空調設備故障等問題。例如對于中小型數據機房一般設計有兩套空調系統，其運行策略為每套系統各自按照50%的制冷量運行，當一套設備發生故障時，另一套設備則轉化為100%的制冷量運行。但是該系統只解決了可能出現的設備故障問題，卻無法解決設備斷電導致空調系統無法運行的情況。例如，當在某些偏遠地區或貧困地區建設鐵路項目時，空調系統的電力供應受當地的經濟發展和社會情況制約，可能存在斷電情況。一旦出現緊急斷電事故，兩套空調系統均無法正常工作，鐵路“四電”機房內的溫度將大幅上升，這將極大地影響機房內設備的安全運行，甚至可能出現設備損壞，進而影響到整條鐵路系統的安全。

機房內的熱源包括數據處理設備、程控交換設備、傳輸設備等機器的散熱以及建筑圍護結構的傳熱、太陽輻射熱、人體散熱、照明裝置散熱負荷等。但機房內電子設備散熱產生的制冷負荷是制冷空調負荷的主要來源，使得冬季時機房內部也存在大量的熱負荷，空調系統需要全年運行。機房內幾乎沒有濕負荷源，只有機房工作人員與外界空氣帶入的濕負荷。圍護結構傳熱引起的負荷會逐時波動，但總量不大，對室內空調冷負荷影響相對較小[2,3]。

據文獻[4]，機房各月設備總功耗之間的最大波動在7%以內，波動范圍很小，可以認為機房設備運行穩定。但是不同設備之間的功耗相差較大，功耗最大設備的功耗為功耗最小設備的3 倍多，機房內部熱源分布存在不均勻性，易出現局部過熱的情況。機房內局部熱點的定位主要根據室內設備（熱源，以單個機柜為代表）、氣流組織和現有的熱環境評價體系判斷。比較成熟的熱環境評價體系有Sharma 等[5]提出的SHI（Supple Heat Index）、RHI（Return Heat Index），Herrlin 等[6]提出的RCI（Rack Cooling Index）和RTI（Return Temperature Index）。Bash[7]等提出的β以及田浩等[7]人提出的IOM（Index Of Mixing）不僅是良好的熱環境評價體系，更能反映數據中心機房局部熱點區域。

合理的氣流組織是消除機房熱點的關鍵。按照送風口布置位置和形式的不同，可以將氣流組織形式大致分為上送風和下送風。上送風方式先冷卻環境溫度，再冷卻設備，一般氣流組織紊亂，不利于消除局部熱點，需要將發熱量較大的設備布置在送風落點[8]。下送風是目前研究和運用最為活躍的一種，一般是在機房內設置架空的活動地板，活動地板下的空間用作空調送風的通道，送風口一般布置在機柜側或機柜底部，有較好的氣流組織。Roger Schmidt 等[9]提出了熱通道封閉、冷通道封閉和機架排風通道封閉三種方案，來提高機房換熱效率，避免冷熱氣流發生摻混。Jinkyun Cho 等[10]對6 種常見送風方案模擬后發現，地板送風、管道回風、冷通道隔離的方案是最佳的送風方案。魏蕤[11]在其研究中發現，縮短回風路徑，減小空氣滯留區，可以顯著改善機房內部的溫度場分布，降低機房環境溫度。

因此，明確鐵路“四電”機房斷電后的熱環境情況是至關重要的。本文基于數值計算方法，對鐵路“四電”機房斷電后熱環境進行分析，為掌握空調系統斷電后機房的降溫需求并設計降溫防護手段提供參考。

1 數值模擬方法

機房緊急斷電后，為保障列車等工具的正常運行，備用電源或不間斷電源往往優先為數據處理設備、程控交換設備等IT 設備供電，冷水機組、風機等空氣調節設備通常不會獲得電力供應，此時設計狀態下的氣流組織將瓦解，形成新的氣體流動，房間內的溫度也會快速上升。

該模擬驗證使用Fluent 軟件進行計算，采用標準k-ε模型，SIMPLE 算法進行壓力速度耦合，Green-Gauss Node-Based 算法進行梯度離散，PRESTO！算法進行壓力修正，動量和能量方程采用二階迎風算法進行離散。

為設計出適合該環境的應急控溫裝置，本文選取了長寬高為5m×3m×2.5m 的區域進行空調系統停運期間的機房熱環境分析。按照機房設計負荷300W/m2進行計算可知，該區域熱負荷為4500W。機柜尺寸參考最小標準機柜18U 的規格尺寸600mm×600mm×1000mm，在該區域內放置2 排共4 個該尺寸的機柜，兩排機柜對向排熱，每個機柜熱負荷為1125W，具體布置見圖1。假設該模擬區域內初始溫度為22℃，且溫度分布均勻，氣流組織合理。

圖1 模擬計算示意圖Fig.1 Schematic diagram of simulation

2 熱環境分析

溫度測點根據《GB/T2887-2011 計算機場地通用規范》進行選取與布置，理論測點布置如圖2所示，測點位置2、3、4、5 均應選在A～1、B～1、C～1、D～1 中點附近。由于測點需要與設備保持至少0.8m 及以上的距離，因此實際測點位置如圖3所示。

圖2 理論測點分布圖Fig.2 Distribution diagram of theoretical measurement point

圖3 實際測點分布圖Fig.3 Distribution diagram of actual measurement point

圖4 為機房空調系統停運后測點溫度隨時間的變化曲線?？梢园l現，5 個測點位置的溫度差別不大，其變化曲線也幾乎一致，僅測點1 的溫度在前20s 內明顯高于其余位置溫度，之后測點1 與其余測點溫差均在1℃以下。因此，可以認為機房在空調系統停運后房間內的溫度均勻性較好。

圖4 測點溫度變化圖Fig.4 The temperature variation with time

圖5 為機房空調系統停運后10s、30s、60s、120s 共4 個時刻，距離地面0.8m 平面的溫度云圖。通過云圖可以發現，空調系統停運后，通道內的熱空氣迅速向房間各處擴散，減小房間各處的溫度差異，并在30 秒左右形成較為穩定的溫度分布。此時最大溫差為1.5℃，高溫點在設備出風口，低溫點在設備兩側。隨著環境溫度的進一步提高，設備出風溫度也水漲船高，并且由于設備核心散熱溫度與環境平均溫度的溫差減小，導致最大溫差擴大為1.8℃左右。在120s 時，設備出風口周圍的溫度已經超過35℃。

圖5 溫度分布圖(Z=0.8)Fig.5 Temperature distribution of temperature filed(Z=0.8)

圖6 為機房空調系統停運后10s、30s、60s、120s 共4 個時刻，房間中垂面的溫度云圖。通過云圖可以看到，空調系統中斷后，“熱”通道內熱空氣上升后將向四周蔓延，與周圍空氣進行換熱，又由于設備進風口往往處于負壓狀態，此時“冷”通道上方的空氣更易墜下，并進入設備吸收熱量，由此室內氣體通過機柜形成環形流動，加劇室內空氣熱交換，同時這也是機柜上形成低溫旋渦的原因。

圖6 溫度分布圖(Y=1.25)Fig.6 Temperature distribution of temperature filed(Y=1.25)

根據施耐德電氣對空調系統中斷期間數據中心溫度變化的研究[11]，空調系統電力中斷后，房間內的空氣溫度會快速上升，雖然各機柜排熱口處的空氣溫度會明顯高于環境溫度，但機柜排出的熱空氣很快便會與室內空氣進行混合，整個房間溫度分布并未因此產生較大的不均勻性。

3 結論

機房空調系統中斷后，“熱”通道內的熱量將迅速擴散至整個房間，而設備排出的熱量也會很快在通道內被“稀釋”，不會造成較大的局部熱點，“熱”通道內的溫度也僅比室內空氣流動較差處的溫度高1℃左右，并且對于應急控溫來說，只要保證最不利溫度滿足要求即可，因此，可以認為空調系統中斷后的建筑內部空氣溫度均勻一致。