數(shù)據(jù)中心機(jī)房封閉熱通道模擬分析

田振武，王桂坤，陸曉宇

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

早期的數(shù)據(jù)中心機(jī)柜功耗不大，數(shù)據(jù)中心氣流組織形式大多借鑒民用建筑中風(fēng)管和風(fēng)帽等送風(fēng)形式。隨著數(shù)據(jù)中心單機(jī)柜功率的不斷提升以及人們對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)備特性的深入理解，出現(xiàn)了越來越多個(gè)性化的機(jī)房送回風(fēng)方式。目前，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的項(xiàng)目中，單機(jī)柜功耗絕大多數(shù)還是在20 kW以下，采用空氣冷卻技術(shù)仍是主流冷卻方式[1]。盡管目前出現(xiàn)了液冷、熱管以及背板等新興制冷技術(shù)，改變了數(shù)據(jù)中心氣流組織形式，給數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗工作帶來了新的方向，但是這些新技術(shù)所帶來的設(shè)計(jì)難度、建設(shè)成本以及安裝復(fù)雜度等問題也不小[2]。因此，綜合考慮，現(xiàn)階段采用房間級(jí)封閉冷熱通道的氣流組織形式仍是大多數(shù)機(jī)房建設(shè)過程的首選方案[3]。封閉冷通道與封閉熱通道兩種冷卻方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，后者可提高制冷設(shè)備效率，而且機(jī)房運(yùn)維環(huán)境較舒適，得到了諸多專家認(rèn)可[4]。本文以天津某數(shù)據(jù)中心實(shí)際建設(shè)項(xiàng)目為例，對(duì)比房間級(jí)下送風(fēng)、房間級(jí)風(fēng)墻送風(fēng)以及列間空調(diào)送風(fēng)3種封閉熱通道制冷方案的特點(diǎn)。

1 模型簡介

天津某數(shù)據(jù)中心機(jī)房的面積約為500 m2，層高為5.5 m，主梁高度為0.8 m。其中共含172臺(tái)機(jī)柜，單機(jī)柜功耗為8 kW，機(jī)房內(nèi)共11列機(jī)柜，每列共16臺(tái)機(jī)柜（其中立柱占用4臺(tái)機(jī)柜），單機(jī)房發(fā)熱量為1 376 kW。根據(jù)房間尺寸與機(jī)柜功率需求，設(shè)計(jì)使用彌漫式送風(fēng)封閉熱通道。冷通道間距為1.5 m，熱通道間距為1.8 m，機(jī)房整體布局如圖1所示。

圖1 機(jī)房整體布局圖

2 制冷方案

對(duì)比房間級(jí)下送風(fēng)、房間級(jí)風(fēng)墻送風(fēng)以及列間空調(diào)送風(fēng)3種氣流組織形式。為了較為合理地反映3種制冷方案中氣流組織因素對(duì)冷卻機(jī)柜過程的影響，在模擬過程中，空調(diào)運(yùn)行制冷量保持一致，均控制在1 500 kW。

2.1 房間級(jí)下送風(fēng)

機(jī)房兩端空調(diào)間內(nèi)分別設(shè)置6臺(tái)房間級(jí)精密空調(diào)，下送風(fēng)上回風(fēng)，每臺(tái)空調(diào)顯熱制冷量為150 kW，額定風(fēng)量為37 500 m3/h，空調(diào)送回風(fēng)溫度為23/35 ℃。每臺(tái)空調(diào)下方架空1 m的高度，出風(fēng)面與空調(diào)間隔墻送風(fēng)孔洞平行，非出風(fēng)面用盲板封堵，冷風(fēng)從出風(fēng)面經(jīng)隔墻孔洞彌漫至機(jī)房內(nèi)。熱通道封閉至吊頂，熱氣流從熱通道至吊頂上方，再通過吊頂風(fēng)管至空調(diào)回風(fēng)口。房間級(jí)下送風(fēng)方式整體布局與模擬結(jié)果如圖2所示。當(dāng)機(jī)房空調(diào)采用冷備份時(shí)，空調(diào)在運(yùn)行過程中控制兩臺(tái)精密空調(diào)關(guān)閉，其他10臺(tái)空調(diào)滿載運(yùn)行。當(dāng)機(jī)房空調(diào)采用熱備份時(shí)，所有精密空調(diào)的開啟程度均控制在83.4%。

圖2 房間級(jí)下送風(fēng)圖

圖2 （e）和圖2（f）分別是機(jī)房精密空調(diào)在冷備份和熱備份情況下機(jī)柜最大出風(fēng)溫度，最大出風(fēng)溫度均能滿足設(shè)計(jì)要求的35 ℃之下，送風(fēng)溫度滿足規(guī)范要求。兩種冗余備份方案中靠近空調(diào)的機(jī)柜最大出風(fēng)溫度略微大于其他機(jī)柜，結(jié)合送風(fēng)流可以看出靠近空調(diào)位置的送風(fēng)動(dòng)壓較大，機(jī)柜吸入冷空氣量較少。隨著空調(diào)送風(fēng)不斷向機(jī)房內(nèi)部擴(kuò)散，進(jìn)入機(jī)柜的風(fēng)量較為均勻。圖2（c）和圖2（d）分別是機(jī)房精密空調(diào)在冷備份和熱備份情況下空調(diào)使用冷量情況，冷備份時(shí)空調(diào)使用冷量在88.7%～93.3%，熱備份時(shí)空調(diào)使用冷量在74%～78%，根據(jù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系并將風(fēng)量與制冷量視為線性關(guān)系，冷備份時(shí)所開啟空調(diào)風(fēng)機(jī)能耗是熱備份的1.43倍[5]。

2.2 房間級(jí)風(fēng)墻送風(fēng)

機(jī)房兩端空調(diào)間內(nèi)分別設(shè)置6臺(tái)房間級(jí)精密空調(diào)，正面送風(fēng)背面回風(fēng)，每臺(tái)空調(diào)顯熱額定制冷量為150 kW，額定風(fēng)量為37 500 m3/h，空調(diào)送回風(fēng)溫度為23/35 ℃。每臺(tái)空調(diào)正面一側(cè)均為送風(fēng)口，與空調(diào)間隔墻送風(fēng)孔洞貼合，冷風(fēng)從出風(fēng)面經(jīng)隔墻孔洞彌漫送至機(jī)房內(nèi)。熱通道封閉至吊頂，熱氣流從熱通道至吊頂上方，再通過吊頂風(fēng)管至空調(diào)回風(fēng)口。房間級(jí)風(fēng)墻送風(fēng)方式整體布局與模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 房間級(jí)風(fēng)墻送風(fēng)圖

由于風(fēng)墻送風(fēng)過程中空調(diào)送風(fēng)面積大，理論上要比一般房間級(jí)精密空調(diào)彌漫式送風(fēng)效果好。但是在此項(xiàng)目的模擬過程中，靠近空調(diào)位置的一排機(jī)柜溫度偏高，兩個(gè)機(jī)柜最大出風(fēng)溫度為35.2 ℃，略微超過35 ℃的設(shè)計(jì)回風(fēng)溫度，送風(fēng)溫度滿足規(guī)范要求。風(fēng)墻空調(diào)使用量在73.3%～78%，精密空調(diào)風(fēng)機(jī)能耗與房間級(jí)下送風(fēng)熱備份方案相當(dāng)。

2.3 列間空調(diào)送風(fēng)

機(jī)房兩端空調(diào)間內(nèi)分別設(shè)置55臺(tái)列間精密空調(diào)，每臺(tái)空調(diào)顯熱額定制冷量為35 kW，額定風(fēng)量為8 750 m3/h，空調(diào)送回風(fēng)溫度為23/35 ℃。與房間級(jí)冷卻方式相比，機(jī)柜數(shù)量與單機(jī)柜功率不變，在每列機(jī)柜中設(shè)置列間空調(diào)。每個(gè)機(jī)柜模塊中，列間空調(diào)送風(fēng)面開放，將冷風(fēng)彌漫送至機(jī)房內(nèi)，冷風(fēng)經(jīng)過列間空調(diào)附近機(jī)柜吸收其熱量，熱氣流進(jìn)入封閉熱通道之后經(jīng)列間空調(diào)回風(fēng)面。列間空調(diào)采用熱備份，所有精密空調(diào)的開啟程度均控制在78%。列間空調(diào)送風(fēng)方式整體布局與模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 列間空調(diào)送風(fēng)圖

列間空調(diào)送風(fēng)方案采用空調(diào)熱備份的方式，送風(fēng)溫度滿足規(guī)范要求，機(jī)柜最大出風(fēng)溫度均在設(shè)計(jì)回風(fēng)溫度35 ℃之下，且回風(fēng)相對(duì)比房間級(jí)空調(diào)送風(fēng)均勻度較好。列間空調(diào)熱備份下，空調(diào)使用冷量均在66.8%～73.7%，房間級(jí)空調(diào)熱備份時(shí)空調(diào)風(fēng)機(jī)能耗是列間空調(diào)熱備份的1.05倍。

3 結(jié) 論

對(duì)于單機(jī)柜功率8 kW的機(jī)柜，封閉熱通道房間級(jí)下送風(fēng)、房間級(jí)風(fēng)墻送風(fēng)以及列間空調(diào)送風(fēng)方式均能基本滿足機(jī)房冷卻設(shè)計(jì)要求。封閉熱通道房間級(jí)彌漫式送風(fēng)方式在機(jī)柜平面布置時(shí)，應(yīng)重視機(jī)柜不能離空調(diào)出風(fēng)口過近，否則將影響空調(diào)對(duì)機(jī)柜的冷卻效果。房間級(jí)下送風(fēng)冷備份方案空調(diào)風(fēng)機(jī)能耗是熱備份方案的1.43倍，房間級(jí)風(fēng)墻送風(fēng)方案空調(diào)風(fēng)機(jī)能耗與房間級(jí)下送風(fēng)熱備份方案相當(dāng)，房間級(jí)空調(diào)熱備份時(shí)空調(diào)風(fēng)機(jī)能耗是列間空調(diào)熱備份的1.05倍。