數據機房集中式與平面型冷凝器熱環境對比研究

閆 濤，鄭匡慶，秦冰月，吳明陽（中國農業銀行股份有限公司數據中心， 上海 200131）

隨著數據機房精密空調安裝數量的快速增長，有限的屋頂面積變得越來越緊張，使得空調冷凝器的布置越來越密集[1]。由于浮生力的影響，只關注垂直方向上冷凝器換熱的相互影響，可能會忽略建筑屋頂上冷凝器擺放過密的問題。傳統冷凝器設計的結構為下進風上出風的平面型，多臺冷凝器集群安裝時，容易造成中間部分冷凝器無法充分與周圍空氣換熱，在夏季某些極端條件下，有可能會觸發壓縮機高壓保護動作[2]，造成空調運行中斷，進而影響數據機房的安全穩定運行[3]。另外，隨著數據機房業務量的快速增長，機房的計算機（ IT ）負荷也在飛速增長，機房不得不面臨改造。在面積有限的屋頂安裝冷凝器時，考慮安裝占地面積的同時也要考慮冷凝器的散熱性能及氣流組織的合理性，為此引入集中式冷凝器。其節省占地面積的同時，滿足機房負荷快速增長的需求。史玉玲等[4]通過 計算流體動力學（CFD） 與系統仿真相結合的方法，分析比較了 3 種冷凝器空氣側數值模擬的方法，表明應用風扇邊界條件的 CFD 方法不僅簡便易于操作而且具有較高的計算精度。

因此，合理的冷凝器布局成為精密空調系統安全運行的重要保證。某機房在改造后，采用 CFD 模擬驗證集中式冷凝器氣流組織的合理性，同時對比傳統平面型與集中式冷凝器的散熱效果。

1 集中式與平面型冷凝器對比

針對空調更新改造項目涉及的 10 臺集中式冷凝器，對比平面型冷凝器和集中式冷凝器的熱環境，評價改造方案下冷凝器的進風溫度差異，判斷集中式冷凝器在改造項目中的氣流組織的合理性。

2 機房建模信息

仿真環境條件為：環境溫度 42℃，濕度 50%，東南風3 m/s（地表粗糙度 0.002 4 mm），不考慮太陽輻射。樓高19.5 m，共計 129 臺冷凝器，有 3 種類型的冷凝器，冷凝器自帶支架 0.45 m，不同區域冷凝器鋼架離地高度不同，建模采用冷凝器模型。西側有 1 臺新風機，高度為 2.25 m。

建立完整的冷凝器群模擬，分析夏季 42℃，季風東南風 3 m/s（氣象局風速定義基準為高度為 10 m 左右的風速，不同高度的風速符合冪函數分布），忽略太陽輻射場景下冷凝器的熱環境。按照上述條件建立 CFD 模型，如圖 1所示。模型包含樓頂 5 個方位的冷凝器、新風機組及改造冷凝器。其中改造冷凝器為本文重點分析對象。

圖1 CFD 模型示意圖

3 冷凝器參數

冷凝器共有 3 種型號，3 種類型在圖中的具體位置如模型示意圖所示。其具體參數如表 1 所示。平面型和集中式冷凝器結構示意圖如圖 2 所示。

表1 冷凝器參數表

圖2 平面型和集中式冷凝器示意圖

4 冷凝器 CFD 模擬結果

冷凝器模擬結果用來對比平面型和集中式冷凝器周圍熱環境狀況。

4.1 冷凝器平均進風溫度分布

冷凝器平均進風溫度如圖 3 所示。由圖 3 可知，集中式冷凝器平均進口溫度最高為 45.1 ℃，平面型冷凝器平均進口溫度最高為 45.5 ℃，略高于集中式冷凝器。兩種方案所處的平均進口溫度比預先設定的環境溫度高 2 K。

圖3 冷凝器平均進風溫度 （左為集中式，右為平面型，下同）

4.2 冷凝器平均出風溫度分布

冷凝器平均出風溫度如圖 4 所示。由圖 4 可知，集中式冷凝器平均出口溫度最高為 51.6 ℃，平面型冷凝器平均出口溫度最高為 52 ℃，略高于集中式冷凝器。與平均進風溫度相比，出口和進口溫差約 6.5 K。

圖4 冷凝器平均出風溫度

4.3 冷凝器不同高度處的截面溫度分布

（1）距離屋頂 0.5 m 處溫度分布。屋頂 0.5 m 截面位于冷凝器入口下方，具體結果如圖 5 所示。

圖5 距離屋頂 0.5 m 處溫度分布

由圖 5 可以看出，集中式冷凝器約 44.0 ℃，平面型冷凝器約 45.0 ℃，其溫度升高主要是由于受北側其他冷凝器影響，南側的冷凝器形成熱島。

（2）距離屋頂 2.5 m 處溫度分布。屋頂 2.5 m 截面位于冷凝器出口上方，集中式冷凝器溫度約 51.6 ℃，平面型冷凝器溫度約 52.0 ℃，具體結果如圖 6 所示。要改造區域的冷凝器受到了周圍冷凝器散熱的影響。

圖6 距離屋頂 2.5 m 處溫度分布

4.4 改造項目涉及冷凝器流線圖

空調改造項目涉及冷凝器的流線圖如圖 7 所示。由圖 7可知，二者的進風溫度均受到南側冷凝器不同程度的影響。從改造前后方案來看，集中式冷凝器的流線相比平面型流線更為有序，區別在于改造后的冷凝器上方流線有些許差異，這是由于兩者結構上的不同導致的微環境差異。

圖7 冷凝器流線圖

4.5 分析結果對比

集中式與平面型冷凝器對比指標如表 2 所示。

表2 集中式與平面型冷凝器對比指標

由表 2 可知，集中式冷凝器各項指標均優于傳統平面型冷凝器，在實現節省安裝占地面積的同時，能夠實現良好的散熱。集中式冷凝器單組安裝占地面積為 2.563 m2，平面型冷凝器單組安裝占地面積為 3.035 m2。本次安裝的 10 臺行間空調，若采用集中式冷凝器，可采用前后并排安裝方式，總占地面積為 12.815 m2；若采用平面型冷凝器，為保證機組的散熱性能，水平安裝時，2 組冷凝器之間需間隔 1.2 m，相鄰 2 組間隔占地面積為 2.861 m2，冷凝器占地面積為 15.175 m2，間隔總占地面積為 8.583 m2，總占地面積為23.758 m2。對比可以看出集中式冷凝器安裝占地面積比平面型冷凝器節省 10.943 m2，可減少 46.1% 的占地面積，提高了屋頂室外面積使用率。

5 結 語

對比集中式與平面型冷凝器熱環境模擬結果，可以看出二者入口平均溫度差別在 1 K 內，其熱環境相近，均受到周圍冷凝器影響，微環境與大環境溫度相比要升高 2 K。從仿真結果來看，集中式冷凝器氣流組織合理，集中式冷凝器的室外熱環境優于平面型冷凝器，集中式冷凝器的流線相比平面型流線更為有序。在節省 46.1% 冷凝器安裝占地面積的同時，集中式冷凝器具有更好的推廣使用優勢，在后續空調改造項目中可以優先采用集中式冷凝器。