某數據機房地板送風+封閉冷通道方案研究

房電偉 邢哲理 李宗新 李 研 龍洋波

（1.軍事科學院國防工程研究院 北京 100036；2.北京建筑大學 北京 100044）

0 引言

在信息社會飛速發展的今天，數據中心作為集中放置的電子信息設備提供穩定運行環境的場所，越來越廣泛的應用于國計民生之中。數據中心內的設備通常需要全年連續運行，這就需要空調系統連續服務，去除設備產生的多余熱量。數據中心數量的高速增長直接帶動了能耗的不斷增加，單臺機柜的容量越來越大，從最初的1.5～3kW 發展到現在的10～30kW[1]，每臺機柜的冷負荷也越來越大。根據工信部電信研究院調研統計數據，2015 年我國數據中心耗電量已達到1000 億kWh，已達全社會總用電量的1.5%，相當于當年天津市的耗電量，而這個比例還在不斷快速上漲[2]。針對數據中心高冷負荷、高能耗的現狀，Jinkyun Cho 等對氣流組織中氣流分配對空調效果的影響做了分析[3]，錢曉棟等根據數據中心空調系統使用中存在的問題分析了節能的方法和手段[4]，王韜從空調系統的安全性和節能性方面進行了分析[5]，高月芬等對冷通道封閉減少局部熱點及提高送風溫度進行了分析[6]，黃慧麗闡述了武漢某數據中心項目采用熱回收機組的節能措施[7]。本文通過計算流體力學（CFD）軟件Airpak 搭建某數據中心機房的數值計算模型，對精密空調+地板送風+封閉冷通道的空調及氣流組織形式進行了分析和研究。

1 工程簡介

該數據中心機房位于北京市，夏季空調室外計算干球溫度33.5℃，夏季空調室外計算濕球溫度26.4℃，夏季通風室外計算相對濕度61%，空氣密度1.225kg/m3；機房面積404.7m2，凈高3.8m，共設置16 組機柜，每組包含10 臺中密度機柜和1 臺布線列頭柜，每臺機柜長×寬×高=1000×600×2000mm。機房冷負荷計算詳如表1 所示（圍護結構負荷忽略不計）。

機房冷通道封閉，選用精密空調，下送上回，冷空氣被送入高度800mm 的活動地板靜壓箱，通過地面送風口進入冷通道，流經并冷卻機柜后進入熱通道，無回風管道，回風經熱通道回至精密空調機組，平面布置如圖1 所示。

圖1 數據中心機房平面圖Fig.1 Plan of data center room

根據負荷計算，選用顯冷量103kW、風量22500m3/h 的恒溫恒濕機房空調9 臺，每臺空調配有單冷盤管，冷媒為12～18℃冷凍水，8 用+1 備模式運行，功率5.5kW/臺，機外靜壓100Pa。

地板送風口風量及承載負荷計算：每個送風口尺寸750×600mm，開孔率40%，風口送風風速2.5m/s，可負擔7.2kW 發熱量，送風溫度19±1°℃，沿程溫升≤1 ℃。設計工況下，機柜進風溫度21±1℃、熱通道回風溫度32±1℃。

2 模型建立

2.1 幾何模型

采用計算流體力學（CFD）軟件Airpak 對數據中心機房的精密空調+封閉冷通道降溫方案進行數值模擬研究，根據機房實際尺寸通過Airpak 建立幾何模型，圖2 為該模型的軸測圖，圖中長度方向（0m～38m）為X，高度方向（0～3.8m）為Y，寬度方向（0m～10.65m）為Z。

圖2 幾何模型軸側圖Fig.2 Axonometric drawing of geometric model

2.2 模型假設

本研究模擬機房內環境，對模型做如下假設：（1）假設室內空氣為不可壓縮流體；（2）假設室內空氣符合Boussinesq 假設，即密度僅受溫度影響；（3）該機房位于內部房間，周圍為走廊及其他房間，且機房內設備發熱量遠大于局部隔墻傳熱量，假設壁面絕熱；（4）空調機組總送風量為18萬m3/h，送風溫度為18℃；（5）假設每個機柜的負荷按各層數據單元均勻分布。

2.3 數學模型

數據中心機房內采用空調送回風冷卻機柜，機房內氣流實際上是湍流，本文計算的方法主要是采用平均湍流能量模型（k-ε雙方程湍流模型），控制方程為：

（1）連續性方程

（2）動量方程

式中，ρ為流體密度，p為靜壓，ijτ為粘性張力，ρgi為i方向的體積力，iF為由熱源引起的源項。

（3）能量守恒方程

式中，k為分子導熱率，k t為湍流擴散引起的導熱率，Sh為體積熱源。

2.4 邊界條件

邊界條件設置為：每臺中密度機柜散熱量為4.5kW，該機柜中布置9 臺處理器，處理器規格為2U/臺；每臺布線列頭柜散熱量為2kW；機柜的冷通道一側吸入處理后的冷空氣，熱通道一側排出熱量交換后的空氣；每臺空調散熱量為5.5kW，由空調機組均勻散熱至機房內；機房外側為走廊及其他房間，維護結構的傳熱量可不考慮；人員僅檢修時進入機房，人員散熱可不考慮；其他邊界條件如表2所示。

表2 模型邊界條件設定Table 2 Model boundary condition setting

3 網格劃分及模型求解

3.1 網格劃分與無關性檢驗

本文模型網格劃分采用六面體非結構化網格系統。與結構化網格相比，非結構化網格對于復雜幾何結構具有更強的適用性，且便于對局部網格進行加密和修改，模型的初始網格結構如圖3 所示。基于2.4 節提供的參數進行網格無關性檢驗。進行網格無關性檢驗時，取2.4m 高度處主要區域的4 個面積中心點溫度的平均值為指標。隨著網格數量的增加，相鄰兩網格數對應的該平均溫度的差值越來越小，結果如圖4 所示。當差值小于0.5℃時，認為模擬的結果趨于穩定，因此該工況的網格數取值為55 萬，以進行后續的模擬計算。

圖3 模型初始網格結構Fig.3 Initial grid structure of model

3.2 模型求解

Airpak 利用有限體積法，把計算區域劃分為離散的控制體積網格，在每個控制體積上積分控制方程，形成計算變量的代數方程。通過非結構化六面體網格的形式對數據機房進行網格劃分，模型網格數量551850。圖5 所示為計算模型的收斂曲線，迭代次數約185 次，速度和動量收斂值為10E-3，能量收斂值為10E-6。

圖5 計算模型收斂曲線Fig.5 Convergence curve of calculation model

4 結果與討論

4.1 長度X 方向溫度分布特性

圖6 所示為X=7.75m 處溫度分布云圖，該處截面位于第二個冷通道中間位置。由圖可知，封閉冷通道內溫度相對均勻，其平均溫度約20.1℃，絕大部分區域相差不超過1℃，達到工程設計預期，可給各機柜提供穩定的冷源環境。冷通道之外的溫度分布不均勻，機柜上方溫度約30℃～34.2℃，機柜右側溫度約28.3℃～30℃，左側溫度約30.5℃～34.2℃，高溫區域主要集中在上部偏左的位置，主要受空調回風口位置的影響和熱浮升力及照明燈具散熱的影響。

圖6 X=7.75m 處Y-Z 平面溫度場分布云圖Fig.6 Cloud chart of Y-Z plane temperature field at X=7.75m

圖7 所示為X=23.5m 處溫度分布（第6 個熱通道中間截面）。由圖可以發現，整個溫度截面形成了機柜左側區域溫度高于右側、上側溫度高于下側，溫度最高區域存在于中間偏上的特點。其原因首先是機柜相向排風、空氣受熱浮升力影響以及上部照明燈具散熱導致熱通道偏上部溫度較高；其次是精密空調都位于最左側，熱空氣由右側流向左側，圖7 較直觀的反映出氣流的大致流向；再次是每一排機柜的低功率列頭柜均位于機柜的最右側，同時房間的最右側有地板送風口而左側只有上部回風口，所以就形成了溫度左高右低、上高下低的分布特點。除去架空地板以下區域截面最低溫度27.5℃左右，最高溫度約34.8℃，整體平均溫度29.3℃，滿足人員短暫停留的要求。

圖7 X=23.5m 處Y-Z 平面溫度場分布云圖Fig.7 Cloud chart of Y-Z plane temperature field at X=23.5m

4.2 寬度Z 方向溫度分布特性

圖8 所示為Z=1.7m 處溫度截面，該截面位于精密空調與機柜之間的通道的中間。從截面中可以看出，由于受精密空調8+1 布置形式、氣流組織方式及空氣熱浮升力的影響，溫度分布呈下低上高的特點，左右方向上大致以最中間熱通道為基準對稱分布，從頂部向下延伸的34℃區域都是在空調回風口的上方。此區域未出現局部高溫點，整體在28℃至34.5℃之間，平均溫度為29.3℃，能夠滿足設計要求。

圖8 Z=1.7m 處X-Y 平面溫度場分布云圖Fig.8 Cloud chart of X-Y plane temperature field at Z=1.7m

圖9 所示為Z=5.55m 處溫度截面，該處為機柜正中間位置。由圖可知該處機房冷通道之外的大部分區域溫度在29.5℃～35℃之間，局部高溫位于機柜外側與熱通道交界處，但均沒有超過36.5℃，不影響機柜的正常運行；封閉冷通道內的溫度較均勻，在設計溫度21±1℃范圍內。

圖9 Z=5.55m 處X-Y 平面溫度場分布云圖Fig.9 Cloud chart of X-Y plane temperature field at Z=5.55m

圖10 所示為Y=2.4m 處溫度分布，此處距冷通 道頂部0.4m。由圖可知，封閉冷通道溫度都在 20.2℃左右，最大不超過21℃，冷通道內部的溫度 相對較均勻，達到預期效果；熱通道溫度分布不均 勻，溫度范圍為27-36℃，但除了機柜側面與熱通 道交界的某幾處存在超過35℃的溫度外其余均在 35℃以下，滿足機組穩定運行的溫度要求。

圖10 Y=2.4m 處X-Z 平面溫度場分布云圖Fig.10 Cloud chart of X-Z plane temperature field at Y=3.6m

4.3 高度Y 方向溫度分布特性

圖11 所示為Y=3.6m 處溫度分布，此截面與屋頂相距0.2m，由圖可明顯看出機房內空氣由熱通道流向精密空調回風口。因設置的空調運行臺數為8 用1 備，第5 臺空調設為了備用機，所以最中間的空調沒有顯示出回風的狀態。該截面最高溫度約34.9℃，基本都位于熱通道上方延伸到精密空調回風口處；平均溫度為32.3℃，在設計值32±1℃的范圍內，滿足設計要求。

5 結論

基于以上分析，該數據中心機房采用精密空調+地板送風+封閉冷通道的方案后，封閉冷通道平均溫度20.2℃左右，整體平均溫度29℃左右，封閉冷通道及熱通道平均溫度均低于設計預期21±1℃和32±1℃。整體最高溫度為37.6℃，僅存在于熱通道與機柜交界的某幾處，工作人員短暫停留不會對健康造成大的影響。綜上所述，精密空調+地板送風+封閉冷通道的空調方案能夠滿足設計要求，達到預期的降溫效果。