數(shù)據(jù)中心封閉冷熱通道數(shù)值模擬對比分析

李洪珠，段林潔

(1.筑博設(shè)計股份有限公司，廣東 深圳 518000；2.云南滇新能源有限公司，云南 昆明 650200)

數(shù)據(jù)中心的電子設(shè)備散熱問題一直是其發(fā)展的關(guān)鍵，機房的散熱冷卻是確保數(shù)據(jù)中心安全可靠運行的基本條件之一，通常需在機房內(nèi)安裝精密空調(diào)。對于數(shù)據(jù)中心而言，當(dāng)機房的設(shè)備“滿載”運行時，會有較大的發(fā)熱量，冷熱通道隔離封閉是機房節(jié)能減排的措施之一[1]。通過“熱通道”(Hot Aisle)和“冷通道”(Cold Aisle)的方式，改變以往數(shù)據(jù)中心機柜面朝同一方向擺放的做法，采用“面對面、背靠背”的機柜擺放方式，將冷、熱空氣分區(qū)，避免前排機柜排出的溫/熱空氣與冷空氣混合進入后排機柜，導(dǎo)致制冷效果降低的問題，提高了制冷效率[2]。

目前，數(shù)據(jù)中心一般采取封閉冷通道的形式，其示意圖如圖1所示。送風(fēng)方式為下送風(fēng)，冷風(fēng)流經(jīng)電子設(shè)備(布置在L、M、N和O機柜內(nèi))時對設(shè)備進行冷卻，熱風(fēng)通過布置在室內(nèi)的回風(fēng)口排出室外。另外，可將電子設(shè)備的主要散熱面相對組成的熱通道封閉，其示意圖如圖2所示，冷風(fēng)直接與設(shè)備散出的熱量混合，并送到室外。本文應(yīng)用數(shù)值模擬分析方法，計算這兩種情況下的室內(nèi)溫度分布，對比分析其制冷效果。

圖1 封閉冷通道示意圖

1 數(shù)學(xué)模型

本報告采用計算流體力學(xué)(CFD)方法進行模擬，所用軟件為FLUENT 13.0。

模擬中采用標準κ-ε模型求解建筑周邊的湍流流動，涉及到的控制方程主要包括：連續(xù)性方程、動量方程、能量方程，可以寫成如下通用形式：

圖2 封閉熱通道示意圖

式中各項依次為瞬態(tài)項、對流項、擴散項和源項，其中ρ為密度，t為時間，u為速度矢量，對于不同的方程?、Γ、S具有不同的形式計算流體力學(xué)的控制方程如表1所示：

表1 計算流體控制方程表

表1中各常數(shù)如下：

Cμ=0.0845，C1ε=1.42，C2ε=1.68，

αk=αε，由

其中α0=1.0。如果μ<<μeff，則αk=αε≈1.393；

其中η=Sk/ε，η0=4.38，β=0.012。

2 模擬結(jié)果及分析

由于數(shù)據(jù)中心一個機房面積較大，且機柜布置規(guī)整，本文僅截取兩個機柜對應(yīng)的室內(nèi)空間進行計算，其具體計算參數(shù)如下：

1)模型尺寸：兩列機柜(每列機柜寬0.6m，長度16×0.6m=9.6m，間距1.8m，高2.2m)

2)模型空間大?。?3.6m×4.8m×3m

3)機柜散熱量：2×16×7 kW=224 kW，單個機組散熱量112 kW

4)通風(fēng)量：300 m3/h×224=67200 m3/h

5)冷風(fēng)進風(fēng)溫度：18℃

2.1 封閉冷通道算例

封閉冷通道幾何模型如圖3所示。冷風(fēng)進風(fēng)口在封閉冷通道地板上，設(shè)備主要散熱面為紅色區(qū)域，所對應(yīng)的區(qū)域為熱通道，熱風(fēng)由室內(nèi)回風(fēng)口送出到室外。

圖3 封閉冷通道幾何模型示意圖

圖4 豎直截面室內(nèi)溫度分布

圖5 人行高度處(z=1.5m)處室內(nèi)溫度分布

通過計算，得到的豎直截面和人行高度處(z=1.5m處)的溫度分布如圖4、圖5所示?？梢钥闯觯渫ǖ纼?nèi)空氣溫度較低，在20℃左右。設(shè)備散出的熱量由熱通道擴散在室內(nèi)，大部分區(qū)域溫度在30℃左右，且由于熱浮升力的作用，隨著高度增加，溫度越高，最后通過室內(nèi)回風(fēng)口排出。在人行區(qū)域，部分位置氣溫達到40℃，將影響設(shè)備維護人員行走舒適。

2.2 封閉熱通道算例

封閉熱通道幾何模型如圖6所示。冷風(fēng)進風(fēng)口在封閉熱通道地板上，設(shè)備主要散熱面為紅色區(qū)域，所對應(yīng)的區(qū)域為熱通道，熱風(fēng)由頂部出風(fēng)口送出到室外。

圖6 封閉熱通道幾何模型示意圖

圖7 豎直截面室內(nèi)溫度分布

圖8 人行高度處(z=1.5m)處室內(nèi)溫度分布

通過計算，得到的豎直截面和人行高度處(z=1.5m處)的溫度分布如圖7、圖8所示?？梢钥闯?，熱通道內(nèi)設(shè)備散熱面附近空氣溫度較高，超過40℃。由于冷空氣直接與設(shè)備散熱面對流，其溫度下降梯度較為明顯，并直接由上面的出口流出，不影響室內(nèi)其他區(qū)域的溫度，封閉熱通道以外的區(qū)域室溫在20℃左右。

3 對比分析結(jié)論

本文通過模擬計算得到封閉冷通道和封閉熱通道的室內(nèi)溫度分布，封閉熱通道直接將冷風(fēng)與設(shè)備散熱面進行對流降溫，其制冷效果比較明顯，且數(shù)

據(jù)機房設(shè)備散熱量不影響室內(nèi)其他區(qū)域。但需注意的是，如果送風(fēng)口送風(fēng)出現(xiàn)問題，可能出現(xiàn)熱量快速積聚的問題，影響設(shè)備的運用。

[1] 姚岳飛,張力軍,蔣國民等.數(shù)據(jù)中心冷熱通道隔離封閉式機房的設(shè)計與實踐[J].機房技術(shù)與管理，2010，(2):24-26

[2] 黃群驥.機房內(nèi)冷熱通道氣流組織形式的評析[J].智能建筑與城市信息，2008，(7):19-22