數(shù)據(jù)機房冷通道應用的氣流模擬及熱性能分析*

劉義豐， 岳 暢， 張 泉， 楊學德， 廖曙光（.湖南省郵電規(guī)劃設計院有限公司，湖南長沙 06；.湖南大學土木工程學院，湖南長沙 008；.湖南一德正通機電成套設備有限公司，湖南長沙 00；.長沙麥融高科股份有限公司，湖南長沙 000）

數(shù)據(jù)機房冷通道應用的氣流模擬及熱性能分析*

劉義豐1， 岳 暢2， 張 泉2， 楊學德3， 廖曙光4
（1.湖南省郵電規(guī)劃設計院有限公司，湖南長沙 410126；2.湖南大學土木工程學院，湖南長沙 410082；3.湖南一德正通機電成套設備有限公司，湖南長沙 410023；4.長沙麥融高科股份有限公司，湖南長沙 410200）

以簡化的數(shù)據(jù)機房為對象，對冷通道封閉前后的熱環(huán)境進行計算流體力學模擬，采用供熱指數(shù)SHI和氣流分布系數(shù)RTI兩個熱環(huán)境評價指標，分析送風口與服務器之間以及送回風口之間冷量損失比例。模擬結果表明，冷通道封閉及未封閉的RTI指標分別為1.0、0.50～0.85，未封閉SHI指標表明有熱氣流摻混；冷通道封閉能最大限度地將冷空氣封閉在冷通道內(nèi)，有效地提高了冷量利用效率。

數(shù)據(jù)中心；冷通道封閉；計算流體力學；SH I；RTI

劉義豐（1978-），男，高級工程師，從事暖通、給排水的設計工作。

0 引 言

隨著信息技術的進步和社會對數(shù)據(jù)處理的需求，數(shù)據(jù)中心的建設迅猛發(fā)展，全球數(shù)據(jù)中心年耗電量已經(jīng)達到全球總耗電量的1.5%左右［1］，其規(guī)模和容量也在不斷擴大。數(shù)據(jù)中心內(nèi)有大量的IT設備不間斷運行，對運行環(huán)境的穩(wěn)定性和安全性有較高的要求，其中最重要的是使數(shù)據(jù)中心的機架服務器的空氣溫/濕度保持在一個安全的范圍，以防止芯片過熱、結露等狀況發(fā)生［2］。

為了保障數(shù)據(jù)中心向高熱密度發(fā)展后的正常運行，需要采取多種解決方案，常見的有氣流組織優(yōu)化、精確送風、水冷背板、通道封閉等［3］，其中較可靠、應用廣泛、效果較好的是通道封閉措施。通道封閉技術就是使吸入機柜的冷空氣與機柜排出的熱空氣相互分離，使其不再摻混，提高利用效率。通道封閉可以分為冷通道封閉與熱通道封閉兩種形式，其中冷通道封閉效果較好，應用更廣泛。

近年來，為了分析評價數(shù)據(jù)中心的熱環(huán)境，常通過計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）來進行數(shù)值模擬，相比于實驗手段具有成本低、時間短和結果直觀等優(yōu)勢，對于數(shù)據(jù)中心的氣流組織優(yōu)化有重要意義，是數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的主要評價手段［4］。

本文主要利用CFD軟件研究典型數(shù)據(jù)機房地板送風的熱環(huán)境狀況，模擬對比冷通道封閉前后的機房氣流組織與熱環(huán)境特性，并利用熱環(huán)境評價指標研究冷通道封閉所帶來的效率改善。

1 數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境評價指標

1.1 溫度

美國ASHRAE TC9.9［5］根據(jù)機架進風口的空氣溫度衡量數(shù)據(jù)中心的熱環(huán)境質(zhì)量，按照溫/濕度的要求分為A1～A4 4個不同等級，每個等級有各自的推薦范圍和允許范圍，如圖1所示。

圖1 美國ASHRAE推薦的數(shù)據(jù)中心溫濕度范圍

此外，國內(nèi)外學者還提出了一些評價數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的評價指標，其中較為廣泛使用的有供熱指數(shù)SHI、回熱指數(shù)RHI以及氣流分布系數(shù)RTI等。

1.2 供熱指數(shù)SHI和回熱指數(shù)RH I

SHI定義為冷空氣從送風口到機柜進風口處所吸收的熱量與冷空氣由送風口到機柜出風口所吸收熱量的百分比，可以反映冷空氣在被有效利用之前的冷量損失占使用后冷量損失的百分數(shù)，這個值越小，表示冷量損失越少；RHI為冷空氣在冷卻機柜所消耗的冷量占冷空氣從送風口到機柜出風口處總的冷量損失的百分比，即冷量真正被有效利用的部分所占的比例，該值越大，利用效率越高［6］。

式中：Tin---機柜進風口空氣溫度；

Tout---機柜出風口空氣溫度；

TS---空調(diào)送風口空氣溫度。

1.3 氣流分布系數(shù)RTI

RTI定義為機房空調(diào)送、回風溫差與機柜進、出口溫差之比［7］，RTI＜100%表示存在冷空氣旁送風，或熱氣流分散；RTI＞100%表示存在熱空氣回風。

式中：TR---空調(diào)回風口空氣溫度。

環(huán)境評價指標涉及的定義溫度參數(shù)的位置示意圖如圖2所示。

圖2 環(huán)境評價指標涉及的定義溫度參數(shù)的位置示意圖

2 模擬數(shù)據(jù)中心的物理模型

取某簡化的數(shù)據(jù)機房作為研究對象，模擬參數(shù)如表1所示。被測機房總面積為86.4 m2，機房內(nèi)機柜為42U服務器機柜，前后門均為網(wǎng)孔門，開孔率為64%。單機柜內(nèi)置10列4U服務器，其機柜以面對面形式擺放，形成冷熱通道。采用架空地板送風，空調(diào)末端設置在地板下，回風口設置在機架背部地板處，冷氣流通過機架正面地板處的送風口進入冷通道，熱氣流從機架背部地板處的回風口回風，形成下送下回的氣流組織形式。

數(shù)據(jù)中心機房平面及機柜布置示意圖如圖3所示。

根據(jù)簡化的數(shù)據(jù)機房及設備尺寸，利用CFD軟件建立機房三維模型，采用結構化六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元共25.3萬，流場求解采用RNG k-ε穩(wěn)態(tài)的湍流模型。

表1 數(shù)據(jù)機房模擬參數(shù)表

圖3 數(shù)據(jù)中心機房平面圖及機柜示意圖

3 模擬結果分析

3.1 機柜進排風溫度與風量

利用CFD模擬結果，截取數(shù)據(jù)機房截面圖以評價機房內(nèi)熱環(huán)境的情況。離地1 m處機房平面溫度云圖如圖4所示。由圖4可見，封閉前后冷通道溫度均明顯低于熱通道溫度，且絕大部分機柜進風溫度保持在25℃左右，但在未封閉的情況下，兩側房間的熱空氣進入冷通道兩側并與冷空氣發(fā)生摻混，導致兩側機柜進風溫度升高，排風溫度明顯高于其他機柜。封閉冷通道后，機柜得到的冷量更加充足，降低機柜排風溫度。此外，由于假設模擬處于理想狀況，冷通道封閉后不存在任何縫隙，因此冷通道內(nèi)的冷空氣與機房空氣沒有摻混，導致機房溫度分布均勻。

機房側面氣流分布矢量圖如圖5所示。由圖5可見，未封閉時機房氣流稍顯凌亂，空調(diào)送出的冷空氣僅有部分被服務器有效利用，而另一部分未經(jīng)利用直接流入機房頂部，再與服務器熱排風混合回到空調(diào)回風口。這不僅導致服務器不能吸入足夠的冷空氣，有過熱的危險，還會造成空調(diào)回風溫度偏低，降低制冷效率。冷通道封閉后，冷空氣均能被有效利用，避免了旁送風現(xiàn)象。

冷通道封閉前后機柜進風量的特性比較如圖6所示。由圖6可見，冷通道封閉時機柜進風量遠大于未封閉的進風量；在冷通道封閉情況下，封閉門和頂板阻斷了冷空氣直接流入機房的路徑，冷空氣完全被機柜所利用；在冷通道未封閉時，一部分供給機柜的冷空氣從頂部直接流入機房，導致機柜進風量大大減少，而兩側機柜存在熱空氣回風，因此進風量稍高于中部機柜，這也是圖4（a）服務器回風口的溫度大于冷通道封閉的溫度的原因。

圖4 離地1m處機房平面溫度云圖

圖5 機房側面氣流分布矢量圖（x=6 m）

圖6 冷通道封閉前后機柜進風量的特性比較

根據(jù)ASHRAE TC 9.9，設定進風溫度高于32℃時服務器過熱，溫度28～32℃時服務器運行良好，低于28℃服務器狀態(tài)為優(yōu)。服務器過熱模擬結果如圖7所示。由圖7可見，冷通道未封閉時的過熱情況明顯比封閉后的嚴重，且出現(xiàn)過熱的服務器集中在兩側冷熱氣流摻混嚴重的機柜；冷通道封閉防止了冷熱氣流摻混，機柜進風溫度均勻，服務器過熱現(xiàn)象消失。

圖7 服務器過熱模擬結果

3.2 供熱指數(shù)SHI與氣流分布系數(shù)RTI

由于SHI與RHI表征的物理意義相同，本文僅對供熱指數(shù)SHI進行分析評價。冷通道封閉前后SHI比較圖如圖8所示。由圖8可見，在冷通道未封閉時空調(diào)冷空氣與房間熱空氣在兩側機柜摻混，SHI接近0.25，部分冷量在服務器利用之前就被消耗，導致冷量利用效率偏低；冷通道中部沒有熱空氣滲透，因此中部機柜SHI指數(shù)趨于0。當冷通道封閉時，各機柜SHI指數(shù)均趨于0，說明在理想狀況下冷熱空氣沒有發(fā)生摻混，冷量利用效率很高。

圖8 冷通道封閉前后SHI比較

SHI只能表示冷空氣被服務器利用之前冷量的損失，無法表示冷空氣未被利用的情況，因此需要繼續(xù)分析氣流分布系數(shù)RTI。

冷通道封閉前后RTI比較圖如圖9所示。由圖9可見，冷通道未封閉時，各機柜氣流分布系數(shù)RTI均處于較低水平，中部機柜RTI最低，僅略高于0.5，說明在這種情況下大量冷空氣并未被服務器利用，而直接進入房間與熱空氣混合或通過回風口排出，旁送風現(xiàn)象嚴重；冷通道封閉后，各機柜RTI均趨近于1，說明冷空氣旁送風、熱空氣回風現(xiàn)象均未發(fā)生，冷通道封閉效果較好，冷量利用效率高。

圖9 冷通道封閉前后RTI比較

綜上，熱環(huán)境指數(shù)分析的結果與云圖觀察到的模擬結果相一致，確保了模擬的準確性與有效性，同時也證明了冷通道封閉措施對提高機房冷卻效率是有益的。

4 結 語

本文模擬了冷通道封閉前后的氣流組織及冷量應用狀況。模擬結果表明，冷通道封閉后提高了能源利用效率，避免冷空氣旁送風和冷熱氣流摻混帶來的冷量損失，確保服務器的低進風溫度，使其得到良好的冷卻，避免設備過熱所帶來的宕機等問題。

［1］ HAM SW，KIM M H，CHOI B N，et al. Simplified server model to simulate data center cooling energy consumption［J］.Energy and Buildings，2015（86）：328-339.

［2］ HASSAN N M S，KHAN M M K，RASUL M G. Tem perature monitoring and CFD analysis of data centre［J］.Procedia Engineering，2013（56）：551-559.

［3］ 陳杰.數(shù)據(jù)機房冷通道封閉技術應用及模擬分析［J］.暖通空調(diào)，2015（6）：43-46.

［4］ 沈恒.高熱密度數(shù)據(jù)中心機房散熱影響因素的研究［D］.上海：東華大學，2012.

［5］ ASHRAE Technical Comm itee（TC）9.9 M ission Critical Facilities，Technology Spaces，and Electronic Equipment.IT Equipment Thermal Management and Controls［G］.2012.

［6］ 高彩鳳，于震，吳劍林.典型數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境分析及氣流組織優(yōu)化［J］.暖通空調(diào)，2013，43（9）：101-106.

［7］ 朱江，于震，吳劍林.典型數(shù)據(jù)中心能耗及熱環(huán)境測試分析［J］.發(fā)電與空調(diào)，2012，33（6）：79-83.

Analysis of CFD Simulation and Thermal Performance for Cold Aisle Enclosure App lication in Data Center

LIU Yifeng1， YUE Chang2， ZHANG Quan2， YANG Xuede3， LIAO Shuguang4
（1.Hunan Post&Telecommunications Planning and Designing Institute Co.，Ltd.，Changsha 410126，China；2.Civil Engineering College of Hunan University，Changsha 410082，China；3.Hunan Yidezhengtong Mechanical and Electrical Equipment Co.，Ltd.，Changsha 410023，China；4.Changsha Maxxom High-tech Co.，Ltd.，Changsha 410200，China）

Based on a object of simplified data center，this paper simulated the thermal environment with and without the cold aisle enclosure by computational fluid dynamics（CFD）software.Two evaluation indexes of supply heating index（SHI）and return temperature index（RTI），are used to evaluate the loss ratio of the cooling capacity between supply-air inlets and servers，supply-air inlets and return-air outlets.The simulation results show that the RTI with and without the cold aisle enclosure is 1 and 0.50～0.85，respectively.The SHIwithout the cold aisle enclosure indicates the hot air mixing exists.The cold aisle enclosure can ensure the cold air into the cold aisle as much as possible，which improves the utilization efficiency of cooling capacity.

data center；cold aisle enclosure；com putational fluid dynam ics（CFD）；SHI；RTI

TU 832.1

A

1674-8417（2015）09-0001-05

2015 09 06

岳 暢（1991-），男，博士研究生，研究方向為數(shù)據(jù)中心氣流組織CFD模擬。

張 泉（1970-），男，教授，博士生導師，研究方向為數(shù)據(jù)中心氣流組織CFD模擬。

楊學德（1972-），男，從事數(shù)據(jù)中心方面的工作。

廖曙光（1973-），男，高級工程師，從事數(shù)據(jù)中心方面的工作。

國家國際合作項目（2015DFA61170）；湖南省重點項目（2013WK 2001）