某通信機房的溫度場及氣流組織研究

楊 慕,陳嘉偉，王駿超

(1.中國長城工業(yè)集團有限公司，北京 100054；2.中國船舶科學(xué)研究中心，無錫 214082)

某通信機房的溫度場及氣流組織研究

楊 慕1,陳嘉偉2，王駿超2

(1.中國長城工業(yè)集團有限公司，北京 100054；2.中國船舶科學(xué)研究中心，無錫 214082)

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)快速的發(fā)展，數(shù)據(jù)通信機房也面臨升級及改造?，F(xiàn)代數(shù)據(jù)通信機房的能量密度更大、故障應(yīng)急要求更高、節(jié)能指標(biāo)需求更強烈。針對以上需求，需要對通信機房的溫度場及氣流組織進行詳細(xì)的評估，以制定在經(jīng)濟和工程上合理的節(jié)能及故障處理方案。本文以典型的通信機房為研究對象，利用CFD軟件模擬溫度場及氣流組織分布，并模擬了空調(diào)故障后的機房情況，給出了在工程上合理的節(jié)能解決方案，對類似機房的節(jié)能方案設(shè)計的思路有一定參考意義。

通信機房；溫度場；氣流組織；節(jié)能

某通信機房在運行過程中，用戶對機房的氣流組織配置是否合理存在疑問，為了更清楚的掌握機房的運行情況，發(fā)現(xiàn)并排除可能存在的隱患，需對機房的空調(diào)配置及應(yīng)用情況做一個綜合測評，了解機房的溫度場分布情況，評估部分空調(diào)出現(xiàn)故障時機房的溫度場分布及對服務(wù)器安全運行的影響，并核算機房的熱負(fù)荷，評估機房的冷量是否足夠，氣流組織方案存在哪些問題，研究機房空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改進方案。

1 機房布置情況及分析

該通信機房構(gòu)造情況如圖1所示。主機房面積約450平方米，機房一面為外墻，兩面挨著走廊，另一面內(nèi)墻與隔壁機房相鄰。機房的布置情況見圖1。地板到天花板的高度約為4.5米，目前機房內(nèi)已安裝空調(diào)風(fēng)管、走線橋架以及消防、照明等配套基礎(chǔ)設(shè)施，機房內(nèi)無架空地板。

機房安裝有佳力圖空調(diào)5臺，其中3臺型號為9AU22，2臺型號為9AU18，采用風(fēng)管送風(fēng)方式，空調(diào)的擺放位置如圖1所示，目前部分機房設(shè)備采用統(tǒng)一朝向布置。

機房主要的熱負(fù)荷來源于設(shè)備的發(fā)熱量及圍護結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷，具體如下。

圖1 機房總體布置

1.1 機房主設(shè)備負(fù)載

機房的設(shè)備負(fù)載均由列頭柜接出，各列頭柜輸出的總電流如下：

直流列頭柜：375 A；

交流列頭柜：684 A；

因此，機房設(shè)備熱負(fù)荷 Q1：375A×48V+684A×220V=168.5 kW

1.2 機房建筑熱負(fù)荷

建筑負(fù)荷Q2=q×S=72kW

q——機房的夏季建筑負(fù)荷，按0.1～0.18 kW/m2估算，由于夏天室外環(huán)境溫度較高，且機房外墻有太陽直射，取偏大值160W/m2；

S——機房總面積，450 m2。

機房其它熱負(fù)荷還包括補充的新風(fēng)負(fù)荷、照明、人員的散熱等，這些值總量偏小，已包含在建筑熱負(fù)荷中進行測算。

機房總顯熱負(fù)荷為240.5 kW。查設(shè)備技術(shù)規(guī)格書得到，在環(huán)境溫度為22 ℃、相對濕度為50%的情況下，9AU22的顯冷量為70.7 kW，9AU18的顯冷量為55 kW，則當(dāng)前機房總顯冷量為322.1KW。目前機房冷量冗余量為(322.1-240.5)/240.5*100%=33.9%。根據(jù)《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》的要求，一般情況下需要制冷冗余20%～30%，所以目前的機房冷量冗余量基本滿足要求。

2 機房溫度場及氣流組織的數(shù)值模擬

2.1 控制方程

首先假設(shè)通信機房的密閉性都良好，那么機房內(nèi)氣體的流動問題必須滿足質(zhì)量守恒定律。在此模型中可以近似的將進入機房和回流的氣體看作為不可壓縮氣體，且機房屬于大尺度空間，所以氣體為湍流狀態(tài)[1]。

不可壓縮流體的瞬時控制方程為：

divu=0

(2.1)

式中，u、v、w表示x、y、z三個方向的速度分量，ρ為流體密度，p為流體壓力，v為運動粘性系數(shù)，t表示時間，f表示體積力。

若直接求解該瞬態(tài)方程，計算量十分巨大，并不適用于實際工程。而且機房為大尺度模型，人們更關(guān)心湍流引起的平均流場的分布狀況，所以可以采用Reynolds平均法[1-2]。

對不可壓縮流體的Navier-Stokes方程進行時間平均，得到RANS方程如下：

(2.2)

(2.3)

2.2 湍流方程

RANS方程中，雷諾應(yīng)力項屬于新增未知量，為使方程組封閉，需要引入湍流模型，假設(shè)流體按照該湍流模型運動[3]。

渦粘模型是一種工程中常用的湍流模型，它引入了湍流粘度，將湍流應(yīng)力表達為湍流粘度的函數(shù)。其中SSTk-ω應(yīng)用較為廣泛，其優(yōu)勢是在近壁自由流動中具有廣泛的應(yīng)用范圍與較高精度。SSTk-ω模型建立在Wilcoxk-ω模型和k-ε模型的基礎(chǔ)上，并考慮了交錯擴散的影響[4]。

(2.4)

其中，σω2=0.856，F(xiàn)1表示為：

(2.5)

(2.6)

由于考慮了交錯擴散項的影響，以及考慮湍流剪應(yīng)力而修改了湍動粘度公式等原因，其與Wilcoxk-ω模型相比，SSTk-ω模型在廣泛的流動域內(nèi)具有更高的精度與可信度，因此本文將采用SSTk-ω模型作為湍流模型。

2.3 求解方法

RANS方程并不封閉，因為連續(xù)性方程中不含有壓力項，在求解的變量方程以壓力和速度作為變量表達時，需要在滿足連續(xù)性方程的條件下，使壓力場的變化與速度場的變化耦合。因此選用PISO算法，PISO算法是SIMPLE算法的改進算法之一，該算法在SIMPLE算法的基礎(chǔ)上添加了一個修正步。盡管在每次迭代中需要涉及更多的計算，但是PISO算法提高了計算的收斂性，減少了達到收斂所需要的迭代次數(shù)[5-6]。

2.4 軟件模型建立

本文利用6SigmaDC軟件建立如圖2所示的機房模型。

圖2a中藍色表示設(shè)備前門，即進風(fēng)方向；紅色表示設(shè)備后門，即出風(fēng)方向。從圖中可以看出，各列機柜沒有設(shè)置冷熱通道分離，因此容易出現(xiàn)前排設(shè)備排出的熱氣流會直接進入后排設(shè)備的正面進風(fēng)口，導(dǎo)致后排設(shè)備溫度偏高而出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。

圖2b中不同顏色代表不同負(fù)載分布，藍色表示發(fā)熱量最小，紅色表示發(fā)熱量最大。圖中依次標(biāo)注了1至5號空調(diào)機柜，1至3號是制冷量位，4號和5號是制冷量位。通過CFD仿真發(fā)圖中4號和5號空調(diào)機組附近部分機柜發(fā)熱量較大且分布相對集中，這幾列機柜出現(xiàn)局部過熱的可能性比較大，應(yīng)該調(diào)整風(fēng)道風(fēng)口布置，加大對這幾列機柜的送風(fēng)量[1]。

(a) (b)圖2 機房模型

3 CFD仿真及結(jié)果分析

3.1 氣流組織仿真

圖3為通信機房的回風(fēng)氣流組織圖，各空調(diào)的回風(fēng)氣流通暢無阻擋，但是回風(fēng)覆蓋范圍和距離很短，甚至未到機房中部位置?？照{(diào)安裝在機房一側(cè)，遠(yuǎn)端機柜的回風(fēng)距離本來就長(約20米)，回風(fēng)氣流的特點是流速衰減很快，如果沒有熱風(fēng)引流措施回到空調(diào)，很容易導(dǎo)致遠(yuǎn)端設(shè)備氣流換氣速度下降，熱量堆積，從而形成局部過熱。

目前機房解決回風(fēng)的辦法是在機房中間過道附近，增加幾個軸流風(fēng)機來加強回風(fēng)，效果上看不失為一種方法。

圖3 機房氣流組織仿真圖

3.2 溫度場分布仿真

圖4為通信機房溫度場模擬結(jié)果，從上面的溫度場分布圖可以看出，整個機房的溫度情況較好，溫度絕對值和場地分布狀況都不錯。各機柜的進風(fēng)溫度基本都在21℃至22℃之間，頂部的溫度稍高，距地面1米處的溫度相對較低。機房溫度較高的區(qū)域主要分布在4號和5號空調(diào)器附近，個別機柜出風(fēng)溫度達30℃。對比圖2b機柜的熱負(fù)荷分布圖可以看出，這部分機柜的發(fā)熱量很大，而制冷量沒有相應(yīng)增加。

從現(xiàn)場情況來看，由于幾臺空調(diào)共用靜壓箱進行送風(fēng)，提升了空調(diào)的備用性和房間溫度的安全性。但由于回風(fēng)口面對的機柜情況不同，因此，不同空調(diào)發(fā)生故障時，產(chǎn)生的效果不會完全一樣。由于4號和5號空調(diào)正對的機柜發(fā)熱量較大，這兩臺空調(diào)發(fā)生故障時，可能會對這幾列機柜的氣流組織產(chǎn)生較大影響，我們可以通過CFD 進行模擬分析。

3.3 空調(diào)故障后機房溫度場分析

圖5為4號空調(diào)器故障后的機房溫度場分布，根據(jù)上述兩個高度溫度場分布圖，當(dāng)4號空調(diào)出現(xiàn)故障關(guān)機時，其正對的幾列機柜區(qū)域均出現(xiàn)過熱，局部溫度甚至達到35℃。機房對應(yīng)的1米溫度場受熱氣流上升的影響，溫升現(xiàn)象明顯。這部份機柜本身熱負(fù)荷大，所以4號空調(diào)故停機對影響尤其明顯。

同理，可以模擬5號空調(diào)器故障關(guān)閉后房間的溫度場，模擬發(fā)現(xiàn)機房上部3米處的溫升區(qū)域(24℃～28℃)更廣泛。原因是風(fēng)管不能實現(xiàn)完全的均壓分流作用，因此單臺空調(diào)故障時的影響并不一樣。

上面的故障模擬針對4號和5號空調(diào)器，用于評估出現(xiàn)故障時局部區(qū)域機房的運行情況比較有典型意義。

(a)1m高處 (b)3米高處圖4 機房溫度場模擬結(jié)果

(a)1m高處 (b)3米高處圖5 4號空調(diào)故障后機房溫度場模擬

4 優(yōu)化方案設(shè)計

通過CFD仿真可以看出目前機房中存在著局部機柜溫度過高的情況，導(dǎo)致這種情況的主要原因有兩個：(1)機柜布局不合理，部分前后列機柜進出口氣流短路，導(dǎo)致部分設(shè)備溫度偏高；(2)空調(diào)風(fēng)管送風(fēng)口位置和數(shù)量分布不合理，未能根據(jù)各列機柜的不同熱負(fù)荷進行有效和針對性地調(diào)整。

為降低局部熱點的溫度，同時考慮到機房改造方案操作的可行性，采取移動機房當(dāng)前的風(fēng)管風(fēng)口位置的辦法。同時可將風(fēng)口形式改為雙層百葉或帶調(diào)節(jié)閥，針對各機柜不同熱負(fù)荷特點進行風(fēng)量配置，提高進口冷氣流的利用率。

該方案不動原來的各風(fēng)管，只對風(fēng)管上的風(fēng)口位置和數(shù)量進行調(diào)整，調(diào)整后的布局平面如圖6所示，高熱負(fù)荷區(qū)域增加風(fēng)口，低熱負(fù)荷區(qū)域關(guān)閉、減少送風(fēng)口。圖中綠色風(fēng)口為新增，藍色風(fēng)口為關(guān)閉。

圖7為優(yōu)化后的房間溫度場分布，從圖上的溫度場分布來看，調(diào)整后機房高熱負(fù)荷區(qū)域平均溫度略降，過熱點明顯減少，低熱負(fù)荷區(qū)域并未因為風(fēng)口減少而出現(xiàn)溫度明顯上升的情況，整體溫度場更均勻。

圖8模擬了機房中冷量最大的空調(diào)4號停機備用時機房的運行情況。由于4號和5號空調(diào)器面對的區(qū)域為熱負(fù)荷較高的區(qū)域，因此這兩臺空調(diào)其中一臺停機備用或出現(xiàn)故障時，機房的溫度情況如何，具有代表性的參考價值。

從圖8的溫度場分布來看，各區(qū)域的溫度場較之未調(diào)整風(fēng)口布置時的溫度場更加均衡，各機柜的進風(fēng)溫度基本都能滿足要求。同理可以模擬5號空調(diào)器故障后的情況。

圖6 優(yōu)化后的風(fēng)口布置圖

(a)1m高處 (b)3米高處圖7 優(yōu)化后機房溫度場模擬

(a)1m高處 (b)3米高處圖8 優(yōu)化后4號空調(diào)故障后機房溫度場模擬

從上面的模擬可見，經(jīng)過風(fēng)管風(fēng)口的調(diào)整，對各區(qū)域的送風(fēng)量根據(jù)熱負(fù)荷的大小進行合理配置，使得各區(qū)域的冷量分配更合理，整體溫度場更好，此種改造思路可行。并且改造后，冷量最大的4號或5號空調(diào)故障或停機備用時機房基本可以運行在安全范圍內(nèi)，因此其它空調(diào)出現(xiàn)故障時對機房的影響基本不大。

5 結(jié)論及建議

通過對機房目前溫度場及氣流組織模擬分析，以及對各種可能出現(xiàn)的空調(diào)故障(或停機備用)時機房設(shè)備運行情況的模擬，得出了相關(guān)結(jié)論及建議總結(jié)。

通過CFD軟件對機房進行評估，發(fā)現(xiàn)該機房存在以下問題：

(1)熱負(fù)荷分析。當(dāng)前機房空調(diào)冷量配置有一定的冗余，但余量較大，考慮空調(diào)在多年運行后的制冷量衰減，該機房在停用一臺空調(diào)后的余量仍有25%左右。

(2)機房擺放位置。分析機房部分機柜設(shè)備采用統(tǒng)一朝向布置，這種擺放方式部分機柜會出現(xiàn)前排設(shè)備排出的熱風(fēng)會進入后排機柜的正面，設(shè)備進出風(fēng)口的氣流短路會直接導(dǎo)致機房局部過熱的現(xiàn)象。

(3)溫度場及氣流組織分析。通過對現(xiàn)有機房的溫度場及氣流組織模擬分析，4號、5號空調(diào)正對部分機柜發(fā)熱量較大且分布相對集中，這幾列機柜出現(xiàn)局部過熱的可能性比較大，應(yīng)該調(diào)整風(fēng)道風(fēng)口布置，加大對這幾列機柜的送風(fēng)量。

(4)空調(diào)故障分析。由于目前各風(fēng)管各風(fēng)口分部均勻，熱負(fù)荷高的區(qū)域并未相應(yīng)增加風(fēng)量和冷量供應(yīng)，導(dǎo)致在4號或5號空調(diào)出現(xiàn)故障時，機房中部分機柜會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，溫度最高可達40℃。

(5)機房風(fēng)管問題分析。機房中各風(fēng)管的風(fēng)口分布均勻，未能根據(jù)機柜熱負(fù)荷進行有效的風(fēng)量和冷量配置，使得氣流的利用效率下降，并且為了維持高負(fù)荷區(qū)域的溫度，而增加了總風(fēng)量和冷量的輸出，浪費了電能。

建議對該機房采取以下節(jié)能方案或措施：

(1)采用原來送風(fēng)支管，調(diào)整部分風(fēng)口位置，移走過道中間的風(fēng)機。同時把送風(fēng)口的形式改為雙層百葉方式，根據(jù)各區(qū)域負(fù)荷特點進行靈活調(diào)整送風(fēng)面積大小。

(2)根據(jù)當(dāng)前機房冷量配置，以及對風(fēng)口進行改造后，對各臺空調(diào)進行停機備用測試。同時為增加運行的可靠性，建議對各臺空調(diào)進行群控管理，當(dāng)機房溫度升高到設(shè)定點，或發(fā)生重大報警時，備用空調(diào)能自動啟動運行。

(3)目前機房設(shè)備采用同一朝向的布置方式，前面的模擬結(jié)果表明對設(shè)備的影響較大，建議在后續(xù)新建機房設(shè)備采用面對面、背對背的冷/熱通道形式。

[1]陳嘉偉.數(shù)據(jù)通信機房的熱環(huán)境研究[D].青島：中國海洋大學(xué),2014.

[2]李倩.通信機房熱環(huán)境的模擬及測量方式的改進[D].青島：中國海洋大學(xué),2014.

[3]陳杰.數(shù)據(jù)機房冷通道封閉技術(shù)應(yīng)用及模擬分析[J].暖通空調(diào),2015(6):37-40.

[4]沈向陽,陳嘉澍.數(shù)據(jù)機房冷區(qū)內(nèi)氣流組織的優(yōu)化[J].流體機械,2014(3):71-75.

[5]安真.某高密度數(shù)據(jù)機房解決方案淺析[J].暖通空調(diào),2014(10):38-40.

[6]張愷,張小松.地板送風(fēng)數(shù)據(jù)機房空調(diào)系統(tǒng)氣流組織的優(yōu)化[J].東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2016(1):62-69.

(責(zé)任編輯 趙冰)

Research on Temperature Field and Airflow Distribution of a Data Center

YANG Mu1, CHEN Jia-wei2, WANG Jun-chao2

(1.China Great Wall Industry Corporation, Beijing 10054, China;2.China Ship Scientific Research Center, Wuxi Jiangsu 214082, China)

With the rapid development of network communication technology, the data communication centers need transformation. Modern data communication centers have greater energy density and require higher level of emergency measurement. At the same time, the operators have stronger demand for energy-saving. For these needs, we should do detailed study on the air distribution and temperature field of data communication to make economically reasonable solutions of energy-saving and troubleshooting. In this paper, a typical date center is chosen as the research goal, and CFD software is used to simulate airflow distribution and temperature field. This paper gives a reasonable energy saving solutions in engineering. This design ideas and methods of data center energy-saving program are meaningful for the similar situation.

data center; temperature field; airflow distribution; energy saving

2016-10-18

楊慕(1990—)， 女，河南鄭州人，北京大學(xué)軟件工程碩士，中國長城工業(yè)集團有限公司工程師，主要從事通信電子、流體力學(xué)等方面的研究。

10.13783/j.cnki.cn41-1275/g4.2016.06.024

TU834

A

1008-3715(2016)06-0123-06