數(shù)據(jù)中心用列間空調(diào)的優(yōu)化布局方案研究

（上海郵電設(shè)計(jì)咨詢研究院有限公司，上海 200082）

數(shù)據(jù)中心用列間空調(diào)的優(yōu)化布局方案研究

原世杰

（上海郵電設(shè)計(jì)咨詢研究院有限公司，上海 200082）

為研究列間空調(diào)在機(jī)柜列內(nèi)的合理位置布局以提高冷量利用率，本文對(duì)某工程實(shí)例基于實(shí)地查勘數(shù)據(jù)采用專業(yè)的CFD模擬軟件建立起仿真模型進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析當(dāng)前建設(shè)方案的可優(yōu)化之處，進(jìn)而研究了兩種調(diào)整方案并與原方案展開了橫向?qū)Ρ?。綜合3種建設(shè)方案的結(jié)果得出優(yōu)化方案以對(duì)相關(guān)類似建設(shè)工程提供有益參考。

列間空調(diào)；數(shù)據(jù)中心；數(shù)值模擬；建設(shè)方案

通信業(yè)務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展使得數(shù)據(jù)中心等通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢(shì)[1]。模塊化數(shù)據(jù)中心作為一種快速部署、深度定制的全新解決方案而備受關(guān)注。列間空調(diào)機(jī)組前側(cè)送風(fēng)、冷空氣直接靠近熱源、送風(fēng)距離大大縮短，減少了氣流沿程損失，冷量利用率較高[2]?；谄洫?dú)特的布局方案、高效的送回風(fēng)路徑以及高度集成的優(yōu)勢(shì)目前被廣泛應(yīng)用于模塊化數(shù)據(jù)機(jī)房中來充分實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊化數(shù)據(jù)機(jī)房的設(shè)備安全、高效冷卻的控制目標(biāo)。實(shí)際上，列間空調(diào)的工作情況將對(duì)模塊化數(shù)據(jù)中心整體運(yùn)行產(chǎn)生影響，其合理布局即是其中的重要方面[3，4]。

目前，列間空調(diào)在實(shí)際的工程建設(shè)實(shí)踐中的配置布局及送回風(fēng)路徑控制存在不同建設(shè)方案。由于工程建設(shè)中，只能選擇其中一種方案進(jìn)行建設(shè)，通常采用之前已經(jīng)有實(shí)例應(yīng)用的、認(rèn)為是可靠的建設(shè)方案進(jìn)行。實(shí)際上，我們可以在保障安全可靠的前提下追求更優(yōu)化的解決方案，包括設(shè)備廠商等機(jī)構(gòu)曾提議的更加針對(duì)性和高效建設(shè)布局方案，但實(shí)際運(yùn)行效果就無法知曉。與此同時(shí)，業(yè)主更關(guān)心的是如何通過優(yōu)化來提高機(jī)房整體的運(yùn)行效率、便于運(yùn)維管理和降低能耗。但各個(gè)不同的配置方案的運(yùn)行效果差異無法在短期內(nèi)通過實(shí)踐來檢驗(yàn)。為充分研究列間空調(diào)不同布局方案的冷卻效果本文擬于采用數(shù)值模擬——這一方便快捷、高效準(zhǔn)確的手段進(jìn)行預(yù)測(cè)和探討。

基于此，本文對(duì)某采用常規(guī)列間空調(diào)布局方案的工程項(xiàng)目實(shí)例利用針對(duì)數(shù)據(jù)中心專業(yè)成熟的CFD模擬軟件建立數(shù)值模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析其存在的不足之處，針對(duì)模擬結(jié)果所顯現(xiàn)出的問題重新建立可采用的改進(jìn)建設(shè)方案布局并進(jìn)行模擬研究，對(duì)改進(jìn)方案與原常規(guī)列間空調(diào)建設(shè)方案進(jìn)行對(duì)比，分析計(jì)算的數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)和處理。

1 工程概況

本文以某運(yùn)營商的某數(shù)據(jù)機(jī)房為研究對(duì)象。該機(jī)房位于二層，面積134.5 m2，設(shè)有4列共計(jì)40臺(tái)機(jī)柜，單機(jī)柜發(fā)熱量4 kW。經(jīng)計(jì)算設(shè)備發(fā)熱量約為180 kW。機(jī)房采用列間空調(diào)加封閉冷池的建設(shè)方案，考慮20%富余量計(jì)算空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷180×1.2=216 kW，設(shè)置28 kW×8臺(tái)列間空調(diào)，每列2臺(tái)，共計(jì)8臺(tái)，按使在各列機(jī)柜盡量均勻分布的原則布置。

2 原方案模擬研究與分析

2.1 模型建立及數(shù)值計(jì)算

該工程項(xiàng)目采用列間空調(diào)正對(duì)排列同時(shí)封閉冷池的建設(shè)方案。具體地，列間空調(diào)正對(duì)排列且均布于機(jī)柜列中。列間空調(diào)作為一種采用新型冷量輸運(yùn)方式的空調(diào)系統(tǒng)，具有送風(fēng)路徑短、冷氣流利用效率高、回風(fēng)溫度較高等優(yōu)勢(shì)。實(shí)際應(yīng)用過程中，受到機(jī)柜布局?jǐn)?shù)量和位置、各機(jī)柜內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量情況差異、空調(diào)機(jī)組可擺放位置等多方面限制，部分工程中氣流運(yùn)行情況會(huì)偏差很大而影響冷量的利用，宜采用專業(yè)模擬軟件進(jìn)行預(yù)測(cè)和探討來指導(dǎo)工程實(shí)踐，以實(shí)現(xiàn)合理空調(diào)位置布局來充分保證對(duì)模塊化數(shù)據(jù)機(jī)房的設(shè)備安全高效冷卻的控制目標(biāo)。

根據(jù)工程實(shí)例建立數(shù)值計(jì)算模型，數(shù)據(jù)機(jī)房門氣密性良好，無外窗，機(jī)房內(nèi)氣流流動(dòng)屬于大空間流動(dòng)問題，因此選用針對(duì)高雷諾數(shù)的湍流計(jì)算模型標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，該模型廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)領(lǐng)域，尤其是在室內(nèi)熱環(huán)境的數(shù)值模擬中得到大量的應(yīng)用。

控制方程及湍流方程條件作為后續(xù)數(shù)值模擬研究的理論基礎(chǔ)支撐。后續(xù)將全部基于該控制方程進(jìn)行數(shù)值模型建立與計(jì)算求解。

按照機(jī)房實(shí)際布局及空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置情況建立三維物理模型如圖1(a)， 按照此圖將機(jī)房內(nèi)機(jī)柜列從左至右分別記為E、H、L、O列，每列10臺(tái)機(jī)柜（包含一臺(tái)列頭柜），各列機(jī)柜依次標(biāo)記為E3、E4、E5……，列間空調(diào)分別記為ACU01、ACU02、ACU03……ACU08。具體標(biāo)注情況如圖1(b) 常規(guī)建設(shè)方案的示意圖。對(duì)建立起的數(shù)值模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格檢查和計(jì)算求解，經(jīng)計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬軟件機(jī)進(jìn)行大規(guī)模迭代計(jì)算，經(jīng)過1 103步收斂，計(jì)算終止結(jié)束。后續(xù)進(jìn)行計(jì)算模型的后處理并選擇重要所需的研究云圖和氣流流線圖進(jìn)行輸出。

2.2 模擬結(jié)果與問題分析

2.2.1 各機(jī)柜平均出口溫度及機(jī)房溫度云圖結(jié)果

圖1 建模三維圖及各方案建設(shè)布局示意圖

溫度云圖可直觀展現(xiàn)機(jī)房部分平面位置的機(jī)房環(huán)境溫度控制結(jié)果。為充分涵蓋顯示機(jī)房內(nèi)不同層面的溫度分布結(jié)果，本研究取平行于地面2個(gè)平面位置：（1）機(jī)柜半高平面（稍低于運(yùn)維人員感官直接感受的高度位置）；（2）機(jī)柜頂部平面（距機(jī)柜頂面向下0.2 m），主要是為評(píng)測(cè)機(jī)房回風(fēng)氣流層面的溫度場(chǎng)。綜合分析機(jī)柜中部、機(jī)柜頂部平面位置溫度場(chǎng)可在一定程度上呈現(xiàn)機(jī)房水平方向的熱環(huán)境。根據(jù)計(jì)算輸出結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：臨近列間空調(diào)兩側(cè)的機(jī)柜平均出風(fēng)溫度相對(duì)較高，冷量利用效果不夠好，各列中間部位排熱效果不夠理想，而臨近列間空調(diào)位置的機(jī)柜也位于中部。

2.2.2 氣流流線分布分析

為進(jìn)一步研究出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因，重新對(duì)整個(gè)機(jī)房的氣流組織進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析研究輸出的氣流流線的模擬結(jié)果，從機(jī)房整體氣流運(yùn)動(dòng)情況上來考量上述建設(shè)方案潛在的問題之處。氣流流線圖能基于氣流實(shí)際走向路徑對(duì)氣流流向、氣流混合和耗散運(yùn)動(dòng)進(jìn)行可視化呈現(xiàn)機(jī)房內(nèi)送回風(fēng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、溫度等方面內(nèi)容。

圖2 各方案數(shù)值模擬結(jié)果示意圖

常規(guī)建設(shè)方案的氣流流線結(jié)果圖可見圖2中A-2，首先觀察機(jī)房內(nèi)氣流組織的整體情況：各列冷通道內(nèi)的中部位置出現(xiàn)氣流不規(guī)則摻混和自渦旋現(xiàn)象，易于導(dǎo)致冷氣流在渦旋過程中消耗掉風(fēng)機(jī)動(dòng)壓產(chǎn)生的動(dòng)能而無法進(jìn)入機(jī)柜冷卻設(shè)備導(dǎo)致的冷量損失比較突出。這也從機(jī)房內(nèi)整體的溫度云圖結(jié)果可以看出。各列機(jī)柜中部位置機(jī)柜背面的冷風(fēng)出風(fēng)等溫波動(dòng)面較小，對(duì)比可知冷氣流在冷通道內(nèi)已經(jīng)顯現(xiàn)衰減，進(jìn)而容易出現(xiàn)冷短路導(dǎo)致散熱不暢，這一結(jié)果需要引起注意。若存在大功耗機(jī)柜尤其需要注意盡量不要安裝在機(jī)柜中部位置處，因?yàn)閺哪M結(jié)果中我們也可以看出中部本身熱量有堆積需要向四周擴(kuò)散并且氣流運(yùn)動(dòng)受限極易于出現(xiàn)自渦旋而白白損失冷量和動(dòng)能最終導(dǎo)致比較大的內(nèi)耗。

2.3 主要問題歸納

綜合上述分析可知列間空調(diào)均勻分布在機(jī)柜列中的排列方式對(duì)氣流冷量導(dǎo)向性并不明確，跟源于各列機(jī)柜氣流運(yùn)動(dòng)傳熱路徑不同，雖然列間空調(diào)能夠在送風(fēng)路徑上縮短，但是在機(jī)柜列中的位置布局在一定的情況下可能會(huì)對(duì)散熱路徑及熱風(fēng)運(yùn)動(dòng)造成干擾。若列間空調(diào)的布局能引導(dǎo)更加高效的氣流運(yùn)動(dòng)以更加低的冷量內(nèi)損耗來對(duì)冷量利用產(chǎn)生較好的促進(jìn)作用。因此我們研究列間空調(diào)的最佳布局方案來最大限度的發(fā)揮其冷量傳輸優(yōu)勢(shì)。

3 改進(jìn)方案模擬研究與對(duì)比

3.1 改進(jìn)方案說明

為解決和緩解上述易于出現(xiàn)的問題，同時(shí)參考工程實(shí)踐及相關(guān)廠商機(jī)構(gòu)提出的列間空調(diào)布局建設(shè)方案，即試圖通過調(diào)整列間空調(diào)排列布局來調(diào)控氣流組織運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)路徑，進(jìn)而控制冷氣流能夠全部或者絕大部分直接進(jìn)入機(jī)柜帶走熱量散熱冷卻而減少不必要冷量損耗和能量內(nèi)耗。為檢驗(yàn)其效果如何，本研究提出兩個(gè)改進(jìn)的建設(shè)方案并進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬研究來驗(yàn)證其是否有效及效果如何。具體地，方案B：將列間空調(diào)ACU03調(diào)到原機(jī)柜H4位置，將列間空調(diào)ACU04調(diào)整到原機(jī)柜位置H13位置，在原列間空調(diào)位置布置機(jī)柜；另外兩列機(jī)柜按此原則進(jìn)行調(diào)整位置重新調(diào)整布放；方案C：將列間空調(diào)ACU01調(diào)到原機(jī)柜E2位置，將列間空調(diào)ACU02調(diào)整到原機(jī)柜位置E13位置，在原列間空調(diào)位置布置機(jī)柜；將列間空調(diào)ACU03調(diào)到原機(jī)柜H2位置，將列間空調(diào)ACU04調(diào)整到原機(jī)柜位置H13位置，在原列間空調(diào)位置布置機(jī)柜；另外2列機(jī)柜均按此原則進(jìn)行調(diào)整位置重新調(diào)整布放。調(diào)整后的建設(shè)方案如圖1(c)、(d)所示。

方案總結(jié)如下：方案A（原建設(shè)方案）：列間空調(diào)基本均布（正對(duì)）；方案B列間空調(diào)交錯(cuò)（斜對(duì)）；方案C列間空調(diào)接近列頭分布（正對(duì)）。數(shù)值模型的建立結(jié)果如圖1所示。對(duì)重新建立起的數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行模擬研究和計(jì)算求解。

3.2 結(jié)果對(duì)比研究

3.2.1 氣流流線分布結(jié)果

為從氣流組織及氣流運(yùn)動(dòng)路徑追蹤角度來研究各列間空調(diào)建設(shè)方案的溫度控制結(jié)果，對(duì)比各研究方案的差異與優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)對(duì)常規(guī)方案及改進(jìn)方案的氣流模擬結(jié)果進(jìn)行橫向?qū)Ρ?。重點(diǎn)關(guān)注氣流運(yùn)動(dòng)軌跡、是否出現(xiàn)自渦旋、是否出現(xiàn)氣流無規(guī)則摻混和渙散、氣流徑直溢出等不利于充分利用冷量的因素。

自渦旋是氣流組織的一大禁忌，尤其是對(duì)于機(jī)房內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)這類大空間空氣流動(dòng)以及機(jī)柜冷卻需求較高的建筑物，無法將冷量充分利用而造成極大的內(nèi)耗是一種嚴(yán)重的損失。有效避免和減少冷量和風(fēng)量的損耗，而最終大幅度提高制冷系統(tǒng)的效率，也是機(jī)房環(huán)境溫度控制的重要方向。

方案B將列間空調(diào)調(diào)整為斜對(duì)排列，減弱了出風(fēng)氣流的對(duì)沖運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致氣流路徑不規(guī)則運(yùn)動(dòng)結(jié)果，比較突出的問題是在兩組冷通道內(nèi)出現(xiàn)了不少于4處的氣流渦旋現(xiàn)象，這部分氣流自循環(huán)沒有進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)冷卻設(shè)備造成極大的內(nèi)耗。方案C氣流流線清晰，氣流運(yùn)動(dòng)規(guī)律規(guī)則，進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)氣流流量均勻分布，出風(fēng)流線顏色。綜合對(duì)比上述3個(gè)建設(shè)方案，方案C能較好的充分利用氣流運(yùn)動(dòng)。方案C比較接近理想狀態(tài)，預(yù)計(jì)保障設(shè)備高效穩(wěn)定運(yùn)行的效果較好。

3.2.2 機(jī)柜出風(fēng)溫度及機(jī)房溫度云圖結(jié)果

作為機(jī)房整體溫度控制結(jié)果的重要體現(xiàn)，現(xiàn)在對(duì)機(jī)房溫度云圖進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)其中存在的問題。溫度云圖對(duì)比結(jié)果詳見圖2中左列云圖，該圖呈現(xiàn)了各列機(jī)柜出風(fēng)溫度結(jié)果情況。分析研究可以發(fā)現(xiàn)圖2中C-1各列機(jī)柜出風(fēng)測(cè)沿機(jī)柜列方向出風(fēng)等溫面呈現(xiàn)出接近正態(tài)分布的出風(fēng)弧面，尤其對(duì)能夠較好的滿足各列機(jī)柜中部的散熱需求保障該位置安全高效運(yùn)行。并且前述已經(jīng)分析到，相對(duì)于方案B方案C氣流組織更加均勻，充分利用氣流運(yùn)動(dòng)進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)冷卻設(shè)備，更加直接高效的冷卻設(shè)備，但是前述分析氣流組織情況還不夠理想，有待于優(yōu)化。

4 結(jié)束語

模塊化數(shù)據(jù)中心建設(shè)方案正在受到運(yùn)營商等建設(shè)單位越來越廣泛的關(guān)注和重視。列間空調(diào)作為機(jī)房溫控的基礎(chǔ)設(shè)施其重要性也是不言而喻的。因此本文以列間空調(diào)在機(jī)柜列的排列布局為切入點(diǎn)研究其最佳的建設(shè)布局方案來充分發(fā)揮列間空調(diào)的優(yōu)勢(shì)和作用。通過數(shù)值模擬這一高效、準(zhǔn)確的研究手段我們可以得出初步結(jié)論：對(duì)于列間空調(diào)結(jié)合封閉冷池這類基本建設(shè)方案，不同列間空調(diào)排列位置會(huì)對(duì)機(jī)柜出風(fēng)溫度控制結(jié)果、機(jī)房能熱環(huán)境情況及氣流運(yùn)動(dòng)氣流組織產(chǎn)生一定的影響，模擬研究的結(jié)果呈現(xiàn)出采用方案C的機(jī)房氣流流線清晰，氣流運(yùn)動(dòng)規(guī)律規(guī)則，進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)氣流流量均勻分布，更有利于冷量充分利用；機(jī)房熱環(huán)境均勻，是較高效的建設(shè)方案。本文研究結(jié)果可對(duì)相關(guān)工程實(shí)踐及類似工程項(xiàng)目建設(shè)提供有益參考。

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Optimized program study of in-row air conditioning used in data center

YUAN Shi-jie(Shanghai Posts&Telecommunications Designing Consulting Institute Co., Ltd., Shanghai 200082, China)

To make sure the most reasonable position within the column between the air conditioning in the cabinet layout in order to improve the cooling effect and capacity utilization, this paper use a professional CFD simulation software to establish simulation model for the numerical simulation research based on field survey data of a real project example, analyzing the optimized program built on the current construction project, and two adjustment plans were studied and compared with the original plan for lateral comparison. Comprehensive results from above three construction scheme we can provide useful reference for similar construction project .

in-row air conditioning; data center; numerical simulation; construction scheme

TN915

A

1008-5599（2017）05-0082-05

2017-03-17