某數(shù)據(jù)中心機(jī)房氣流組織模擬與優(yōu)化

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0 引言

大數(shù)據(jù)時代引領(lǐng)了數(shù)據(jù)信息領(lǐng)域的高速發(fā)展，IT負(fù)載設(shè)備的高度集成化推動了數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模建設(shè)。據(jù)IDC（Internet Data Center）數(shù)據(jù)中心能耗統(tǒng)計，自2013 年起，全球數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模年增長率維持在10%，中國市場擴(kuò)張較快，增長率高達(dá)37%[1]?？照{(diào)系統(tǒng)作為我國數(shù)據(jù)中心總能耗的重要耗電來源，占據(jù)40%比例[2]。而氣流組織作為熱環(huán)境的主要影響因素，不僅可以避免機(jī)房局部受熱而導(dǎo)致的設(shè)備故障，還可以保障熱環(huán)境品質(zhì)，最大效率得避免冷熱空氣不合理混合而導(dǎo)致的能耗浪費。

國內(nèi)外均設(shè)立相關(guān)規(guī)范手冊來引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心設(shè)計。我國規(guī)范以《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》GB50174-2017[3]規(guī)范為主流，對數(shù)據(jù)中心工程建設(shè)的質(zhì)量、安全、環(huán)保、節(jié)能等相關(guān)重點環(huán)節(jié)進(jìn)行強(qiáng)制性要求，并根據(jù)數(shù)據(jù)中心使用特性劃分為A、B、C 三級。國外規(guī)范中對行業(yè)影響最深的當(dāng)屬TIA 和Uptime Institute[4]，二者均將數(shù)據(jù)中心分為4 個等級，且共享4 個等級的相同核心詞：基本需求、冗余組件、在線維護(hù)、容錯[5]。

眾多專家學(xué)者對數(shù)據(jù)機(jī)房氣流組織已有過很多研究。Roger Schmidt 等[6]研究了數(shù)據(jù)機(jī)房封閉通道冷、熱氣流混合問題。Cho J.等[7]研究了機(jī)房在不同送風(fēng)形式下氣流組織的效果。Patankar S.V.等[8]研究了不同靜壓層高度對機(jī)房氣流組織的影響。Fulpagare Y.等[9]研究了不同地板格柵開孔率對流體的影響。

專家學(xué)者雖對氣流組織的影響因素有較多研究，但基本均是基于某單一變量下的研究，而非是不同影響因素逐步優(yōu)化后的研究，且結(jié)合冷通道封閉方面還不夠完善。因此，本文以上海某現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心機(jī)房為例，基于數(shù)據(jù)中心專用CFD 模擬軟件6 SigmaRoom，對機(jī)房氣流組織進(jìn)行逐步優(yōu)化，并選擇合適的熱環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行評價，旨在為今后實際工程設(shè)計提供建議和參考。

1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房的模型建立

1.1 數(shù)值模型的求解控制

數(shù)據(jù)中心作為以安全性、高效性為主的特殊模擬對象，選擇合理的數(shù)值模型是至關(guān)重要的。為了簡化，首先對需要建立的數(shù)值模型做以下三點求解控制：

1）室內(nèi)氣流忽略流體粘動力，視為不可壓縮流體，空氣滿足Boussinesq 假設(shè)。

2）模型外墻、內(nèi)墻、高架地板均視為絕熱材料，室內(nèi)無門無窗，密閉性良好。

3）流動為穩(wěn)態(tài)湍流，采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε 湍流模型，殘差值穩(wěn)定且趨于1[10]。

1.2 數(shù)據(jù)機(jī)房的物理模型

本文以上海某現(xiàn)有金融類數(shù)據(jù)機(jī)房為研究對象，基于模擬軟件6 SigmaRoom 建立數(shù)學(xué)仿真模型。如圖1 所示，模型由空調(diào)室與IT 機(jī)房組成，中間由一堵絕熱內(nèi)墻隔開，內(nèi)墻上設(shè)置回風(fēng)口。IT 機(jī)房為低密度機(jī)房，機(jī)房負(fù)載密度為1.23 kW/m2，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為國A 級。采用冷通道封閉、高架地板下送風(fēng)的氣流組織模式，機(jī)柜以常規(guī)“面對面，背對背”形式排列。機(jī)房實際面積為727.32 m2（27.55 m×26.4 m），層高H 為5.7 m。該機(jī)房主要由8 臺150 kW 的CRAC（Computer Room Air Conditioning），10 列機(jī)柜及高架地板組成，架空地板高h(yuǎn)=0.6 m。機(jī)房內(nèi)共有機(jī)柜240 個，其中有32 個2U 機(jī)柜和208 個4U 機(jī)柜，總功耗為896 kW。

根據(jù)下列邊界條件，建立數(shù)學(xué)模型：

1）制冷冗余方案設(shè)為N+2，模擬工況為8 臺CRAC 同時按照最大風(fēng)量的75%運行。

2）氣流組織方式為靜壓地板下送風(fēng)上回風(fēng)。冷通道寬1.2 m，熱通道寬1.8 m，地板采用防靜電絕熱材料，地板厚度0.01 m。網(wǎng)格尺寸mesh 為0.6 m。

3）高架地板高0.6 m，地板尺寸每塊為0.6 m×0.6 m，格柵開孔率為50%。

4）CRAC 設(shè)置出風(fēng)溫度25±1 ℃，進(jìn)風(fēng)溫度為37 ℃，最大風(fēng)量為27750 m3/h。制冷方式為冷卻水制冷，慣性阻力系數(shù)為100，出風(fēng)口冷卻氣流量為7.708 m3/s。

5）機(jī)房外環(huán)境默認(rèn)20 ℃。

圖1 機(jī)房示意圖

1.3 數(shù)據(jù)機(jī)房的6 SigmaRoom 模型

根據(jù)機(jī)房的物理參數(shù)建立6 SigmaRoom 模型，主要研究機(jī)房氣流組織。因機(jī)柜內(nèi)部服務(wù)器分布及氣流走向?qū)φw影響較小，又為冷通道封閉模式，故本文將每個機(jī)柜設(shè)為單個整體進(jìn)行運算。同時，實際工程上，高架地板內(nèi)電纜、電線所占面積較小且不易估算，本模型忽略高架地板內(nèi)部障礙物。圖2 為數(shù)據(jù)機(jī)房3D 模型圖。

圖2 機(jī)房3D 模擬圖

2 數(shù)據(jù)中心機(jī)房的模擬研究

2.1 原方案氣流組織分析

2.1.1流場分析

通過6 SigmaRoom 進(jìn)行CFD 求解運算，得到空調(diào)的回風(fēng)流線如圖3。圖3（a）顯示空調(diào)下送風(fēng)冷空氣全部通過高架地板送入冷通道封閉，整體氣流組織較穩(wěn)定。但由于機(jī)房內(nèi)機(jī)柜與CRAC 之間存在有孔內(nèi)墻進(jìn)行隔斷，使整個機(jī)房平面的溫度分布不太均勻。圖3（b）顯示，機(jī)房整體呈現(xiàn)CRAC 側(cè)回風(fēng)溫度低、機(jī)柜側(cè)高的趨勢，且整體溫度較高，易造成機(jī)房內(nèi)局部熱點。同時隨距CRAC 距離的增大，流線密度逐漸變小，即機(jī)柜獲得冷量減少，散熱能力變慢，機(jī)柜升溫快，造成機(jī)房熱點。根據(jù)ASHARE 2011 的溫度劃分規(guī)則，圖4也驗證了此次推測，總體機(jī)柜溫度較好，但后排中間部分機(jī)柜溫度較高，出現(xiàn)局部熱點。

圖3 空調(diào)回風(fēng)流線圖

圖4 空調(diào)機(jī)柜溫度分布（ASHARE 2011）

2.1.2溫度場分析

氣流組織的作用直接反映出溫度分布，而溫度場是熱環(huán)境的一個直接體現(xiàn)因素，尤其對于數(shù)據(jù)機(jī)房而言，機(jī)柜的正常運行與溫度場息息相關(guān)。本文分別截取y=0.1 m（高架地板附近上方）、y=1.0 m（機(jī)柜中心平面）、y=2.1 m（機(jī)柜頂部）這三個典型平面進(jìn)行分析。

如圖5 所示，隨著所取截面高度的增加，溫度逐步上升。靜壓層送風(fēng)平面處，空氣的高速流動加速了與機(jī)柜的對流換熱，機(jī)柜熱量及時散出。出風(fēng)處冷氣流快速耗散，于機(jī)柜中間位置衰減完成，故而機(jī)柜中下部熱環(huán)境較好。同時，熱空氣上浮，冷空氣下壓的物理特性也是導(dǎo)致機(jī)柜上部溫度普遍較高的一個原因。

圖5 機(jī)房三個典型面溫度分布圖

2.1.3速度場分析

速度場是氣流組織變化的一個重要參照，圖6 分別是三個典型平面的速度矢量圖。隨著高度增加，速度矢量越密集，速度越大。同時，越近CRAC 處速度矢量越稀疏，速度越小。這是由于越近CRAC 側(cè)空氣速度越大，動壓大，靜壓小，使高架地板壓降而冷量降低。因此CRAC 兩側(cè)速度場大，中間垂直側(cè)小。同時，隨著離CRAC 距離的增大，冷空氣速度降低，靜壓加大，冷量逐漸加大，于冷通道中部達(dá)到峰值，隨之逐步衰減。故機(jī)柜前段速度場大而后段速度場小。

圖6 機(jī)房三個典型面速度分布圖

2.2 數(shù)據(jù)機(jī)房氣流組織的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)機(jī)房溫度場與速度場不均勻，機(jī)房產(chǎn)生局部熱點，易造成服務(wù)器散熱不及時或故障溫度。針對上訴問題，本文將通過以下兩個方面逐步對機(jī)房進(jìn)行氣流組織優(yōu)化，即調(diào)整高架地板高度與地板格柵開孔率。整個優(yōu)化設(shè)計可分為三步：

1）保持原設(shè)計其他參數(shù)不變，僅改變高架地板高度此單一變量，模擬0.4 m、0.6 m、0.8 m、0.9 m 四個不同地板高度的熱環(huán)境，再選出最佳值做下一步輸入值。

2）將上步最優(yōu)值作為設(shè)定值，改變地板格柵開孔率為30%、40%、50%、60%四個變量，分析比較機(jī)柜氣流組織，得出熱環(huán)境最佳模型的靜壓層高度與開孔率。

3）利用熱環(huán)境評價的參數(shù)對方案優(yōu)化前后進(jìn)行評價。

2.2.1高架地板優(yōu)化

如圖7 所示，分別為高架地板0.4 m、0.6 m、0.8 m、0.9m 時的機(jī)柜溫度，可發(fā)現(xiàn)，圖7（a）與（b）中均出現(xiàn)局部熱點，隨著高架地板高度的升高，機(jī)柜局部熱點消失。靜壓層高度從0.4 m 升至0.9 m，機(jī)柜最高溫度降低2.2 ℃。說明高架地板高度的升高能有效降低機(jī)房整體溫度，改善局部熱點。

高架地板為0.8 m、0.9 m 時，機(jī)房內(nèi)均無局部熱點產(chǎn)生。進(jìn)而比較二者在冷通道中部處的速度場結(jié)果，如圖8 所示，兩種工況的速度場均較穩(wěn)定，未于機(jī)房側(cè)出現(xiàn)局部高速情況，整體氣流變化趨于合理，速度變化范圍均在0.175～0.635 m/s，可見高架地板高度在0.8～0.9 m 時氣流組織分布較好。鑒于實際工程施工情況，本文取高架地板高度h=0.8 m 為最佳設(shè)定值。

圖7 不同高架地板方案機(jī)柜溫度圖

圖8 不同高架地板方案速度分布圖

2.2.2地板格柵開孔率優(yōu)化

數(shù)據(jù)機(jī)房將冷量沿高架地板通過格柵送入機(jī)柜冷通道，在固定高架地板高度的工況下，通道內(nèi)氣流組織和靜壓層壓力均受地板格柵開孔率影響。實際施工中，由于支撐要求，通常格柵最大開孔率不大于60%。因此，本文在高架地板h=0.8 m 設(shè)定值下，分別模擬了30%、40%、50%、60%開孔率下氣流組織情況。

圖9 不同格柵開孔率方案速度分布圖

機(jī)房速度場較均勻，氣流速度變化范圍在0.19～0.52 m/s。如圖9 所示，分別為4 個不同開孔率下y=1.0 m 時的速度矢量圖，速度場隨格柵開孔率的增大，前排機(jī)柜冷通道中心處局部氣流速度增大，與機(jī)柜外速度場差值增大，最大速度差可達(dá)0.72 m/s。30%～40%開孔率工況下的冷通道局部高速面積較小，氣流組織較均勻。50%～60%開孔率時局部高速面積明顯增大，易致機(jī)房冷熱摻混程度加劇而損失冷量。

同時，根據(jù)模擬結(jié)果，4 個方案均未有機(jī)柜出現(xiàn)熱點，且溫度差異較小，不同開孔率方案的平均出口溫度差在0.15～0.88 ℃?？梢娤鄬τ陟o壓層高度對氣流組織的影響，格柵開孔率影響不大，溫度變化趨于平緩。表1 為不同開孔率大小下4 個典型平面上的最大溫度，分別是地板出風(fēng)口，機(jī)柜底部，機(jī)柜中部和機(jī)柜頂部?？砂l(fā)現(xiàn)，對于30%～40%開孔率工況，隨著開孔率加大，平面溫度逐步降低，冷卻效果提升。而對于50%～60%開孔率工況，與上述情況相反，冷卻效果不佳。其中，40%開孔率時的4 處典型溫度均為最低，冷卻的效果最佳。

表1 不同開孔率方案在4 個典型位置處的最大溫度/℃

工程實際中，數(shù)據(jù)機(jī)房一般采用帶小圓孔的防靜電架空地板，地板格柵流動阻力與壓力損失由式（1）[11]獲得。

式中：v 為地板格柵附近速度，m/s；ρ 為空氣密度，kg/m3；K 為阻力系數(shù)。

Idelchik[12]通過實驗得到的經(jīng)驗公式如下：

根據(jù)式（1）～（2）可知，隨格柵開孔率增加，阻力系數(shù)降低，壓力損失減少，壓差增大，相同冷量下的出風(fēng)量增大。

圖10 為不同開孔率下的格柵出風(fēng)量，可發(fā)現(xiàn)，出風(fēng)量最大處均位于冷通道中部偏后，主要由于近CRAC 側(cè)壓力小，出風(fēng)量小。遠(yuǎn)離空調(diào)側(cè)壓力大，冷量大，冷通道前部易因氣流組織不佳而出現(xiàn)局部過熱。若溫度持續(xù)升高，過熱面積繼續(xù)擴(kuò)大，會導(dǎo)致機(jī)柜制冷效果不佳。圖10 中當(dāng)開孔率為40%時，格柵出風(fēng)量較大且分布均勻，而30%、50%、60%開孔率時，出現(xiàn)出風(fēng)量不均，產(chǎn)生局部低速區(qū)的情況，易導(dǎo)致局部熱點。因此，本文選擇40%為最佳地板開孔率。

圖10 不同開孔率方案的格柵出風(fēng)量

2.3 氣流組織優(yōu)化方案前后對比分析

2.3.1溫度場對比

機(jī)房原設(shè)計值為高架地板0.6 m，地板格柵開孔率50%，方案逐步優(yōu)化后調(diào)整為高架地板0.8 m，格柵開孔率40%。優(yōu)化后，原機(jī)房的局部熱點消失，氣流組織改善。表2 為優(yōu)化前后的不同截面最高溫度值，數(shù)據(jù)顯示優(yōu)化后機(jī)柜整體溫降1.9 ℃，機(jī)柜不同位置溫降范圍在1.6～2.2 ℃，機(jī)柜出送風(fēng)溫降均為1.2 ℃。

表2 優(yōu)化前后兩種方案不同截面最高溫度值/℃

2.3.2熱環(huán)境指標(biāo)比較

在眾多熱環(huán)境評價指標(biāo)中，熱摻混指標(biāo)HMI 能有效反映機(jī)柜氣流組織與熱環(huán)境，數(shù)值越小說明冷熱摻混程度越小，氣流組織越合理，冷量利用率越高，機(jī)柜冷卻效果越好。HMI 由公式eq.2[13]獲得。

式中：Tin_max為機(jī)柜進(jìn)風(fēng)截面最高溫度，K；Tin_min為機(jī)柜進(jìn)風(fēng)截面最小溫度，K；Tin為機(jī)柜平均進(jìn)風(fēng)溫度，K；Tout為機(jī)柜平均進(jìn)風(fēng)溫度，K；Tref為空調(diào)送風(fēng)溫度，K。

通過模擬結(jié)果對機(jī)房后排局部熱點區(qū)域機(jī)柜進(jìn)行計算，比較HMI 值。如圖11，優(yōu)化后方案的HMI 值明顯小于原始方案，使HMI 值從0.18 降至0.02，氣流組織效果良好，冷卻效果佳。

圖11 兩種方案局部熱點機(jī)柜HMI 值曲線圖

3 結(jié)論

數(shù)據(jù)機(jī)房氣流組織的優(yōu)化是為了減少冷熱氣流摻混程度，提高冷量利用率，消除局部熱點。通過調(diào)整設(shè)計方案高架地板的靜壓層高度和格柵開孔率來逐步優(yōu)化氣流組織，并比較優(yōu)化方案前后的氣流組織與熱環(huán)境指標(biāo)，最終得到以下結(jié)論：

1）較于格柵開孔率，靜壓層高度對氣流組織影響更大。

2）提高靜壓層高度可使機(jī)房整體溫度出現(xiàn)明顯降低，局部熱點消失，氣流組織改善。但當(dāng)高架地板高度提高到某種程度時，速度場與溫度場變化不大，改善效果不再顯著。因此，應(yīng)結(jié)合施工要求和氣流組織合理選擇。本模型靜壓層高度為0.8～0.9 m 時氣流組織效果較好。

3）近CRAC 側(cè)壓力小，出風(fēng)量小。遠(yuǎn)離空調(diào)側(cè)壓力大，冷量大，冷通道前后氣流組織不均勻，地板格柵出風(fēng)量最大處通常位于冷通道中后部。

4）格柵開孔率的增大會導(dǎo)致冷通道溫度增加不均，而造成機(jī)房內(nèi)氣流組織分布不均。格柵開孔率為40%～50%時氣流組織效果較好。此外，建議工程上亦可采用高、低開孔率相結(jié)合的方案，來達(dá)到最佳的氣流組織效果。