數(shù)據(jù)中心列間空調(diào)氣流組織分析與優(yōu)化

邱玉英 ，邱琳禎

(1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007；2.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福建 福州 350108；3.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350108)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和5G技術(shù)的到來，數(shù)據(jù)機(jī)房的數(shù)量與日俱增，機(jī)房能耗高的問題也隨之凸顯，據(jù)統(tǒng)計(jì)空調(diào)設(shè)備在數(shù)據(jù)中心總耗能中占到了40.2%[1]，如何有效解決制冷節(jié)能問題成為了中心供配電系統(tǒng)重點(diǎn)解決的問題[2]。列間空調(diào)由于可靠性高、靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，目前在高熱密度數(shù)據(jù)中心廣泛使用。與傳統(tǒng)的上送下回空調(diào)制冷方式相比，列間空調(diào)采用水平送風(fēng)，送回風(fēng)口距離縮短，減少沿程損耗，具有高效節(jié)能的特點(diǎn)[3-4]。

為了使設(shè)備達(dá)到高效率冷卻、不產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象，冷空氣必須有組織地進(jìn)入設(shè)備的內(nèi)部進(jìn)行熱交換，因此合理的氣流組織是節(jié)能的關(guān)鍵[5]。不少學(xué)者開展了相關(guān)研究，文獻(xiàn)[6]利用了Fluent對(duì)某數(shù)據(jù)中心機(jī)房的具體情況進(jìn)行模擬，提出建立冷熱通道和改進(jìn)冷熱通道兩種氣流組織優(yōu)化；文獻(xiàn)[7]針對(duì)機(jī)房服務(wù)器散熱量大的特點(diǎn)及傳統(tǒng)封閉冷通道存在的問題，提出適合該機(jī)房的氣流方案，通過模擬分析得出封閉熱通道形式效果更佳；文獻(xiàn)[8]通過CFD模擬軟件6SigmaRoom對(duì)列間空調(diào)系統(tǒng)前送后回的氣流組織形式以及室內(nèi)熱工環(huán)境進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬流線、速度分布、溫度分布來檢驗(yàn)室內(nèi)是否存在局部熱點(diǎn)問題；文獻(xiàn)[9]以一個(gè)實(shí)測的典型數(shù)據(jù)中心為對(duì)象，針對(duì)機(jī)房氣流混亂、冷熱分布不均和局部熱點(diǎn)問題提出3個(gè)氣流組織優(yōu)化措施，并進(jìn)行模擬對(duì)比分析；文獻(xiàn)[10]則提出，冷通道封閉技術(shù)可以優(yōu)化機(jī)房氣流組織，結(jié)果表明封閉后可以將空調(diào)送風(fēng)溫度由18℃提高至22℃，每年可節(jié)能約105kWh。

本課題以福州某數(shù)據(jù)中心服務(wù)機(jī)房為研究對(duì)象，結(jié)合列間空調(diào)的特點(diǎn)，利用PHOENICS軟件對(duì)機(jī)房內(nèi)的氣流組織進(jìn)行模擬計(jì)算，通過對(duì)比不同平面上的溫度、風(fēng)速計(jì)算結(jié)果，分析封閉冷通道前后機(jī)房內(nèi)流場變化。RNG KE model是計(jì)算流體力學(xué)(CFD)中常用的經(jīng)典數(shù)學(xué)模型，根據(jù)大量工程經(jīng)驗(yàn)得知該模型較適合用于計(jì)算室內(nèi)氣流組織。本文采用的PHOENICS軟件是一款常用于模擬風(fēng)場的CFD軟件，本次應(yīng)用該軟件模擬的結(jié)果都是以RNG KE model作為基礎(chǔ)模型。

1 研究對(duì)象

選取福州某公司小型數(shù)據(jù)服務(wù)機(jī)房為研究對(duì)象，該機(jī)房面積65.6 m2，層高3 m，共22個(gè)機(jī)柜,配備4臺(tái)列間空調(diào)，單臺(tái)送風(fēng)量為6 500 m3/h，制冷量為41.3 kW。機(jī)柜分兩排布置，每排11個(gè)。列間空調(diào)放置于機(jī)柜之間，采用水平送風(fēng)的送風(fēng)方式向機(jī)柜間通道送風(fēng)，前送后回，從而形成冷通道。由于機(jī)柜風(fēng)扇和冷熱壓差的影響，氣流向機(jī)柜與墻通道流入，形成熱通道后匯入空調(diào)回風(fēng)口。

2 模型建立

2.1 物理模型建立

將機(jī)房簡化為11.7 m ×7.05 m×3.0 m的方形空間，機(jī)柜根據(jù)實(shí)際尺寸簡化為605 mm(寬)×1 250 mm(深)× 2 150 mm(高)長方體，列間空調(diào)根據(jù)實(shí)際尺寸簡化為600 mm(寬)×1 100 mm(深)×2 000 mm(高)長方體。機(jī)柜分兩排布置，每排11個(gè)。列間空調(diào)共4臺(tái)，分插在機(jī)柜中間。空調(diào)送風(fēng)口向里，將冷空氣送至兩排機(jī)柜間通道，通道長7.855 m，兩排機(jī)柜間隔1.2 m。簡化后機(jī)房物理模型示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)房布置示意圖Fig.1 Layout scheme of the dara room

2.2 數(shù)學(xué)模型建立

機(jī)柜的熱交換主要為對(duì)流換熱，為了簡化研究，忽略熱輻射對(duì)溫度場的影響。采用RNG KEmodel模型進(jìn)行計(jì)算。RNG KE model是標(biāo)準(zhǔn)KE model的改造形式。機(jī)房氣流的流動(dòng)形式為湍流，湍流的瞬時(shí)值滿足連續(xù)性方程。

為了簡化計(jì)算，對(duì)流體做出假設(shè)如下：

(1)假設(shè)流動(dòng)空氣為不可壓縮流體

(2)假定流體穩(wěn)態(tài)定常流動(dòng)

(3)流動(dòng)空氣為牛頓流體，并且忽略耗散項(xiàng)

因此，流體計(jì)算的主要方程可簡化為：

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程組：

(2)

能量守恒方程：

模型中κ代表湍流脈動(dòng)動(dòng)能，ε指的是湍流脈動(dòng)動(dòng)能耗散率。

湍動(dòng)能κ方程：

(3)

動(dòng)量方程：

(4)

2.3 邊界條件設(shè)置

為了簡化計(jì)算，將室外溫度設(shè)定為35 ℃，維護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)為0.5 W/(m2·K)。機(jī)柜空調(diào)采用水平送風(fēng)，送風(fēng)口風(fēng)速設(shè)定為2 m/s，送風(fēng)溫度為16.8 ℃。機(jī)房內(nèi)主要發(fā)熱源為數(shù)據(jù)機(jī)柜，單個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)柜散熱量為1.75 kW。

3 氣流組織模擬與分析

列間空調(diào)是采用前送后回的方式進(jìn)行送風(fēng)，將冷風(fēng)吹至冷通道內(nèi)，由冷熱通道間的壓差及機(jī)柜內(nèi)風(fēng)扇迫使氣流流經(jīng)機(jī)柜內(nèi)部至熱通道，通過對(duì)流的方式帶走機(jī)柜發(fā)熱量。目前，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)機(jī)房內(nèi)都實(shí)現(xiàn)了冷、熱通道隔離，但有部分機(jī)房內(nèi)未對(duì)通道進(jìn)行有效封閉。為了研究封閉通道對(duì)氣流組織的影響，現(xiàn)對(duì)機(jī)房內(nèi)兩種布置方式進(jìn)行對(duì)比分析：第一種布置方案中，兩排列間空調(diào)面對(duì)面布置，空調(diào)采用水平送風(fēng)方式，將冷風(fēng)送至兩列機(jī)柜間形成冷通道，通道敞開無封閉措施；第二種方案中，兩排列間空調(diào)面對(duì)面布置，空調(diào)采用水平送風(fēng)方式，冷風(fēng)送至兩列機(jī)柜間形成冷通道，冷通道上部及兩端封閉。

利用PHOENICS軟件對(duì)機(jī)房的兩種布置方式進(jìn)行氣流組織模擬，著重分析離地面0.5、1.5 m及機(jī)柜頂面處的溫度與風(fēng)速。

3.1 溫度場分析

從兩個(gè)方案的溫度場計(jì)算云圖可見，冷通道未封閉前，離地0.5、1.5 m處，機(jī)房整體平均溫度為26.3 ℃、26.1 ℃，房間西南角出現(xiàn)了局部溫度過高的問題，部分區(qū)域溫度高達(dá)29.5 ℃。東北角機(jī)柜與墻的通道中的部分區(qū)域平均溫度僅為19.5 ℃左右，說明空調(diào)吹出的冷氣沒有充分帶走機(jī)柜的發(fā)熱量。對(duì)冷通道的上部和兩端增加隔板進(jìn)行封閉后，離地0.5 m及1.5 m處的溫度場云圖如圖2、圖3，可以發(fā)現(xiàn)，封閉后冷通道整體溫度明顯下降，其余通道溫度上升，形成明顯的“冷熱隔離”。兩處的機(jī)房整體平均溫度為24.1 ℃、24.5 ℃，較封閉前略有降低，空調(diào)的制冷效果有所提升。并且封閉后溫度整體呈規(guī)律性分布，未出現(xiàn)局部溫度過高或過低的情況。圖4是封閉后機(jī)柜頂面高度處的溫度場云圖，未封閉前該高度處平均溫度約為25.5 ℃，封閉后約為26.2 ℃。由于冷通道頂部被封閉，冷氣流必須繞過機(jī)柜才能流至外側(cè)，與機(jī)柜表面進(jìn)行了充分的換熱。而敞開通道有部分冷氣會(huì)直接越過機(jī)柜到外側(cè)通道，使得該截面的平均溫度低于封閉后，也說明敞開通道使得冷氣換熱不夠充分。

圖2 離地0.5 m處溫度場云圖Fig.2 Cloud map of temperature field at 0.5 m above the ground

圖3 離地1.5 m處溫度場云圖Fig.3 Cloud map of temperature field at 1.5 m above the ground

圖4 機(jī)柜頂面溫度場云圖Fig.4 Cloud map of temperature field on top of the cabinet

3.2 風(fēng)場分析

從兩個(gè)方案的氣流速度矢量計(jì)算云圖可以看出，封閉前氣流整體流向紊亂，尤其在西南角出現(xiàn)了明顯的渦旋流以及冷風(fēng)短路的問題，導(dǎo)致該處熱量集聚，形成局部熱點(diǎn)。機(jī)柜頂面氣流流速大，有渦旋流存在，流線混亂，不利于機(jī)柜的有效換熱。封閉后離地0.5、1.5 m處及機(jī)柜頂面的風(fēng)速場云圖如圖5-圖7，氣體流向明顯規(guī)律化，從空調(diào)送風(fēng)口吹出后經(jīng)過機(jī)柜處，經(jīng)過充分換熱后回到空調(diào)回風(fēng)口。整體沒有出現(xiàn)明顯的渦旋區(qū)，沒有出現(xiàn)局部溫度過高的現(xiàn)象。

圖5 離地0.5 m處風(fēng)速場云圖Fig.5 Cloud map of wind speed field at 0.5 m above the ground

圖6 離地1.5 m處風(fēng)速場云圖Fig.6 Cloud map of wind speed field at 1.5 m above the ground

圖7 機(jī)柜頂面風(fēng)速場云圖Fig.7 Cloud map of temperature field on top of the cabinet

4 結(jié)論

本課題以數(shù)據(jù)服務(wù)機(jī)房為對(duì)象，對(duì)封閉冷通道前后的氣流組織進(jìn)行了計(jì)算分析，對(duì)比了3個(gè)不同高度處的溫度場與風(fēng)速場，發(fā)現(xiàn)：

1)通道封閉前房間內(nèi)氣流組織混亂，冷風(fēng)與機(jī)柜換熱不充分，熱通道中冷熱氣流摻混，并出現(xiàn)局部熱點(diǎn)。

2)冷通道封閉后機(jī)房內(nèi)整體溫度下降2 ℃左右，封閉后冷通道內(nèi)整體溫度下降，冷熱通道溫差明顯，局部熱點(diǎn)消失。

3)冷通道封閉后氣流組織得到明顯的優(yōu)化，避免了氣流短路，渦旋流消失，無效制冷減少。