基于 CFD氣流組織模擬的某數(shù)據(jù)機(jī)房節(jié)能優(yōu)化實(shí)踐

楊靈泉，包 衍，施瑜豪，婁潔良，趙 逸

（1.中國電信股份有限公司上海分公司，上海 200000；2.上海郵電設(shè)計(jì)咨詢研究院有限公司，上海 200000）

1 某機(jī)房現(xiàn)狀分析

1.1 機(jī)房基本情況

本次研究選取了某數(shù)據(jù)中心典型機(jī)房作為研究對(duì)象，該機(jī)房面積約 408 ㎡，采用傳統(tǒng)下送風(fēng)布局方式，高架地板高度為 60 cm，機(jī)柜為標(biāo)準(zhǔn)3.5 kW機(jī)柜，送風(fēng)方式為下進(jìn)風(fēng)后出風(fēng)。地板下送風(fēng)設(shè)計(jì)，主要平面布局如圖1所示。

圖1 某典型機(jī)房布局圖

1.2 機(jī)房熱負(fù)荷分析

從典型機(jī)房的特質(zhì)分析：該機(jī)房為無人值守機(jī)房，該機(jī)房長 22.65 m，寬 18 m，高 3.6 m，以機(jī)房邊界隔熱條件完好為前提，主要熱源來自機(jī)房內(nèi)的IT主設(shè)備、少量照明、消防等保障設(shè)備，同時(shí)IT主設(shè)備以顯熱為主，考慮功耗都轉(zhuǎn)為熱量，另加建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)熱以80～100 W/m2，本文以100 W/m2計(jì)算[1]。

該機(jī)房內(nèi)共 148 個(gè)機(jī)柜，單機(jī)柜設(shè)計(jì)功率為3.5 kW；全部為柜內(nèi)底部進(jìn)風(fēng)、后/上出風(fēng)的散熱設(shè)計(jì)；機(jī)柜內(nèi)主要為服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)負(fù)載約為518 kW，目前IT 設(shè)備運(yùn)行總功率約為 130.8 kW。

機(jī)房內(nèi)發(fā)熱量為Q=130.8 kW+0.1×（22.65×18） kW=157.14 kW

1.3 機(jī)房制冷能力分析

機(jī)房兩側(cè)裝有 7 臺(tái)某品牌下送風(fēng)精密空調(diào)，單臺(tái)制冷量為100 kW,送風(fēng)量單臺(tái)為40 000 m3/ h，機(jī)房空調(diào)冷量足以冷卻機(jī)房內(nèi)部熱負(fù)荷，并有較大冗余。

但機(jī)房存在制冷能耗高和局部熱區(qū)問題，判斷是由于部分服務(wù)器反向安裝，導(dǎo)致向機(jī)柜熱通道吸風(fēng)，向冷通道排風(fēng)，同時(shí)功率較大服務(wù)器集中布置，部分區(qū)域熱量需求遠(yuǎn)大于其他區(qū)域，造成冷量不能有效送達(dá)和大量冷量浪費(fèi)問題[2]。通過對(duì)每個(gè)機(jī)架封閉冷通道0.3、1.2、2 m的高度總計(jì)1 173個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量，相關(guān)測(cè)點(diǎn)的溫度分布如圖2所示。

圖2 機(jī)房熱點(diǎn)分布圖

空調(diào)目前的運(yùn)行及設(shè)定情況見表1。

表1 某典型空調(diào)運(yùn)行及設(shè)定表

同時(shí)機(jī)房存在過冷問題，為解決熱點(diǎn)區(qū)域問題，造成IT負(fù)荷較低機(jī)架的冷量不能有效利用，大量冷量浪費(fèi)問題。部分機(jī)架冷量計(jì)算如表2所示。

表2 部分機(jī)架冷量計(jì)算表

1.4 優(yōu)化前PUE計(jì)算

電能使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）是衡量數(shù)據(jù)中心機(jī)房節(jié)能程度的最重要指標(biāo)，TGG和ASHRAE給出的PUE的定義相同，為數(shù)據(jù)中心總能耗與IT設(shè)備能耗之比：

式中，Et為數(shù)據(jù)中心總能耗，EIT為數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備總能耗。

由于衡量數(shù)據(jù)中心能效的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)給出的方式都不盡相同，本文在計(jì)算中采用GB/T32910.3—2016《數(shù)據(jù)中心資源利用第3部分：電能能效要求和測(cè)量方法》的計(jì)算方法：

PUE=（IT 系統(tǒng)耗電量 + 機(jī)房照明統(tǒng)耗電量 + 空調(diào)系統(tǒng)耗電量 +UPS 自身損耗）/IT系統(tǒng)耗電量 （2）

（1）IT 設(shè)備的用電量：從列頭柜機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)采集的 IT 設(shè)備功耗表我們可以得出該機(jī)房的 IT 設(shè)備總用電量為9 417.6 kW·h。

（2）機(jī)房照明部分：機(jī)房內(nèi)照明按節(jié)能方式開啟，照明共計(jì)能耗為40.32 kW·h。

（3）空調(diào)部分：空調(diào)系統(tǒng)為風(fēng)冷型精密空調(diào)。根據(jù)對(duì)應(yīng)空調(diào)配電柜電量統(tǒng)計(jì)，空調(diào)機(jī)組瞬時(shí)能耗為4449.6 kW·h。

（4）UPS 設(shè)備部分機(jī)房配置的 UPS 設(shè)備為高頻機(jī)，輸出效率較高，根據(jù)UPS設(shè)備前后級(jí)配電屏功率計(jì)算，損耗為689.76 kW·h。

優(yōu)化前該典型機(jī)房PUE=（9 417.6+40.32+4 449.6+689.76）/9 417.6 ≈ 1.55

2 CFD建模分析

2.1 CFD建模概述

基于以上典型機(jī)房物理結(jié)構(gòu)、熱負(fù)荷、冷量數(shù)據(jù)等屬性的概述，著手進(jìn)行CFD建模，保證模擬工況的準(zhǔn)確性[3]。建立的三維模型包括：

（1）建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、門、窗、梁、柱、通風(fēng)口、照明設(shè)備等。

（2）高架地板，地板通風(fēng)格柵，吊頂開孔、通風(fēng)口等。

（3）機(jī)柜：網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜、服務(wù)器機(jī)柜、交換機(jī)、服務(wù)器等 IT 設(shè)備。

（4）電力系統(tǒng)：列頭配電柜。

（5）空調(diào)：下送風(fēng)精密空調(diào)。

（6）送風(fēng)系統(tǒng)：風(fēng)機(jī)，風(fēng)管等。

（7）走線架：強(qiáng)電走線架、弱電走線架等。

按照機(jī)房實(shí)際長寬高建立模型空間，建立可能影響出風(fēng)與回風(fēng)的立柱及橫梁，以實(shí)際架空地板高度0.6 m處建立架空地板，將7臺(tái)空調(diào)、8列頭柜及機(jī)架按照實(shí)際大小及安裝位置建模，如圖3所示。

圖3 某典型機(jī)房側(cè)視圖

由于典型機(jī)房機(jī)柜采用的是下進(jìn)風(fēng)后出風(fēng)模式，因此需要對(duì)前進(jìn)風(fēng)后出風(fēng)機(jī)柜模型進(jìn)行調(diào)節(jié)優(yōu)化[4]。每個(gè)機(jī)柜中按實(shí)際情況建立斜擋板導(dǎo)風(fēng)、封閉進(jìn)風(fēng)口、調(diào)整出風(fēng)開孔率、調(diào)整服務(wù)器安裝位置、按照實(shí)際情況將每個(gè)機(jī)柜中的服務(wù)器按U位建入其中并進(jìn)行盲板封閉、按實(shí)際情況設(shè)置每臺(tái)服務(wù)器的能耗，如圖4所示。

圖4 機(jī)柜建模側(cè)視圖

2.2 CFD建模仿真數(shù)據(jù)校驗(yàn)

經(jīng)過前期模型校準(zhǔn)，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度的模擬值已與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值接近，由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件所限，所用工具為點(diǎn)溫儀，適用于測(cè)量設(shè)備表面溫度，而CFD模擬算法模擬溫度為空氣溫度，因此與實(shí)測(cè)值有誤差，經(jīng)過比對(duì)，最大誤差不超過6.5%，基本可以認(rèn)定仿真數(shù)據(jù)有效，仿真數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值對(duì)比如表3所示。

表3 仿真數(shù)據(jù)對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值對(duì)比

同時(shí)對(duì)進(jìn)出風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行抽樣綜合比對(duì)，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜各點(diǎn)風(fēng)速與CFD模擬數(shù)據(jù)接近一致，空調(diào)回風(fēng)風(fēng)速、下送風(fēng)風(fēng)速由于測(cè)量條件限制有4%～6%的誤差[5]。

2.3 CFD建模結(jié)果分析及優(yōu)化思路

通過運(yùn)用CFD軟件對(duì)某典型機(jī)房進(jìn)行模擬，對(duì)比現(xiàn)狀的校驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，某典型機(jī)房存在以下的情況和問題。

2.3.1 問題1

機(jī)房實(shí)測(cè)IT設(shè)備入口溫度范圍為18.5～35.7 ℃，溫度差為17.6 ℃，通過模擬發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)開啟的5臺(tái)空調(diào)，輸出制冷能力雖然遠(yuǎn)高于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，但由于冷量分配不均，熱區(qū)滿足散熱需求的情況下，低負(fù)荷區(qū)域溫度已低于20 ℃，出現(xiàn)冷量過剩情況造成能耗的損失，機(jī)房A列—C列溫度分布如圖5所示。

圖5 A列—C列溫度分布

2.3.2 問題2

根據(jù)計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，單列機(jī)柜前后進(jìn)風(fēng)量不均，距離空調(diào)最近的機(jī)柜由于架空地板下風(fēng)速過高，實(shí)際輸送至機(jī)架內(nèi)部的風(fēng)量較小，B列機(jī)柜進(jìn)風(fēng)風(fēng)速分布如圖6所示。

圖6 B列機(jī)柜進(jìn)風(fēng)風(fēng)速分布圖

2.3.3 問題3

空調(diào)風(fēng)機(jī)橫置安裝，出風(fēng)并非均勻向前，同時(shí)受建筑立柱影響，部分區(qū)域存在渦旋現(xiàn)象，造成風(fēng)冷的損失，氣流分布不均。

2.3.4 解決的相應(yīng)策略

通過以上問題的分析，借助CFD工具對(duì)可行的策略模擬計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)論證，進(jìn)行了針對(duì)性的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施改造。

（1）策略1：根據(jù)CFD軟件模擬的結(jié)果，對(duì)于過冷區(qū)域，調(diào)節(jié)對(duì)該區(qū)域影響最大的空調(diào)，提高空調(diào)回風(fēng)溫度并降低送風(fēng)風(fēng)速，消除存在的冷量過送問題。

（2）策略2：對(duì)于高負(fù)荷區(qū)域及部分機(jī)柜進(jìn)風(fēng)不足問題，采用主動(dòng)將氣流導(dǎo)向機(jī)柜措施。為了起到良好的導(dǎo)流效果，擋板按一定夾角放置，同時(shí)，為了保證后方的空氣流通，將擋板中間挖空，使得下半部分的風(fēng)可以從中穿過，如圖7所示。

圖7 氣流擋板示意

（3）策略3：機(jī)柜縫隙封堵，阻止了冷空氣從機(jī)柜底部開口直接進(jìn)入熱通道造成冷量浪費(fèi)，并提升空調(diào)的回風(fēng)溫度，提高空調(diào)運(yùn)行效率。通過加裝地板下導(dǎo)流裝置使氣流組織更有序化，將冷空氣送到指定區(qū)域，從而消除各列機(jī)柜底部風(fēng)量波動(dòng)，同時(shí)也減少了特定區(qū)域的溫度不均勻現(xiàn)象，改造前后效果對(duì)比如圖8所示。

3 優(yōu)化后數(shù)據(jù)結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)空調(diào)參數(shù)調(diào)整

根據(jù)熱負(fù)荷模擬，空調(diào)運(yùn)行模式可以從5+2優(yōu)化為4+3，同時(shí)提升2臺(tái)空調(diào)回風(fēng)設(shè)定溫度，降低4臺(tái)開啟空調(diào)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行了實(shí)際調(diào)整，調(diào)節(jié)后空調(diào)運(yùn)行及設(shè)定如表4所示。

表4 調(diào)節(jié)后空調(diào)運(yùn)行及設(shè)定表

3.2 現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)流板安置

根據(jù)模擬，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)A—C列功耗較高區(qū)域進(jìn)行導(dǎo)流板安置，在每列頭部1號(hào) 2號(hào)機(jī)柜及尾部18號(hào)19號(hào)各安置一塊導(dǎo)流板。安置擋板對(duì)于對(duì)應(yīng)機(jī)柜的散熱有著顯著的幫助，將機(jī)柜內(nèi)溫度降低3.7 ℃，散熱溫度降低3.3 ℃，效果對(duì)比如表5所示。

通過擋板安置前后的數(shù)據(jù)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)氣流導(dǎo)流對(duì)改善下進(jìn)風(fēng)機(jī)柜具有針對(duì)性效果，同時(shí)該方案有很強(qiáng)的可調(diào)配性，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，調(diào)整擋板間夾角和位置，調(diào)整擋板下挖去部分的大小等。

3.3 優(yōu)化后PUE計(jì)算

結(jié)合一周的現(xiàn)場(chǎng)采集綜合數(shù)據(jù)，PUE計(jì)算結(jié)果如下：

表5 擋板前后效果對(duì)比

（1）IT 設(shè)備的用電量：從列頭柜機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)采集的 IT 設(shè)備功耗表我們可以得出該機(jī)房的 IT 設(shè)備總用電量為22939.2 kWh。

（2）機(jī)房照明部分：機(jī)房內(nèi)照明按節(jié)能方式開啟，照明共計(jì)能耗為：94.08 kWh。

（3）空調(diào)部分：空調(diào)系統(tǒng)為風(fēng)冷型精密空調(diào)。根據(jù)對(duì)應(yīng)空調(diào)配電柜電量統(tǒng)計(jì)，空調(diào)機(jī)組能耗為9 679.6 kWh。

（4）UPS 設(shè)備部分機(jī)房配置的 UPS 設(shè)備為高頻機(jī)，輸出效率較高，根據(jù)UPS設(shè)備前后級(jí)配電屏功率計(jì)算，損耗為1651.44 kWh。

優(yōu)化后 PUE =IT 系統(tǒng)耗電量 + 機(jī)房照明統(tǒng)耗電量 + 空調(diào)系統(tǒng)耗電量 +UPS 自身損耗 /IT 系統(tǒng)耗電。

PUE=（22 939.2+94.08+9 679.6+1 651.44）/22 939.2 ≈ 1.498。

4 結(jié) 論

氣流優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心能耗優(yōu)化的一項(xiàng)重要措施，本文通過對(duì)機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)問題的分析，以機(jī)房CFD建模作為主要分析工具，通過模型的校驗(yàn)、數(shù)據(jù)對(duì)比中發(fā)現(xiàn)造成機(jī)房實(shí)際能耗偏高的問題原因，針對(duì)性進(jìn)行優(yōu)化策略的制訂，同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)部署前，通過對(duì)優(yōu)化策略進(jìn)行模擬，驗(yàn)證策略的有效性，也驗(yàn)證策略的安全性，確保機(jī)房運(yùn)行的安全。通過在典型機(jī)房的試點(diǎn)，該優(yōu)化方法取得了良好效果，可為類似情況提供借鑒。