特殊空間高密度機房制冷解決方案

謝靜

上海郵電設(shè)計咨詢研究院有限公司

0 引言

5G 時代隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)處理需求巨大增長，極大地帶動了高密度機房的建設(shè)和發(fā)展[1]。受限于建設(shè)條件，有相當數(shù)量的高密度機房是利用既有建筑進行改建的[2]，在既有建筑結(jié)構(gòu)條件下，如何進行充分的有效冷卻，確保高密度機房的安全運行，是亟待深入探討和解決的問題[3]。

對于單機柜功率10 kW 高密度機房，通常采用液冷、背板空調(diào)、列間空調(diào)等就近制冷方式[4-6]，項目受限于既有建筑上下二層的特殊空間結(jié)構(gòu)形式，需另辟蹊徑尋求新的解決途徑。本文嘗試借助CFD 軟件對流體進行數(shù)值計算和仿真模擬，優(yōu)化機房氣流組織，采用房間級專用空調(diào)解決高密度機房的制冷問題。

1 機房介紹

項目為上下二層鋼結(jié)構(gòu)既有建筑，一層高度3.8 m，二層高度4.2 m，一、二層間為鋼格柵地板，因自身條件制約，建筑不具備加固條件。一層滿足設(shè)備承重，但高度偏低無法安裝2.2 m 高機柜。二層高度滿足機柜安裝條件，但地板無法承受電池設(shè)備重量，且一、二層間無法實現(xiàn)各自密閉。結(jié)合既有建筑的特殊空間特點，將一層規(guī)劃為設(shè)備間，設(shè)有敷設(shè)各類管線的架空地板，其上放置房間級專用空調(diào)、電池設(shè)備，二層規(guī)劃為高密度機房，機柜放在鋼格柵地板上。建筑3D 模型詳見圖1。

圖1 建筑物3D 模型

二層高密度機房面積約275 m2，含三個模塊，共計104 個機柜、6 個UPS、6 個PDU，單機柜功率10kW。機柜采用背靠背、面對面的布置方式，機柜間形成冷、熱通道，非冷、熱通道處用靜電地板進行密封。單模塊最大機柜數(shù)36 個，IT 設(shè)備發(fā)熱量360 kW，UPS發(fā)熱量36 kW，圍護結(jié)構(gòu)冷負荷35 kW，單模塊冷負荷為360+36+35=431 kW，考慮10%冷量損失，單模塊空調(diào)冷負荷為431 kW×1.1=475 kW。一層設(shè)備間單模塊配置冷凍水房間級專用空調(diào)6 臺，用5 備1，單臺空調(diào)制冷量為100 kW，冷凍水供回水溫度為17/23 ℃，送風溫度在18～27 ℃[7]。二層高密度機房布置詳見圖2。

圖2 二層高密度機房布置圖

2 機房氣流組織模擬

2.1 氣流組織方案

為確保機柜冷量需求及有效減少冷、熱氣流摻混，采用冷通道封閉，氣流組織形式為上送側(cè)回式[8]。一層空調(diào)送風經(jīng)靜壓箱進入封閉冷通道，對二層的高密度機柜進行制冷，冷風經(jīng)機柜后溫度升高，熱風由于負壓作用，由機柜背面回到一層空調(diào)回風口。

2.2 模型建立

采用CFD 模擬軟件6SigmaRoom，建立三維模型，對機房的熱工特性進行分析[9]。通過機房垂直送、回風速度場及溫度場分布來分析空調(diào)系統(tǒng)制冷效果。

1）建模尺寸按照機房面積275 m2（18.0 m×15.3 m），一層高度3.8 m，二層高度4.2 m。機柜采用背靠背、面對面的布置方式，封閉冷通道，冷、熱通道間距均為1.8m，冷、熱通道鋼格柵網(wǎng)開孔率為75%。

2）機柜尺寸600 mm（寬）×1200 mm（深）×2200 mm（高），機柜內(nèi)服務(wù)器均勻布置，功率為10 kW。機柜前、后門為網(wǎng)孔門，開孔率68%，間隙處加盲板以防止熱空氣回流，考慮盲板泄漏率為5%。

3）UPS 尺 寸1200 mm（寬）×1200 mm（深）×2200 mm（高），功率均勻分布。PDU 設(shè)置為空機柜，考慮縫隙泄露。

4）空調(diào)尺寸為2100 mm（寬）×900 mm（深）×1900 mm（高），制冷量為100 kW,風量為28000 m3/h，送、回風口尺寸為2000 mm（長）×800 mm（寬）。

5）空調(diào)采用送風溫度控制，設(shè)定送風溫度19±1 ℃。冷通道外環(huán)境溫度為設(shè)定值32±1 ℃，室外屋頂溫度設(shè)定為45±1 ℃。

初步方案為空調(diào)分開布置，每個模塊內(nèi)6 臺專用空調(diào)正常運行。初步方案詳見圖3～圖5。

圖3 初步方案空調(diào)布置圖

圖4 初步方案送風立面圖

圖5 初步方案氣流組織剖面圖

2.3 求解控制

求解計算采用標準的κ-ε 湍流模型。軟件選用已標定的殘差來控制求解方程的收斂精度，模擬時各計算殘差曲線都收斂于1，代表各參數(shù)值趨于穩(wěn)定[10]。

2.3.1 速度場分布

通過CFD 模擬分析機房內(nèi)速度場分布。機柜不同高度速度分布差異較大，空調(diào)靜壓箱內(nèi)氣流紊亂，風速偏高，箱內(nèi)最高速度達到9m/s。速度場分布詳見圖6。

圖6 初步方案速度場分布

2.3.2 溫度場分布

風量、風速對氣流的作用都會反映到溫度場分布上，機房適宜的溫度環(huán)境是保證服務(wù)器正常運行的關(guān)鍵，所以溫度場的分析研究對改善機房氣流組織能進行有效地指導(dǎo)，通過CFD 模擬分析機房內(nèi)溫度場分布?？照{(diào)平均送風溫度19 ℃，平均回風溫度28 ℃，靠近二層頂部出現(xiàn)了33～39 ℃高溫層，高溫層厚度為1.0 m。溫度場分布詳見圖7。

圖7 初步方案溫度場分布

2.3.3 氣流組織分析

一層高度3800 mm，其中梁高850 mm，架空地板高度600 mm，空調(diào)及其風管高度2100 mm，靜壓箱高度為3800-850-600-2100=250 mm，靜壓箱高度過小，導(dǎo)致箱內(nèi)氣流混亂，最大風速高達9 m/s，局部出現(xiàn)紊流。高風速帶來送風系統(tǒng)高壓損，冷通道靜壓不足，風速衰減嚴重，二層頂部空氣流動性差，出現(xiàn)超過35 ℃高溫層。

高密度機房出現(xiàn)了送風氣流紊亂，局部溫度過高問題。

2.4 氣流組織優(yōu)化

空調(diào)制冷量滿足高密度機房冷負荷要求，風系統(tǒng)壓損大，機房風量不足導(dǎo)致氣流組織不理想，出現(xiàn)頂部熱量積聚現(xiàn)象。減少風系統(tǒng)壓損，要改變空調(diào)靜壓箱高度過小、箱內(nèi)氣流混亂現(xiàn)象。調(diào)整空調(diào)布置形式，充分利用現(xiàn)有空間的結(jié)構(gòu)特性，對初步方案的氣流組織進行改進，增大靜壓箱高度，降低箱內(nèi)風速。

2.4.1 改進方案——調(diào)整空調(diào)布置形式

采用改進方案——調(diào)整空調(diào)布置形式，空調(diào)由分開布置調(diào)整為背靠背布置。充分利用梁間高度空間850 mm，將靜壓箱高度由原250 mm 提高250+850=1100 mm，靜壓箱高度顯著提高。改進方案為空調(diào)背靠背布置，每個模塊內(nèi)6 臺專用空調(diào)正常運行。改進方案詳見圖8～圖10。

圖8 改進方案空調(diào)布置圖

圖9 改進方案送風立面圖

圖10 改進方案氣流組織剖面圖

通過CFD 模擬對比分析機房內(nèi)速度場及溫度場變化。整體風速相對穩(wěn)定，減少了風系統(tǒng)的壓損，冷、熱通道內(nèi)壓力較均衡?？照{(diào)靜壓箱內(nèi)速度由9 m/s 降至4 m/s，機柜不同高度速度分布差異減小。速度場分布詳見圖11?？照{(diào)平均送風溫度19 ℃，平均回風溫度28 ℃，在靠近二層頂部熱量積聚高溫層減薄，溫度范圍為32～34 ℃，較初步方案下降5 ℃。溫度場分布詳見圖12。

圖11 改進方案速度場分布

圖12 改進方案溫度場分布

2.4.2 改進方案氣流組織分析

改進方案——調(diào)整空調(diào)布置形式，空調(diào)背靠背布置從根本上解決了靜壓箱高度過小、箱內(nèi)氣流混亂問題，減少了風系統(tǒng)壓損，靜壓箱內(nèi)氣流回歸到合理的速度，箱體對送風氣流起到了穩(wěn)流、均壓作用，提高了冷通道靜壓，機柜不同高度風速分布更均勻。風系統(tǒng)壓損降低，加強了整個空間空氣流動性，二層頂部高溫層厚度明顯減小、溫度降低。高密度機房氣流組織得到了顯著改善，但二層頂部仍存在薄層的高溫帶。

建筑上下二層鋼結(jié)構(gòu)特殊空間，循環(huán)空間遠大于地板式送風、彌漫式送風等氣流組織形式，對循環(huán)風量要求較高。專用空調(diào)一般選用直流無刷免維護型EC 風機，受空調(diào)自身空間限制，均為標配產(chǎn)品，對其選型很難進行調(diào)整。在初步方案溫度場分布二層頂部出現(xiàn)了1.0 m 厚高溫層，改進方案降低了風系統(tǒng)壓損，氣流組織得到了顯著改善，二層頂部高溫層減薄、溫度下降，但高溫帶仍舊清晰可見，說明專用空調(diào)自身配備的風機壓力是無法滿足大空間循環(huán)風量要求的，只有新增循環(huán)風機，對專用空調(diào)風機的循環(huán)動力進行補充，對改進方案進行完善，提高整個空間的空氣流動性，才能避免局部熱量積聚，消除二層頂部高溫層。

2.4.3 完善方案——新增循環(huán)風機

充分利用建筑上下二層鋼結(jié)構(gòu)特殊空間，在一、二層間鋼格柵地板主梁下，吊裝布置若干數(shù)量的EC 風機，新增風機處于機柜背面的排風熱通道，氣流方向由熱通道進風，排風至專用空調(diào)回風口上部，與專用空調(diào)風機形成接力，提高整個大空間的氣流擾動，力爭消除頂部高溫層。完善方案為空調(diào)背靠背布置，每個模塊內(nèi)6 臺專用空調(diào)正常運行，并在一層頂?shù)跹b若干數(shù)量的EC 風機。完善方案詳見圖13、圖14。

圖13 EC 風機布置圖

圖14 EC 風機布置剖面圖

通過CFD 模擬對比分析機房內(nèi)速度場及溫度場變化。冷、熱通道內(nèi)壓力更為均衡，機柜不同高度速度分布差異減小，空調(diào)靜壓箱內(nèi)速度由背靠背布置4/s提高至4.8 m/s，空調(diào)系統(tǒng)風量整體增加，EC 風機處風速超過8 m/s，速度場分布詳見圖15?？照{(diào)平均送風溫度18 ℃，平均回風溫度28 ℃，靠近二層頂部熱量積聚高溫帶基本消失，溫度范圍為27～30 ℃，較改進方案下降4～5 ℃，溫度場分布詳見圖16。

圖15 完善方案速度場分布

圖16 完善方案溫度場分布

完善方案——新增循環(huán)風機，空調(diào)循環(huán)動力增加，加大了空調(diào)送、回風量，整個空間風量增加，加強了空氣流動性，二層頂部高溫帶基本消失、溫度下降，機房氣流組織良好，無局部熱點，滿足高密度機房安全運行要求。

通過CFD 模擬對比分析機房內(nèi)速度場及溫度場變化，制冷方案經(jīng)歷了初步確定、改進提升、優(yōu)化完善三個階段，最終確定采用完善方案作為高密度機房實施方案。

2.5 效果評價

按照完善方案，每個模塊配置6 臺冷凍水空調(diào)，3個模塊在一層設(shè)備間安裝30 臺冷凍水空調(diào)，布置方式為背靠背，冷凍水空調(diào)的管道、閥門等配件敷設(shè)于一層架空地板內(nèi)，架空地板下設(shè)有排水口、應(yīng)急泄水口及地濕告警裝置，確保內(nèi)部無積水?？照{(diào)及蓄電池安裝于架空地板上，在一層頂鋼格柵地板主梁下吊裝60臺EC 風機，吊裝風機總風量與空調(diào)設(shè)備總風量基本接近。

項目施工自2019 年3 月起，歷時8 個月完成，并進行了為期15 天的假負載測試。經(jīng)假負載測試，各項指標均符合高密度機房運行要求，確定高密度機房可以投入使用。

高密度機房2020 年5 月投入使用，至今運行情況良好，各項指標正常。

3 結(jié)論

通過對該特殊空間高密度機房熱工性能的模擬，針對機房氣流混亂、部分區(qū)域風量不足和局部熱點等問題，通過CFD 模擬對比分析機房內(nèi)速度場及溫度場變化，調(diào)整空調(diào)布置形式、提高循環(huán)風量，對高密度機房氣流組織進行了優(yōu)化完善，得出如下結(jié)論：

1）特殊空間高密度機房氣流組織有別于常規(guī)建筑，采用CFD 軟件模擬預(yù)測室內(nèi)空氣分布情況，對機房速度、溫度等物理量進行評估，有針對性的進行氣流組織優(yōu)化，是解決特殊空間高密度機房制冷問題行之有效的方法。

2）在既有特殊空間建筑內(nèi)建設(shè)高密度機房，要根據(jù)其空間特點，充分利用現(xiàn)有條件合理布置設(shè)備及配件，要敢于打破常規(guī)思維模式，因地制宜地選擇制冷解決方案，經(jīng)過嚴謹?shù)脑u估及深入的研究，在某些特殊空間采用房間級專用空調(diào)是可以解決單機柜功率10 kW高密度機房制冷需求。

3）特殊空間建筑因其空間屬性，當專用空調(diào)制冷量滿足機房冷負荷需求，模擬中卻出現(xiàn)熱點時，可能存在多方面的原因。進行氣流組織優(yōu)化，提高冷量利用率是解決熱點問題的方向之一。