基于熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)中心高密度設(shè)備散熱優(yōu)化

徐文冰，王晨平，王克勇，潘 俊，陳 璐

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

數(shù)字經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展給數(shù)據(jù)中心的建設(shè)帶來了新機(jī)遇[1]。作為典型的高耗電單元，數(shù)據(jù)中心的運(yùn)維也為電力系統(tǒng)帶來了新挑戰(zhàn)。電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）是衡量數(shù)據(jù)中心能耗的一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)，而制冷系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心各配套系統(tǒng)中耗電占比較大，因此成為降低PUE指標(biāo)工作的重中之重[2]。在衡量數(shù)據(jù)中心冷卻效果的指標(biāo)后，應(yīng)提出相應(yīng)的優(yōu)化與解決措施，以此降低能耗，推進(jìn)數(shù)據(jù)中心綠色發(fā)展的進(jìn)程。

在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的探索，旨在基于熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)，用數(shù)值模擬的方式對(duì)氣流組織進(jìn)行優(yōu)化分析[3]。陳杰在對(duì)機(jī)房熱環(huán)境的模擬研究中發(fā)現(xiàn)，封閉冷通道在避免氣流短路和實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗方面頗有成效[4]。蔣劍云等分別模擬研究了“封閉冷通道＋地板下送風(fēng)”方案和“封閉熱通道＋吊頂回風(fēng)”方案對(duì)機(jī)房熱環(huán)境的影響，結(jié)果表明“封閉熱通道＋吊頂送風(fēng)”的方案更優(yōu)，不僅可以提高空調(diào)送回風(fēng)溫度，還不會(huì)出現(xiàn)機(jī)房局部熱點(diǎn)的問題[5]。GONDIPALLI等通過改變冷通道門和封頂設(shè)計(jì)，進(jìn)一步優(yōu)化了機(jī)房內(nèi)的氣流組織，改善了機(jī)房熱環(huán)境[6]。

本文在國內(nèi)外既有研究的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術(shù)對(duì)江蘇省南京市某數(shù)據(jù)中心機(jī)房熱環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，并基于熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)不同的機(jī)房氣流組織進(jìn)行對(duì)比分析。進(jìn)一步，提出分步優(yōu)化策略，為數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境優(yōu)化提供參考。

1 機(jī)房概況

該項(xiàng)目位于南京市某數(shù)據(jù)中心互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Date Center，IDC）機(jī)房，機(jī)房規(guī)格為24 m×16.2 m，送風(fēng)形式為彌漫送風(fēng)，吊頂回風(fēng)，封閉熱通道。設(shè)計(jì)風(fēng)量56 000 m3/h，空調(diào)數(shù)量為7臺(tái)（6用1備，單臺(tái)設(shè)計(jì)冷量225 kW），送風(fēng)設(shè)計(jì)溫度25 ℃，回風(fēng)設(shè)計(jì)溫度38 ℃。機(jī)房服務(wù)器機(jī)架共151個(gè)，單機(jī)架設(shè)計(jì)平均功耗8 kW。

2 研究方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 研究方法

本文運(yùn)用CFD軟件對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的熱環(huán)境和氣流組織進(jìn)行研究，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。

在建模與求解之前作出簡化假設(shè)：采用Boussinesq 假設(shè)；將墻壁視作絕熱壁面；單個(gè)機(jī)柜的發(fā)熱量不隨時(shí)間變化；忽略地板靜壓箱內(nèi)電纜及其他障礙物等等。

2.2 數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)

供熱指數(shù)（Supply Heat Index，SHI）、回?zé)嶂笖?shù)（Return Heat Index，RHI）和回風(fēng)溫度指數(shù)（Return Temperature Index，RTI）都是目前較為主流的評(píng)價(jià)指標(biāo)[7,8]。

SHI指標(biāo)表示在冷風(fēng)冷卻機(jī)柜之前的冷量損失與總冷量損失之比，比值越小，表明冷量的利用效果越好，理想狀態(tài)值為0；RHI指標(biāo)表示冷風(fēng)用于冷卻機(jī)房機(jī)柜的冷量損失與總的冷量損失之比，比值越大，表明送風(fēng)冷卻效果越好，理想狀態(tài)值為1。SHI、RHI具體定義式為

式中：Q為機(jī)房內(nèi)所有機(jī)柜的散熱量，kW；?Q為冷氣流進(jìn)入機(jī)柜前的焓增，kW；為通過第i列第j排機(jī)柜的空氣質(zhì)量流量，kg/s；為第i列第j排機(jī)柜進(jìn)、排風(fēng)平均溫度，℃；Tref為機(jī)房送風(fēng)溫度，即參考溫度，℃；Cp為空氣定壓比熱容，kJ/(kg·K)。

RTI指標(biāo)可判定機(jī)柜中的空氣再循環(huán)和短路現(xiàn)象，具體定義式為

式中：TReturn為機(jī)房回風(fēng)溫度，℃；TSupply為機(jī)房送風(fēng)溫度，℃；?TEquipment為IT設(shè)備進(jìn)排風(fēng)平均溫差，℃。RTI指標(biāo)反映冷熱氣流的混合程度，RTI值越接近1，說明機(jī)房氣流組織越合理、熱環(huán)境評(píng)價(jià)越高[9]。

3 建模求解及分析

3.1 建模及網(wǎng)格劃分

本文選用6Sigma Room軟件進(jìn)行物理建模與網(wǎng)格劃分，冷通道寬1.8 m，熱通道寬1.5 m，吊頂高度為3.4 m。網(wǎng)格數(shù)量為2 921 000個(gè)，求解殘差判定模型收斂，迭代次數(shù)為1 000次，CFD殘差收斂值為0.1。物理模型如圖1所示，其中，為了提高送回風(fēng)效率，在機(jī)組送回風(fēng)口處增設(shè)導(dǎo)流氣道，送風(fēng)口處為漸擴(kuò)型喇叭口，回風(fēng)口處為非漸擴(kuò)型長方體。

圖1 某IDC機(jī)房物理模型

3.2 初始工況模擬結(jié)果分析

CFD模擬結(jié)果如圖2所示。其中，為了完整顯示各機(jī)架的最大出口溫度，將模型中的各橫梁作隱藏處理。

圖2 初始工況CFD模擬結(jié)果（送回風(fēng)流線及各機(jī)架最大出口溫度）

由圖2可知，由于機(jī)組送風(fēng)口處出口風(fēng)速過高，短距離內(nèi)機(jī)組大風(fēng)量直接從風(fēng)口下部沖出，只有極少部分流線從喇叭口上側(cè)流出，故漸擴(kuò)型喇叭口幾乎不起效，送風(fēng)彌漫性很差。同時(shí)，最大機(jī)架出口溫度為41.4 ℃，且出現(xiàn)熱點(diǎn)，故該工況不滿足設(shè)計(jì)要求。此外，通過導(dǎo)出各機(jī)架的平均進(jìn)出口溫度，初始工況下的SHI計(jì)算值為0.009，RHI計(jì)算值為0.991，RTI的計(jì)算值為0.94。

4 優(yōu)化方案模擬結(jié)果分析

4.1 優(yōu)化工況1

由于初始工況出口風(fēng)速較高，此時(shí)動(dòng)壓大，靜壓小，送風(fēng)均勻性差。為了改善這一問題，擬降低機(jī)組的出口風(fēng)速，即在保證風(fēng)量不變的情況下，將送風(fēng)口尺寸由2 000 mm×400 mm改為3 200 mm×2 400 mm，則出口風(fēng)速由4 m/s降為2.5 m/s。優(yōu)化工況1的CFD模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 優(yōu)化工況1 CFD模擬結(jié)果（送回風(fēng)流線及各機(jī)架最大出口溫度）

由圖3可知，在降低了機(jī)組送風(fēng)速度后，從喇叭口上側(cè)流出的流線略有增加，但漸擴(kuò)型喇叭口仍然沒有充分發(fā)揮效果，送風(fēng)彌漫性不強(qiáng)。最大機(jī)架出口溫度為41.3 ℃，相較于初始工況略有好轉(zhuǎn)，但仍不滿足設(shè)計(jì)要求。

此外，通過導(dǎo)出各機(jī)架的平均進(jìn)出口溫度，優(yōu)化工況1下的SHI計(jì)算值為0.009，與初始工況相比幾乎沒有變化，RHI計(jì)算值為0.991，與初始工況相比幾乎沒有變化；RTI的計(jì)算值為0.91，與初始工況相比降低了0.03。結(jié)合流線分析、各機(jī)架最大出口溫度分析以及評(píng)價(jià)指標(biāo)的對(duì)比，該工況的優(yōu)化程度較差，故需要重新考慮優(yōu)化路徑。

4.2 優(yōu)化工況2

考慮到擴(kuò)大送風(fēng)口尺寸的方式難以消除局部熱點(diǎn)，擬從漸擴(kuò)型喇叭口著手，增設(shè)導(dǎo)流板，將冷空氣送風(fēng)均勻?qū)Я鳎瑥亩鰪?qiáng)送風(fēng)彌漫性，并消除室內(nèi)熱點(diǎn)，使氣流組織符合設(shè)計(jì)要求。本文對(duì)若干種導(dǎo)流板形式進(jìn)行對(duì)比，選擇最優(yōu)的1種工況（優(yōu)化工況2）進(jìn)行介紹與分析，導(dǎo)流板的具體設(shè)置情況和CFD模擬結(jié)果如圖4 所示。

圖4 導(dǎo)流板設(shè)置情況及優(yōu)化工況2CFD模擬結(jié)果

共有6塊導(dǎo)流板，排成4列，旨在增強(qiáng)送風(fēng)彌漫性，使其向喇叭口上部擴(kuò)散。

由圖4可知，在降低了機(jī)組送風(fēng)速度且合理增設(shè)導(dǎo)流板后，從喇叭口上側(cè)流出的流線數(shù)量有顯著增加，送風(fēng)彌漫性明顯增強(qiáng)。另外，最大機(jī)架出口溫度為38.7 ℃，相較于初始工況降低了2.6 ℃，且消除了局部熱點(diǎn)。此外，通過導(dǎo)出各機(jī)架的平均進(jìn)出口溫度，優(yōu)化工況2下的SHI計(jì)算值為0.004，相較于初始工況降低了0.005，RHI計(jì)算值為0.996，相較于初始工況增加了0.005；RTI的計(jì)算值為0.98，相較于初始工況降低了0.04。

通過模擬結(jié)果分析可知，通過合理增設(shè)導(dǎo)流板，可以有效降低機(jī)架排風(fēng)溫度，消除室內(nèi)熱點(diǎn)。但優(yōu)化工況2的最大出口溫度仍有一定的優(yōu)化空間，本文給出3點(diǎn)優(yōu)化思路。

（1）優(yōu)化出風(fēng)方式。由模擬結(jié)果可知，單純通過喇叭口難以達(dá)到較好的擴(kuò)散效果，可適當(dāng)增大喇叭口的距離。另外，宜在風(fēng)管內(nèi)增加均流導(dǎo)流板，可同時(shí)在風(fēng)口處設(shè)置70%鏤空率橫向整流百葉。

（2）優(yōu)化送風(fēng)距離。為保證遠(yuǎn)端機(jī)柜的動(dòng)壓，需要提供較大的送風(fēng)風(fēng)速。而風(fēng)速提高后，第一排機(jī)柜對(duì)氣流的阻擋作用會(huì)形成氣流死角，氣流組織較差?？稍诳拷L(fēng)機(jī)一側(cè)的第一個(gè)機(jī)柜前增加一個(gè)假柜體，起到均流作用，或?qū)⒘蓄^柜改在左側(cè)，代替假柜體的作用。具體實(shí)施方式應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場情況實(shí)行。

（3）降低回風(fēng)速度。當(dāng)前工況下的回風(fēng)風(fēng)速較高，可參考送風(fēng)形式，將回風(fēng)口也設(shè)置為喇叭口形式，以此增大回風(fēng)口面積，從而降低回風(fēng)速度，改善機(jī)房內(nèi)的氣流組織。

5 結(jié) 論

本文通過對(duì)數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境指標(biāo)的介紹，并基于某工程實(shí)例對(duì)數(shù)據(jù)中心高密度設(shè)備散熱情況進(jìn)行了仿真模擬與優(yōu)化分析。結(jié)果表明如下。

（1）初始工況下的SHI計(jì)算值為0.009，RHI計(jì)算值為0.991，RTI的計(jì)算值為0.94，最大機(jī)架出口溫度為41.4 ℃，且出現(xiàn)熱點(diǎn)，不滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）通過改變送風(fēng)口尺寸，降低機(jī)組出口風(fēng)速，得到優(yōu)化工況1。該工況下的SHI計(jì)算值為0.009，RHI計(jì)算值為0.991，與初始工況相比幾乎沒有變化；RTI的計(jì)算值為0.91，與初始工況相比降低了0.03。最大機(jī)架出口溫度為41.3 ℃，相較于初始工況略有好轉(zhuǎn)，但仍不滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）通過合理加設(shè)導(dǎo)流板，增強(qiáng)送風(fēng)彌漫性，得到優(yōu)化工況2。該工況下的SHI計(jì)算值為0.004，相較于初始工況降低了0.005，RHI計(jì)算值為0.996，相較于初始工況增加了0.005；RTI的計(jì)算值為0.98，相較于初始工況增加了0.04；最大機(jī)架出口溫度為38.7 ℃，相較于初始工況降低了2.4 ℃，且消除了局部熱點(diǎn)，符合設(shè)計(jì)要求。

（4）為了進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)房熱環(huán)境，提出3點(diǎn)思路，分別是優(yōu)化出風(fēng)方式、優(yōu)化送風(fēng)距離和降低回風(fēng)速度。具體實(shí)施方式應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場情況實(shí)行。