數(shù)據(jù)中心機(jī)房氣流組織優(yōu)化分析

牛婷婷，蓋東興*，李振財

（1-武漢工程大學(xué)光電信息與能源工程學(xué)院、數(shù)理學(xué)院，湖北武漢 430205；2-北京云泰數(shù)通互聯(lián)網(wǎng)科技有限公司，北京 101102）

0 引言

隨著信息技術(shù)的磅礴發(fā)展和信息化進(jìn)程的不斷深入，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和發(fā)展也面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。伴隨著全球每年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量的成倍增長，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，所需要的能耗也在不斷上升[1-2]。數(shù)據(jù)中心能耗問題日益嚴(yán)峻[3]，如何降低數(shù)據(jù)中心能耗，尤其是冷卻系統(tǒng)的能耗，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的綠色發(fā)展，已成為業(yè)界關(guān)注和突破的焦點[4-5]。

數(shù)據(jù)中心的能耗主要由信息技術(shù)（Information Technology，IT）設(shè)備、配電系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)三部分構(gòu)成[6]，其中除IT 設(shè)備外，空調(diào)系統(tǒng)的能耗占比最高[7]，約占數(shù)據(jù)中心總能耗的40%[8-9]。數(shù)據(jù)中心IT 設(shè)備運(yùn)行時會產(chǎn)生大量的熱能使機(jī)房溫度升高，因此需要一直供冷，既要選擇合適的空調(diào)系統(tǒng)，使機(jī)房能耗不至于過高[10]，又要保持適宜的室內(nèi)溫度使設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行[11]。而氣流組織是影響熱環(huán)境的主要因素[12]，合理的氣流組織形式不僅可以最大效率的利用冷空氣，避免冷熱空氣混合造成的能耗浪費(fèi)，還可以避免機(jī)房內(nèi)局部過熱而影響設(shè)備的正常運(yùn)行[13]。因此，優(yōu)化機(jī)房的氣流組織具有較大的節(jié)能潛力，并且能夠有效消除局部熱點[14]。

CFD 數(shù)值模擬被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心氣流組織的模擬分析優(yōu)化[14-18]，通過CFD 模擬軟件對數(shù)據(jù)中心機(jī)房進(jìn)行模擬，可以預(yù)測分析機(jī)房內(nèi)的熱環(huán)境和氣流組織情況，根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)計合理的優(yōu)化方案，以提高空調(diào)系統(tǒng)冷量利用率，避免設(shè)計不合理而引起的局部熱點等問題，對數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排有重要的意義。

1 機(jī)房模型建立

1.1 模型可靠性驗證

為了驗證模型的準(zhǔn)確性，在機(jī)房冷熱通道內(nèi)選取30 個點進(jìn)行了溫度測量，測點的位置距離架空地板的高度為1.5 m。圖1 所示為測量值與模擬值的溫度對比，總體而言測量值與模擬值有相同的變化趨勢，不同位置服務(wù)器之間的出口溫差較大，原因是實際機(jī)房內(nèi)各機(jī)柜功率差別較大，在送風(fēng)溫度基本相同時，機(jī)柜出口溫度由機(jī)柜功率主導(dǎo)。

圖1 模擬值與實測值溫度對比

由圖1 可知：模擬結(jié)果與測量結(jié)果有一致的變化趨勢，且在數(shù)值上最大偏差溫度為6 ℃，在正常偏差范圍20%以內(nèi)，因此可認(rèn)為本文所建立的數(shù)據(jù)中心CFD 模型具有一定的準(zhǔn)確性和可靠性，可以用于實際工程的模擬分析。

1.2 模型建立

本文研究的數(shù)據(jù)中心機(jī)房面積為 304.7 m2（20.45 m×14.9 m），機(jī)房層高5.3 m，機(jī)房空調(diào)間內(nèi)布置6 臺制冷量為160.8 kW 的冷凍水型精密精密空調(diào)，采用4 用2 備的運(yùn)行方式，每臺空調(diào)最大送風(fēng)量為35 400 m3/h，送風(fēng)溫度設(shè)置為21 ℃。機(jī)房內(nèi)選用600 mm（寬）×1 100 mm（深）×2 200 mm（高）的47U 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，為減少冷熱氣流摻混，機(jī)柜采用背對背、面對面擺放形式，機(jī)柜內(nèi)放置IT設(shè)備。機(jī)柜總數(shù)量為131 個，單機(jī)柜電力限額4 kW。機(jī)房采用機(jī)架下送風(fēng)，下送上回的送風(fēng)方式，架空地板高度為800 mm，尺寸為600 mm×600 mm。3種氣流組織如圖2 所示。

圖2 機(jī)房氣流組織

冷通道封閉已被證實是改善機(jī)房熱環(huán)境的有效措施[20]，因此，利用冷通道封閉技術(shù)，可以將機(jī)房中的冷熱空氣進(jìn)行隔離，減少冷熱空氣的摻雜，讓冷空氣能夠有效的對設(shè)備進(jìn)行降溫，提高冷量利用率。數(shù)據(jù)中心原機(jī)房采用機(jī)架下送風(fēng)模式，針對原機(jī)房氣流組織形式，設(shè)計了機(jī)架下送風(fēng)+冷通道封閉和地板送風(fēng)+冷通道封閉的氣流組織形式，模擬研究3 種不同氣流組織形式對環(huán)境溫度的影響。

本次模擬計算方法選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，數(shù)值模擬基于連續(xù)性方程、能量方程、動量方程。模擬軟件采用殘差值為1，當(dāng)殘差接近于1 且沒有震蕩的趨勢時，表明收斂效果較好，溫度、壓力、速度等物理量計算值趨于穩(wěn)定。

2 模擬結(jié)果與分析

本次模擬分別對3 種不同氣流組織形式下的機(jī)房室內(nèi)溫度場、流場進(jìn)行分析。

2.1 溫度場分析

機(jī)房內(nèi)適宜的溫度環(huán)境是保證服務(wù)器設(shè)備正常運(yùn)行及數(shù)據(jù)中心節(jié)能的關(guān)鍵，通過對機(jī)房溫度分布的分析，可以指導(dǎo)機(jī)房氣流組織的優(yōu)化[21]。根據(jù)模擬結(jié)果分別選取距地板0.2、1.0 和1.8 m 三個不同高度的機(jī)柜頂部截面進(jìn)行對比分析。三個高度截面的溫度分布云圖如圖3～圖5 所示。

圖3 距地面0.2 m 高度截面溫度分布

圖4 距地面1 m 高度截面溫度分布

圖5 距地面1.8 m 高度截面溫度分布

由圖3～圖5 可知：在距地板0.2、1.0 和1.8 m三個不同高度上，地板下送風(fēng)＋冷通道封閉方案的氣流組織相比較另外兩種氣流組織而言，低溫區(qū)域稍多，高溫區(qū)域略少，同時冷通道內(nèi)溫度分布均勻且都在24 ℃左右，整體送風(fēng)效果較好。

同時獲取了不同截面溫度最大值、平均值如表1 所示。其中A 代表機(jī)柜下送風(fēng)方案、B 代表機(jī)柜下送風(fēng)+封閉冷通道方案、C 代表地板下送風(fēng)+封閉冷通道方案。由表1 可知：在0.2 m 和1.0 m 高度截面上3 個方案機(jī)房內(nèi)平均溫度差異比較明顯，地板下送風(fēng)＋封閉方案最低、原機(jī)房方案最高，在1.8 m 高度截面上機(jī)架下送風(fēng)+封閉平均溫度最低，另外2 個方案平均溫度差異不大。在0.2 m 高度截面上3 個方案的機(jī)房內(nèi)最高溫度差異不大，在1 m和1.8 m 高度截面上，地板下送風(fēng)＋冷通道封閉方案的最高溫度均是最低。由此可以得出，地板下送風(fēng)＋冷通道封閉方案相較于其它兩種方案，降低了機(jī)房內(nèi)最高溫度值，有利于消除局部熱點。

表1 不同截面溫度平均值、最大值

機(jī)房內(nèi)各機(jī)柜的溫度分布如圖6 所示。由圖6可知：在原機(jī)房氣流組織情況下，出現(xiàn)的熱點機(jī)柜較多，出現(xiàn)了9 個過熱機(jī)柜，機(jī)架下送風(fēng)+封閉方案則出現(xiàn)了8 個，而地板送風(fēng)+封閉方案沒有熱點機(jī)柜。說明地板送風(fēng)+冷通道封閉方案能使機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度更均勻，有利于消除熱點機(jī)柜。

圖6 各機(jī)柜溫度分布

2.2 流場分析

分別截取3 種送風(fēng)方式的機(jī)房流場分布圖，分為俯視圖和主視圖，如圖7 和圖8 所示。

由圖7 俯視圖可以看到三種方案都會產(chǎn)生不同程度的渦流，但圖7(c)的地板送風(fēng)+冷通道封閉方案所產(chǎn)生渦流和另外兩種方案比更少，且渦流范圍更小，氣流分布相對均勻一些，流線也更加密集。機(jī)架下送風(fēng)方案由于某些機(jī)柜無法吸收到其它送風(fēng)口的冷風(fēng)而導(dǎo)致熱點，而機(jī)架下送風(fēng)+冷通道封閉和地板送風(fēng)+冷通道封閉方案由于可以吸收冷通道內(nèi)的冷風(fēng)而消除熱點。由圖8 側(cè)視圖可知：機(jī)架下送風(fēng)和機(jī)架下送風(fēng)+冷通道封閉方案機(jī)房上部存在冷熱風(fēng)摻混的現(xiàn)象，且回風(fēng)溫度較高；而地板下送風(fēng)+冷通道封閉方案下，機(jī)房上部回風(fēng)溫度較低，機(jī)柜上部基本不存在冷熱氣流摻混的情況，對于冷風(fēng)的利用率較高。

3 結(jié)論

本文利用CFD 模擬軟件研究了機(jī)柜下送風(fēng)、機(jī)柜下送風(fēng)+冷通道封閉和地板下送風(fēng)+冷通道封閉3 種封閉方案下的機(jī)房氣流組織，分析了機(jī)房內(nèi)溫度場、機(jī)柜溫度分布、機(jī)房內(nèi)流場來比較這3 種封閉方案的機(jī)房熱環(huán)境及氣流組織的合理性，得到如下結(jié)論：

1）地板送風(fēng)+冷通道封閉方案下，機(jī)房低溫區(qū)域較多，高溫區(qū)域很少，同時冷通道內(nèi)溫度分布均勻且都在24 ℃左右，整體送風(fēng)效果較好，機(jī)房在不同高度的溫度截面圖上最大溫度只有36.4 ℃，而另外兩種送風(fēng)方式的溫度最大值分布達(dá)到了40.6 ℃和40.7 ℃；

2）地板送風(fēng)+冷通道封閉方案可有效解決局部熱點問題，原機(jī)房氣流組織情況下出現(xiàn)了9 個過熱機(jī)柜，機(jī)架下送風(fēng)+冷通道封閉方案則出現(xiàn)了8個，而地板送風(fēng)+冷通道封閉方案沒有熱點機(jī)柜；

3）地板送風(fēng)+冷通道封閉方案下所產(chǎn)生的氣流相對均勻一些，渦流范圍較小，流線也比其他兩種方案密集，且回風(fēng)溫度明顯降低，機(jī)柜上部基本不存在冷熱氣流摻混的情況。