楊超，黃赟，丁聰

(1 北京瑞思博創(chuàng)科技有限公司，北京 100036；2 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)上海有限公司，上海 200060；3 上海郵電設(shè)計(jì)咨詢研究院有限公司，上海 200092)

1 引言

數(shù)據(jù)中心機(jī)房作為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)蓬勃發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，存放著大量的IT設(shè)備，機(jī)房?jī)?nèi)單位面積發(fā)熱量大，傳統(tǒng)的氣流組織形式已經(jīng)不能有效解決機(jī)房散熱問(wèn)題。同時(shí)空調(diào)制冷系統(tǒng)需要消耗大量的電能，據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均每個(gè)通信機(jī)房中空調(diào)的電費(fèi)支出約占總電費(fèi)的45%左右。

空調(diào)系統(tǒng)的能耗成為運(yùn)營(yíng)商最關(guān)注的節(jié)能問(wèn)題。如何保證機(jī)房IT設(shè)備的工作環(huán)境滿足要求，最大程度節(jié)省電能，這對(duì)機(jī)房的熱管理設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前數(shù)據(jù)中心均采用強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻IT設(shè)備，氣流組織設(shè)計(jì)成為空調(diào)制冷系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵。國(guó)外針對(duì)氣流組織做了大量的研究，CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）被廣泛用來(lái)分析和優(yōu)化機(jī)房和IT設(shè)備內(nèi)部的氣流組織和溫度分布。

目前在數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)計(jì)中廣泛采用由英國(guó)Future Facilities公司研發(fā)的數(shù)據(jù)中心氣流組織仿真軟件6SigmaDC。該軟件含有豐富的模型庫(kù)，可快速搭建數(shù)據(jù)中心機(jī)房，模擬、仿真、預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)中心內(nèi)的熱環(huán)境，以動(dòng)畫、視頻等多種方式顯示溫度場(chǎng)、氣流場(chǎng)、壓力場(chǎng)、濕度等。

本文采用6SigmaDC模擬了機(jī)柜擺放方向、高架地板高度、地板格柵布置、封閉通道等情況的熱環(huán)境，仿真獲得的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流線圖直觀形象，方便評(píng)估改善措施對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的影響，為機(jī)房的氣流組織優(yōu)化和布局設(shè)計(jì)以及節(jié)能改造提供指導(dǎo)。

2 機(jī)房氣流組織CFD優(yōu)化

2.1 機(jī)柜面對(duì)面擺放

目前數(shù)據(jù)中心機(jī)房相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都要求機(jī)柜擺放為面對(duì)面、背靠背，開孔地板布置在冷通道中，這樣可減少空氣混合，降低冷通道的溫度，熱風(fēng)回流到精密空調(diào)，有較高的回風(fēng)溫度，制冷效率高。

這種擺放方式下實(shí)際氣流組織如何，是否存在氣流組織混亂，混亂的具體地方在哪兒，都不得而知。采用6SigmaDC軟件進(jìn)行CFD仿真，可用溫度云圖和氣流流線圖直觀反應(yīng)熱環(huán)境。

從溫度云圖可知，機(jī)柜背靠背、面對(duì)面擺放，形成了十分明顯的冷、熱通道隔離，對(duì)于開孔地板所在的冷通道區(qū)域，沒(méi)有熱氣流回流引起的明顯的送風(fēng)溫度升高，在機(jī)柜兩端和冷通道上方，還是存在一定區(qū)域的冷熱氣流混合。

2.2 優(yōu)化高架地板配置

目前機(jī)房中常采用高架地板下送風(fēng)的方式，因?yàn)楦呒艿匕逑路匠溆瘉?lái)自空調(diào)的冷空氣，形成靜壓箱，然后冷空氣根據(jù)壓差流向地板格柵和其他開孔位置，從而為IT設(shè)備提供冷卻所需空氣。

根據(jù)《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2008，活動(dòng)地板的高度作為空調(diào)靜壓箱時(shí)，不宜小于400 mm。

2.2.1 優(yōu)化地板格柵配置

以單機(jī)柜3kW熱耗、面高500 mm活動(dòng)地板、封閉冷通道配置的常規(guī)矩形機(jī)房為例，進(jìn)行CFD模擬，在地板格柵開孔率為30%、40%、50%下分別仿真流量分布，發(fā)現(xiàn)距離空調(diào)越近，流出地板格柵的空氣流量越?。痪嚯x空調(diào)越遠(yuǎn)，流出地板格柵的空氣流量越大。當(dāng)?shù)匕甯駯砰_孔率越大時(shí)，阻力越小，相同靜壓差下流量越大，會(huì)導(dǎo)致地板格柵之間送風(fēng)量嚴(yán)重的不均勻，50%的開孔面積的地板格柵尤為明顯，距離空調(diào)最近的地板格柵出現(xiàn)了凈流量為負(fù)值的情況。

地板格柵流量分配不均勻時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致相鄰機(jī)柜流量掠奪現(xiàn)象及機(jī)柜出風(fēng)溫度的差異。

利用地板格柵不同的開孔面積在不同位置的布局，來(lái)優(yōu)化高架地板送風(fēng)的流量，使其既能夠讓地板格柵風(fēng)量一致，又能夠減少送風(fēng)阻力。靜壓高的地方，應(yīng)采用開孔率小的地板格柵。

在CFD仿真中，將距離空調(diào)單元較近的地板格柵，采用高開孔面積的格柵，由近及遠(yuǎn)分別設(shè)置為70%、50%、40%，后面則逐漸降低開孔面積，直到25%。這樣的布局在CFD仿真中，得到了較好的結(jié)果，地板格柵風(fēng)量趨于一致，并且沒(méi)有采用高阻力的地板格柵，降低了阻力，優(yōu)化地板格柵開孔面積設(shè)置后的機(jī)柜平均出風(fēng)溫度明顯降低。

2.2.2 高架地板的高度

根據(jù)規(guī)范，高架地板作為靜壓箱時(shí)，至少有400 mm高。原因是當(dāng)高度較小的時(shí)候，靜壓箱內(nèi)的氣流速度更大，導(dǎo)致前后機(jī)柜對(duì)應(yīng)的地板格柵靜壓差別更大，從而距離空調(diào)單元比較近的地板格柵出風(fēng)量很小，甚至成為負(fù)值（負(fù)壓把冷熱通道的風(fēng)帶入地板格柵下面）。隨著地板高度的增加，其靜壓箱內(nèi)速度降低，則地板格柵的靜壓更趨于一致性。

在相同地板柵格情況下，高架地板越小，兩端地板格柵的流量差異越大，其中0.4～0.6 m差異不太明顯。實(shí)際工程中可根據(jù)機(jī)房高度及高架地板下方阻礙物情況，選擇在0.4～0.6 m之間即可。

2.2.3 優(yōu)化障礙物的位置

高架地板下面可能布置電纜布線或冷凍水管道，從而障礙氣流流動(dòng)。

當(dāng)一個(gè)障礙物放置在前面的機(jī)柜下面時(shí)，本來(lái)較高流速的氣流會(huì)變得速度更高，靜壓降低，可能導(dǎo)致負(fù)壓嚴(yán)重，影響地板格柵的風(fēng)量。當(dāng)障礙物位于送風(fēng)的后段時(shí)，其風(fēng)速較低，靜壓較大，障礙物對(duì)于前后的地板格柵風(fēng)量影響都較小。

因此，高架地板下方的障礙物盡可能布置在遠(yuǎn)離空調(diào)的地方。

2.2.4 優(yōu)化空調(diào)與機(jī)柜的距離

高架地板下方，距離空調(diào)機(jī)柜越近，其風(fēng)速越高，靜壓越小，則對(duì)應(yīng)位置地板格柵風(fēng)量越小。因此高熱耗的機(jī)柜應(yīng)該布置在風(fēng)量相對(duì)比較充足的地方，而不是距離空調(diào)最近的位置。在實(shí)際工程中，在地板格柵送風(fēng)口上宜安裝調(diào)節(jié)閥，用來(lái)調(diào)節(jié)局部的靜壓和風(fēng)量，根據(jù)CFD仿真結(jié)合機(jī)房的實(shí)際測(cè)試調(diào)整調(diào)節(jié)閥。通過(guò)CFD仿真得到地板格柵風(fēng)量分布，如圖1所示，距離1.2 m處的地板格柵與距離1.8 m處的地板格柵流量相差很大，因此建議空調(diào)單元和機(jī)柜最近的距離不少于三個(gè)地板磚（約1.8 m）。

2.3 隔離冷熱氣流

圖1 空調(diào)單元距離機(jī)柜兩個(gè)地板磚的地板格柵風(fēng)量分布（30%開孔率）

如前文所述，采用簡(jiǎn)單的冷熱通道布局可以緩解冷熱氣流混合的問(wèn)題，但還是會(huì)存在一些氣流混合的區(qū)域，影響制冷系統(tǒng)的效果。為了徹底消除冷熱氣流混合，必須將冷熱通道進(jìn)行物理封閉，有封閉冷通道或熱通道。

對(duì)典型機(jī)房封閉冷通道進(jìn)行CFD模擬，得到橫剖面的溫度截面云圖，縱剖面的溫度截面云圖如圖2所示。

圖2 機(jī)柜方向溫度截面圖

從圖2溫度截面的云圖可知，采用了冷通道封閉的結(jié)構(gòu)以后，形成了十分明顯的冷、熱通道隔離，對(duì)于開孔地板所在的冷通道區(qū)域，沒(méi)有熱氣流回流引起的送風(fēng)溫度升高，空調(diào)的制冷量得到了有效利用。

熱通道或者冷通道封閉系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)出色的效率，制冷系統(tǒng)可以被設(shè)置為較高的送回風(fēng)溫度，送風(fēng)溫度可以提高到20℃以上；同時(shí)，這種物理隔離很容易就將冷熱氣流混合短路的問(wèn)題解決了，避免了制冷設(shè)備的過(guò)度規(guī)劃以及制冷量的浪費(fèi)。

2.4 縮短送風(fēng)距離

通道封閉隔離解決了冷熱氣流混合、短路的問(wèn)題，避免了局部熱點(diǎn)的產(chǎn)生，提高了制冷系統(tǒng)效率。房間級(jí)空調(diào)系統(tǒng)距離機(jī)柜相對(duì)較遠(yuǎn)，風(fēng)機(jī)需要消耗大量的能量。行級(jí)空調(diào)系統(tǒng)將制冷設(shè)備從機(jī)房?jī)?nèi)四周遷移到設(shè)備旁邊緊靠熱源，并配合封閉冷通道，因此避免了冷風(fēng)遠(yuǎn)距離輸送而造成的能源浪費(fèi)及冷熱氣流混合，可以有效解決機(jī)房高密度散熱問(wèn)題，其優(yōu)勢(shì)如下。

（1）縮短空調(diào)送回風(fēng)路徑：將行級(jí)空調(diào)安裝在機(jī)柜附近將會(huì)縮短送風(fēng)和回風(fēng)的路徑。供回風(fēng)過(guò)程中由于路徑縮短導(dǎo)致風(fēng)阻減少和保持壓力的要求降低，可以大幅降低風(fēng)機(jī)的功耗。

(2）減少冷風(fēng)與熱風(fēng)混合：配合封閉冷通道，徹底消除冷熱風(fēng)混合。

(3）高顯熱比：行級(jí)空調(diào)具有很高的顯熱比。這是因?yàn)檫@種方案下送風(fēng)溫度提高，可以避免空調(diào)內(nèi)的冷卻盤管結(jié)露導(dǎo)致的被動(dòng)除濕，從而將冷量更多地用于冷卻IT 設(shè)備。制冷系統(tǒng)的顯熱比越高，系統(tǒng)就越節(jié)能。

對(duì)典型機(jī)房調(diào)整平面布局后進(jìn)行CFD模擬，得到橫剖面的溫度截面云圖如圖3所示，縱剖面的溫度截面云圖如圖4所示。

從圖3的溫度截面云圖可以看出來(lái)，采用了行級(jí)空調(diào)和冷通道封閉的結(jié)構(gòu)以后，形成了十分明顯的冷、熱通道隔離，沒(méi)有熱氣流回流引起的送風(fēng)溫度升高，機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)口溫度和空調(diào)送風(fēng)溫度一致，空調(diào)的制冷量得到了有效利用。

圖3 距離地面1.5 m處的溫度截面云圖

圖4 氣流流線圖

從圖4流線圖可知，機(jī)房?jī)?nèi)部的氣流得到了有效組織。在冷通道內(nèi)，沒(méi)有發(fā)生熱氣流的混入，并且冷氣流以最短的輸送距離直接送到了旁邊的機(jī)柜進(jìn)風(fēng)口，不需要耗費(fèi)大量的風(fēng)機(jī)動(dòng)力，從而可降低空調(diào)的能耗，同時(shí)熱氣流以最短的路徑直接回到機(jī)柜旁邊的行間空調(diào)回風(fēng)口。

3 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)柜的排列方式對(duì)機(jī)房氣流組織的影響較大，采用機(jī)柜面對(duì)面、背靠背的排列方式，可使服務(wù)器的進(jìn)風(fēng)溫度大幅下降，提高了空調(diào)能量利用。對(duì)于高架地板下送風(fēng)，可調(diào)整地板格柵的開孔大小及位置，使流出的冷空氣流量保持一致。對(duì)于冷熱通道分區(qū)的方式，可通過(guò)封閉隔離冷或熱通道，有效的避免氣流短路，提高空調(diào)能量利用水平及制冷效率。采用行級(jí)冷卻方案，可解決高密度機(jī)房散熱問(wèn)題，改善冷/熱通道溫度場(chǎng)的均勻性同時(shí)提高回風(fēng)溫度以及送風(fēng)溫度，提高了空調(diào)能量利用，縮短送回風(fēng)距離，降低風(fēng)機(jī)能耗。