烏魯木齊某數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境分析及氣流組織優(yōu)化研究

黃 翔，李婷婷，劉凱磊，折建利，楊立然，耿志超

(西安工程大學 城市規(guī)劃與市政工程學院,陜西 西安 710048)

節(jié)能減排是我國一項重要的長期戰(zhàn)略任務.隨著我國信息事業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心越來越多，能源消耗也在與日俱增.有關資料顯示，數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)的能耗約占總能耗的40%，而在空調系統(tǒng)的能耗中，由于氣流組織設計不合理損失的能耗相當嚴重.[1]大量工程實踐表明，致使機房PUE較大的原因在于無形的氣流組織部分.機房不合理的氣流組織，會造成冷風無法有效送到服務器進風口，熱風無法有效回到空調回風口，從而造成空調效率下降，機房能耗增高.因此，優(yōu)化現(xiàn)有機房的氣流組織，對于提高機房空調的冷卻效率以及實現(xiàn)機房的節(jié)能減排具有十分重要的意義.

本文以烏魯木齊某數(shù)據(jù)中心為研究對象，利用數(shù)據(jù)中心專用CFD(Computational Fluid Dynamics)模擬軟件6SigmaRoom，以實測數(shù)據(jù)為依據(jù)建立機房的仿真模型.[2]對原機房氣流組織存在的問題進行優(yōu)化研究，以保證服務器安全穩(wěn)定的連續(xù)運行，有效提高空調系統(tǒng)冷量利用率.通過本文的研究為今后實際工程設計和改建提供參考.

1 機房介紹

本文以烏魯木齊某現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心為研究對象，對該數(shù)據(jù)中心氣流組織進行模擬優(yōu)化分析.該機房為傳輸機房，位于24層，機房總面積295.05 m2，層高4 m，單機柜功耗3 kW，機柜總數(shù)100個，總功耗300 kW.機房空調形式為集中式，機房內配置4臺機房專用空調.建設標準為國A級，機房設計溫度為23±2 ℃，相對濕度為50±5 %.考慮到數(shù)據(jù)中心的氣流組織設計，機柜采用面對面、背靠背的布置方式.機柜間形成冷、熱通道，其中冷通道間距為1 200 mm，熱通道間距為1 800 mm.氣流組織形式為靜電地板下送風上回風，架空地板高度為300 mm.

2 機房測試和熱環(huán)境模擬分析

2.1 機房測試

對機房的熱環(huán)境進行現(xiàn)場測試，將其結果用于驗證CFD仿真結果的可靠性.測試采用的是溫濕度自記儀測試機房的溫濕度，測試中以機房地板為測試單元.依次記錄機房在高度方向上不同位置的溫濕度值，完成整個機房內部空間空氣溫濕度的測量.因為冷通道出風口氣流溫度比較接近空調的送風溫度，因此將冷通道出風口的溫度作為機房的送風溫度.根據(jù)機房的實際情況和測試條件，此次研究測試了機房分別在0.1 m、0.8 m、1.5 m、2.2 m四個位置處的溫濕度，同時對機房熱點機柜出口處的氣流也進行了測試.[3-5]機房內的測點布置如圖2所示，整個機房內均勻布置4個測點，從右至左依次為測點1、測點2、測點3和測點4.

圖1 數(shù)據(jù)中心布局及測點布置圖Fig.1 A data center layout and measurement point layout

圖2 數(shù)據(jù)中心設備布局三維視圖Fig.2 3D view of data center layout

2.2 模型建立

本文采用6SigmaRoom建立數(shù)據(jù)中心的數(shù)值模型，對機房的熱工特性進行模擬分析.通過機房的溫濕度分布、送回風氣流流線、送風量分布以及熱點情況來分析機房的氣流組織情況.

根據(jù)以下工程實際概況，建立機房模型如圖2所示：

(1)建模尺寸按照機房實際面積295.05 m2(28.1 m×10.5 m)，機房高度4 m.

機柜為600 m(寬)×900 m(深)×2 050 m(高)的2U機柜，機柜內放置服務器.

(2)設定空調出風溫度為14 ℃.

(3)氣流組織方式為靜壓地板下送風上回風，冷通道寬度為1.2 m，熱通道寬度為1.8 m，架空地板高度為0.3 m，地板厚度為0.04 m，網(wǎng)格尺寸為0.6 m.

(4)創(chuàng)建1.8 m(長)×0.48 m(寬)的高架地板開孔，同時考慮空調后部和墻壁之間的縫隙.

(5)機房外環(huán)境溫度默認為20 ℃.

2.3 求解控制

模擬中采用標準κ-ε湍流模型.[6-8]利用殘差來控制求解方程的收斂精度，同時保證求解的計算殘差值都趨于穩(wěn)定并收斂于1.通過求解可知，當求解殘差收斂于1時，其中2臺空調送風溫度穩(wěn)定在14 ℃，另兩臺空調送風溫度穩(wěn)定在11 ℃，空調回風溫度最低21.9 ℃，最高25.2 ℃.基本滿足機房設定的溫度23±2 ℃要求.

2.4 流線分析

該數(shù)據(jù)中心采用機房專用空調供冷，氣流組織為靜電地板下送風上回風，并設置冷熱通道.從圖3空調送回風氣流流線圖可以看出，空調的送回風流線混亂，冷熱空氣的流向不清晰，且存在空調送風氣流短路現(xiàn)象，即空調送出的冷風未經(jīng)過服務器而是直接回到了空調回風口，沒能有效地利用這部分冷量，機房內熱空氣和冷空氣摻混現(xiàn)象嚴重，大大損失了空調的送風和制冷效果.

地板的出風情況直接影響機房的熱環(huán)境.從圖4冷通道地板出風冷量圖上可以看出，不同位置處的地板出風量很不均勻.機房空調遠端的的氣流量明顯多于空調近端的氣流量，且越靠近空調側，地板的出風量就越少.

圖3 空調送回風流線圖Fig.3 Line diagram of the wind returned from air conditioner

圖4 冷通道地板出風量示意圖Fig.4 Cold aisle floor air volume diagram

2.5 溫度場分析

風量是冷量的載體，風量、風速對氣流的作用都會反映到機房的溫度分布上，而機房的溫度分布又是服務器安全穩(wěn)定運行的關鍵，所以對機房的溫度場進行分析能有效指導改善機房氣流組織.[9-10]分別截取與實測相對應的機房在地板高度方向上0.1 m、0.8 m、1.5 m、2.2 m處,這四個典型截面上的溫度分布和機柜進出風口界面上的溫度分布，并將模擬結果與測試結果進行比較，圖5～圖8是機房不同高度處的溫度分布模擬結果.從圖中可以看出，冷通道的溫度總體都低于熱通道.冷氣流從送風地板進入機房后，呈現(xiàn)上升到頂棚空間的流動跡象，機房底部冷空氣較少，頂部熱空氣集中，位于機架底部和頂部的服務器處于不利位置，致使這兩個位置的冷量損失較為嚴重，而且在距離空調機組近端的機柜處溫度偏高，這也說明地板靜壓箱出風不夠均勻，這一現(xiàn)象可以在圖4冷通道地板氣流量分布圖上明顯看出，因此距離空調遠端的機架冷卻效果好于近端.

圖5 地板上0.1 m高處機房溫度分布Fig.5 Temperature distribution of the room at a height of 0.1 m

圖6 地板上0.8 m高處機房溫度分布Fig.6 Temperature distribution of the room at a height of 0.8 m

圖7 地板上1.5 m高處機房溫度分布Fig.7 Temperature distribution of the room at a height of 1.5 m

圖8 地板上2.2 m高處機房溫度分布Fig.8 Temperature distribution of the room at a height of 2.2 m

圖9 機柜進出風口界面處的溫度分布Fig.9 Temperature distribution at the inlet and outlet of the cabinet

圖10 熱點機柜流線圖Fig.10 Hotspot cabinet streamline diagram

圖11 機房不同位置處的溫度模擬結果與實測結果Fig.11 Temperature simulation and measured results at different locations in the room

在圖9機柜進出風界面溫度分布中選取最大值和最小值后，我們發(fā)現(xiàn)從左至右，第4列第1個機柜出風口處的溫度最高，已達32.5 ℃，超出機房溫度上限32 ℃的設計要求，是機房的熱點機柜.為研究局部熱點產生的原因，對其氣流場進行分析，其模擬結果如圖10所示.從機房空調出來后的冷風一部分進入旁邊的冷通道，另一部分進入該機柜所在的冷通道后直接向遠端流去，沒有進入該機柜，導致該機柜進風量減少，出風口處溫度升高，產生局部熱點.

由圖11可得，機房溫度在不同高度模擬與實測結果的誤差范圍在0.4%～11.3%，是可以接受的誤差范圍.鑒于兩組數(shù)據(jù)的變化呈現(xiàn)基本一致的趨勢，可認為建立的數(shù)值模型以及相應的模擬結果是可靠的.

3 氣流組織優(yōu)化及分析

針對機房存在的問題，提出適于該機房的以下優(yōu)化方案：[11-14]

(1)將機房的架空地板高度由原來的300 mm提高至600 mm.

(2)改變機房空調機組原來的位置，將其設置在每列熱通道的端頭.

(3)冷通道完全封閉的方式可以使冷氣流在封閉的空間內被迫經(jīng)過散熱設備，冷氣流短路和熱回流可同時得以避免，使冷風更多的進入服務器帶走熱量，減少冷量損耗，防止產生局部熱點.因此，將機房內原來未封閉的冷通道完全封閉.

3.1 流線分析

針對該數(shù)據(jù)中心氣流混亂、出風不均、存在局部熱點等問題，采用上述的三個措施對其氣流組織進行優(yōu)化.優(yōu)化后的空調送回風氣流模擬效果和地板出風氣流量模擬效果如圖12和圖13所示.

從圖12可以看出，優(yōu)化后空調送回風氣流流向清晰，說明冷通道完全封閉后，有效的防止了冷熱空氣的摻混.從圖13可以看出，優(yōu)化后地板出風趨于均勻，冷量得到充分利用，減少了通道兩側以及通道上部的冷量損失.冷通道封閉，氣流只能流經(jīng)服務器到達相鄰的熱通道，因此，服務器內部的擾動增強，使得熱氣流被及時帶走，避免了局部熱點.優(yōu)化后原熱點機柜的氣流流線如圖14所示.

圖12 優(yōu)化后空調送回風氣流模擬流線圖Fig.12 Air conditioning return to the wind line diagram

圖13 優(yōu)化后地板出風氣流量示意圖Fig.13 Cold aisle floor air volume diagram

圖14 優(yōu)化后熱點機柜流線圖Fig.14 Streamline diagram of the hotspot cabinet after optimization

3.2 溫度場分析

為分析對比優(yōu)化后機房內整體的溫度分布，同樣分別截取了地板高度方向上0.1 m、0.8 m、1.5 m、2.2 m四個典型截面上的溫度分布.其結果如圖15～18所示.

圖15 優(yōu)化后地板上0.1 m高處機房溫度分布圖Fig.15 Temperature distribution of the room at a height of 0.1 m after optimization

圖16 優(yōu)化后地板上0.8 m高處機房溫度分布圖Fig.16 Temperature distribution of the room at a heightof 0.1 m after optimization

圖17 優(yōu)化后地板上1.5 m高處機房溫度分布圖Fig.17 Temperature distribution of the room at a height of 1.5 m after optimization

圖18 優(yōu)化后地板上2.2 m高處機房溫度分布圖Fig.18 Temperature distribution of the room at a height of 2.2 m after optimization

從優(yōu)化后的模擬結果可以看出，提高架空地板高度、調整空調機組放置位置以及封閉冷通道后，可以很好改善機房的送回風氣流.使優(yōu)化后的機房溫度場更加均勻，消除了原機房的局部熱點.各高度截面的溫度分布較原來也更為均勻，機柜得到了足夠的冷量，排風溫度相對之前有所降低，同時空調回風溫度也有所升高，這在一定程度上提高了空調的制冷效率，且由于冷量集中在通道內，空調的無效送風量大大減少，有利于減少機房的空調能耗.

4 結論

通過對烏魯木齊某實測數(shù)據(jù)中心的模擬分析，針對該數(shù)據(jù)中心流場混亂、冷熱摻混嚴重、氣流分布不均以及局部熱點問題提出將原來300 mm的架空地板高度提高到600 mm、改變空調的布置形式和冷通道完全封閉三個優(yōu)化措施，并對優(yōu)化后機房的空調流線和溫度分布進行對比分析，結果發(fā)現(xiàn)：

(1)提高架空地板高度后，地板的出風量變得均勻，滿足了機房不同位置處的機柜風量要求，冷量得到充分利用.但在實際工程設計中，架空地板的高度要結合各個機房的實際情況，因為機房的負載不同，空調系統(tǒng)的送風量就不同，實現(xiàn)均勻送風的動靜壓就不同.對于改造項目，應該考慮改造的經(jīng)濟效益.

(2)改變空調位置后，空調的送風范圍增大，氣流場變得更加清晰，熱回風可以及時回到空調.

(3)封閉冷通道可以保證低送風溫度和高回風溫度，避免了冷空氣斷路、熱空氣回流和冷熱氣流摻混，提高了空調機組的制冷效率，避免了局部熱點.