綠色數(shù)據(jù)中心分析及設(shè)計優(yōu)化

蘇龍梅

摘要： 數(shù)據(jù)中心由于其內(nèi)部發(fā)熱量大，因此對室內(nèi)環(huán)境要求較高，合理地設(shè)計氣流組織才能確保設(shè)備長久穩(wěn)定的運行，通過選擇合適的圍護結(jié)構(gòu)、照明功率及空調(diào)系統(tǒng)，盡量使數(shù)據(jù)中心的總PUE值達到最優(yōu)；通過CFD模擬對不同方案氣流組織條件下，比較分析機房的溫度場和速度場，得出較合理的氣流組織形式；通過eQUEST能耗模擬，將設(shè)計模型與基準模型相比較，通過調(diào)整建筑的各種參數(shù)，不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)機房的PUE值，達到綠色節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；CFD模擬；能耗模擬；設(shè)計優(yōu)化

數(shù)據(jù)中心擁有大量計算機設(shè)備、服務(wù)器設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及存儲設(shè)備等關(guān)鍵設(shè)備，并且設(shè)備都是發(fā)熱量大的設(shè)備，根據(jù)英國政府環(huán)境調(diào)查報告顯示，到2020年，辦公設(shè)備能耗占全社會總能耗30%，其中65%來自IT設(shè)備。數(shù)據(jù)中心50%-60%的功耗用于冷卻數(shù)據(jù)機房環(huán)境和IT設(shè)備，因此降低數(shù)據(jù)中心能耗是我們?nèi)缃衩媾R的一個新的挑戰(zhàn) [1]。

由于數(shù)據(jù)機房內(nèi)部環(huán)境溫度不均一，同一時間測定的不同區(qū)域溫差有時可達5℃以上，且機房內(nèi)部風速場也不均勻，有時會出現(xiàn)局部區(qū)域風速過小，甚至出現(xiàn)漩渦現(xiàn)象，也就造成了機房空調(diào)能耗高、效率低的現(xiàn)狀。因此如何合理設(shè)計室內(nèi)氣流組織來充分有效地利用空調(diào)設(shè)備冷卻服務(wù)器，從而提高其使用壽命也是值得關(guān)注的一個問題 [2]。

本文通過CFD軟件模擬分析設(shè)計方案及兩個對比方案的速度場及溫度場的分布情況，為數(shù)據(jù)機房的綠色節(jié)能提供建議。此外，采用能耗模擬軟件eQUEST對建筑進行全年8760小時動態(tài)模擬，得出設(shè)計模型相對于基準建筑的節(jié)能率，其中基準建筑模型與參照ASHRAE 90.1-2007 中相關(guān)要求來設(shè)定；本文模擬分析還將計算數(shù)據(jù)中心的PUE值，通過調(diào)整建筑的各種參數(shù)，不斷優(yōu)化PUE值，達到綠色節(jié)能的目的。

1 項目簡介

灃西（未來大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)園數(shù)據(jù)中心總建筑面積21034.36㎡，地上4層，設(shè)計內(nèi)容主要包括有數(shù)據(jù)機房、變配電/UPS/蓄電池用房、空調(diào)機房等。

本工程作為高耗能建筑物，應(yīng)從建筑工藝、空調(diào)、電力等幾個方面進行了重點策劃設(shè)計，確保本工程成為數(shù)據(jù)機房中的綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心。

2 設(shè)計分析

數(shù)據(jù)中心因安裝的均為發(fā)熱量大的服務(wù)器設(shè)備，熱負荷構(gòu)成主要為設(shè)備的顯熱負荷，相比而言，圍護結(jié)構(gòu)的負荷占總負荷的比例不足20%。數(shù)據(jù)中心因服務(wù)器設(shè)備發(fā)熱量較大，傳統(tǒng)上送風氣流組織方式很難解決設(shè)備的散熱問題，因此采取下送風的方式以解決設(shè)備的散熱問題，地面為防靜電架空地板 [3]。

數(shù)據(jù)中心及動力中心均為工業(yè)建筑，滿足相關(guān)《綠色工業(yè)建筑評價標準》、《綠色工業(yè)建筑評價導(dǎo)則》、《綠色工業(yè)建筑評價技術(shù)細則（試行）》要求。

本工程設(shè)計按照《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》等有關(guān)規(guī)范要求，采取一定節(jié)能措施設(shè)計建筑單體，達到建筑節(jié)能設(shè)計標準。

3 CFD模擬與優(yōu)化

3.1 模型建立

本模型主要參數(shù)包括：

* 氣流組織形式：下送側(cè)回。

* 地板送風口尺寸：空調(diào)送風溫度為18℃，風口數(shù)量為264個，每個風口的風速是1.96m/s，送風量是890m？/h，風口面積是0.18㎡，遮擋系數(shù)是0.7。

* 墻壁回風口：風口下沿據(jù)地板3m，風口尺寸為7.5m（1m，風口前后壓差5Pa左右。

* 機房外部環(huán)境溫度：25℃

* 機柜布置：機柜陣列面對面鏡像布置；機柜數(shù)264（以2kW計，等效3kW*180） ；

* 機柜模塊尺寸：1100 x 600 x 2000 mm（L x W x H）；

* 機柜結(jié)構(gòu)：兩側(cè)為孔板，單元發(fā)熱功率為2kW；機柜背面出風口有排風機（形成加速面），風速約為40m3/h（背面折算的面速約900 m2/h），機柜前后面（通風面）孔隙率為80%。

3.2 數(shù)值模擬

利用CFD數(shù)值模擬軟件進行模擬，送風口設(shè)置為速度邊界條件，送風溫度為18℃，出風口采用自由出流邊界條件，機柜內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量平均分配到設(shè)備表面，設(shè)置設(shè)備表面的平均熱流密度。

因為涉及到典型的流速和特征尺寸，流動為湍流，所以采用雙方程模型對數(shù)據(jù)機房進行模擬。

3.2 方案對比

設(shè)計方案： 冷熱通道設(shè)計

數(shù)據(jù)中心機房采用下送風恒溫恒濕風柜直接向架空地板送風，采用EC節(jié)能風機并下沉安裝，空調(diào)機房回風百葉側(cè)回風的送回風方式，回風速度控制在1.8m/s，以達到節(jié)能的目的。

對比方案1：側(cè)送側(cè)回通道設(shè)計

對高密度機柜可以采用一側(cè)下送風另一側(cè)上回風的方式，這種方式可以有效緩解冷熱通道溫度出現(xiàn)冷熱分區(qū)現(xiàn)象。

對比方案2：封閉冷通道設(shè)計

對高密度機柜可以采用冷氣通道全封閉的方式，這種方式將空調(diào)冷風直接輸送每個機柜，可以有效防止冷熱空氣混合，提高制冷效率，達到徹底解決機房過熱和降低空調(diào)能耗的問題。

3.3 結(jié)果及分析

從圖3可以看出，機組內(nèi)部最高溫度為26 ℃，風速在0.2m/s-0.8m/s之間；同一時間不同區(qū)域溫差最高為8℃。

從圖4可以看出，機組內(nèi)部最高溫度為22 ℃，風速在0.4m/s-1.8m/s之間；同一時間不同區(qū)域溫差最高為4℃。

從圖5可以看出，機組內(nèi)部最高溫度為21 ℃，風速在0.5m/s-2.1m/s之間；同一時間不同區(qū)域溫差最高為3℃。

對比分析圖3、圖4及圖5，封閉冷通道設(shè)計最優(yōu)，具有較好的溫度均勻性分布和速度均勻性分布。

4 能耗模擬與優(yōu)化

4.1 建筑模型

根據(jù)eQUEST能耗模擬建模需求，對該數(shù)據(jù)中心進行建模，模型效果圖如圖所示：

4.2 參數(shù)設(shè)置

天氣參數(shù)：西安咸陽市為寒冷地區(qū)，表1為西安地區(qū)氣候參數(shù)。

暖通空調(diào)系統(tǒng)：

設(shè)計模型空調(diào)冷熱源：動力中心的制冷機房為本數(shù)據(jù)中心提供12/18℃空調(diào)冷水作為空調(diào)冷源，辦公區(qū)域及走廊設(shè)計水環(huán)熱泵，夏季進出水溫為32/37℃，冬季進出水溫為18/12℃.。

設(shè)計模型空調(diào)末端：辦公及走廊區(qū)域采用整體式水環(huán)熱泵機組，由動力中心直接將經(jīng)過閉式冷卻塔的冷卻水送至末端，新風有位于走廊的整體式水環(huán)熱泵新風自己提供。

基準模型的冷源為冷水機組，熱源為電加熱，空調(diào)末端為VAV系統(tǒng)。

基準模型和設(shè)計模型的空調(diào)系統(tǒng)的參數(shù)對比如表5所示。

4.3 結(jié)果與分析

由設(shè)計模型輸出各部分年耗電量如下圖所示：

由模擬結(jié)果可以得出，建筑的節(jié)能率為14%。

4.4 PUE值計算

PUE （Power Usage Effectiveness， 電力使用效率） 值已經(jīng)成為國際上比較通行的數(shù)據(jù)中心電力使用效率的衡量指標。PUE值越接近于1，表示一個數(shù)據(jù)中心的綠色化程度越高 [4]。

數(shù)據(jù)中心一般含有數(shù)據(jù)機房和辦公區(qū)域，辦公區(qū)域的能耗應(yīng)該排除在數(shù)據(jù)中心效率計算之外。通常有些辦公區(qū)域和數(shù)據(jù)機房消耗電力的設(shè)備是共用的，如冷水機組，冷卻水泵等，單獨測量出這些共用設(shè)備給數(shù)據(jù)機房的耗電量是不現(xiàn)實的。本項目PUE值的計算中通過計算出數(shù)據(jù)機房和其他區(qū)域的冷負荷百分比，然后通過比例將共用設(shè)備的耗電量的一部分分配給數(shù)據(jù)機房 [5]。

通過設(shè)計模型模擬結(jié)果機房冷負荷占整個數(shù)據(jù)中心冷負荷的百分比為：86.2%

數(shù)據(jù)機房制冷設(shè)備耗電量：0.862*（1.17+3.41+6.51） *106= 9.56*106Kwh

數(shù)據(jù)機房照明設(shè)備耗電量：211977Kwh

數(shù)據(jù)機房IT設(shè)備耗電量：59.65*106Kwh

5 設(shè)計優(yōu)化總結(jié)

通過CFD模擬對比分析可以看出，無論是機房還是機柜內(nèi)部溫度分布的均勻性還是室內(nèi)氣流組織的合理性，封閉冷通道設(shè)計優(yōu)于冷熱通道設(shè)計和側(cè)送側(cè)回設(shè)計，封閉冷熱通道設(shè)計能夠保證機房環(huán)境保持在合適的范圍內(nèi)，并且冷氣流完全用于冷卻熱源，而且能夠充分利用冷源的能量達到最佳冷卻效果，能夠保證設(shè)備長久穩(wěn)定的運行。

PUE （Power Usage Effectiveness，電力使用效率） 值已經(jīng)成為國際上比較通行的數(shù)據(jù)中心電力使用效率的衡量指標。通過不斷地調(diào)整建筑參數(shù)，本項目設(shè)計模型節(jié)能率為14%，PUE值為1.2，PUE值越接近于1，表示一個數(shù)據(jù)中心的綠色化程度越高，表明該數(shù)據(jù)中心的綠色化程度已很高了，達到了綠色節(jié)能的目的。

參考文獻：

[1]黎振華.綠色建筑中暖通空調(diào)設(shè)計方法探析[J].綠色環(huán)保建材，2019（06）：72.

[2]王劍平.某數(shù)據(jù)機房熱環(huán)境改善及節(jié)能措施研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（14）：124-125.

[3]曾夙.對綠色建筑節(jié)能設(shè)計的研究[J].湖北農(nóng)機化，2019（09）：66.

[4]張梁鐘.暖通空調(diào)設(shè)計中綠色建筑技術(shù)的應(yīng)用[J].居舍，2019（13）：70.

[5]丁雪芹.建筑節(jié)能措施在建筑設(shè)計中的分析[J].綠色環(huán)保建材，2019（06）：51+54.

（作者單位：上海中建建筑工程咨詢有限公司）