數(shù)據機房熱環(huán)境影響因素研究

胡洋 魏玲 陶宇真 王子漢

南京工業(yè)大學城市建設學院

0 引言

數(shù)據機房是一個集數(shù)據處理，存儲和交換為一體的系統(tǒng)工程。云計算以及大數(shù)據技術的飛速發(fā)展，促進了服務器性能的不斷提高，新型高功率密度服務器如刀片式服務器的出現(xiàn)使得單個機架的功率超過30 kW，不僅使得數(shù)據機房能耗增加，還使得機房內氣流組織更為復雜[1-3]。因此，如何優(yōu)化機房熱環(huán)境，更加高效處理氣流組織以保證機房安全運行，減少空調系統(tǒng)能耗變得尤為重要。

本文將實測與 CFD（Computational Fluid Dynamics）模擬結合，模擬采用開箱模型，將傳統(tǒng)的黑箱模型細化，對送風孔板孔隙度，架空地板高度，冷通道寬度以及架空地板下送風擋板的高度與間距對機柜進口溫度的影響進行模擬分析。

1 CFD模型設置

1.1 物理模型

本文以某數(shù)據機房為對象，機房幾何尺寸為8 m×11 m×3 m，圖1為機房三維示意圖。機房內機柜分兩排面對面布置，每排放置9個機柜，共18個，機柜尺寸為0.6 m×1.2 m×2.2 m。機房內共布置兩臺精密空調，每臺空調制冷量為65.8 kW。機房采取冷熱通道分離的方式，送風方式采用架空地板送風，架空地板高度0.4 m，兩排機柜間隔為1.8 m，設置成冷通道。

圖1 機房三維示意圖

模擬時采用Boussinesq近似，考慮浮力的影響。由于機房內人員停留時間較短，忽略人體散熱和照明設備散熱。機房內散熱量大，機房處于建筑物內，故不考慮室外環(huán)境變化對機房熱環(huán)境的影響，在建模時所有壁面均設置為絕熱。由于機房內主要為強制對流換熱，輻射對溫度場的影響很小，因此，不考慮輻射模型。

1.2 邊界條件

本模擬采用開箱模型，允許氣流從機柜內部流過，考慮風扇的影響，模型示意圖如圖2所示。將架空地板送風口作為入口邊界，空調回風口作為出口邊界,給定送風速度和溫度。送風孔板孔隙率為45%，機柜進出口擋板孔隙率為75%，機柜內的服務器簡化為具有固定熱通量的發(fā)熱模塊，不考慮服務器內部空氣的流動和換熱。采用多孔階躍模型來模擬冷通道送風孔板，通過送風孔板的壓降利用下式進行計算：

式中：C為阻力系數(shù)，本模型中設置為1；ρ 為空氣密度，kg/m3；v為孔板表面速度，m/s。

圖2 開箱模型示意圖

1.3 網格劃分

采用結構化網格劃分，設置計算監(jiān)控點時其距離機柜進出口至少4個單元格，網格劃分結果如圖3所示。將機柜進出口處網格進行局部加密，結果如圖4所示，并對網格進行獨立性分析，25萬網格產生可接受的結果。

圖3 網格劃分示意圖

圖4 局部網格加密示意圖

2 現(xiàn)場測量

采用TSI溫濕度儀和TESTO風速測量儀，對機房內各個測點的溫度，氣流速度進行測量。分別在地板靜壓箱送風孔板處，回風口處，冷熱通道以及機柜前后0.05 m處1.75 m，1.2 m，0.5 m高度進行測量。每個機柜送風區(qū)域包含9個測點，每個測點進行十次測量，每十秒鐘記錄一次，最后對十次結果取平均值。實驗采用的主要測量儀器如表1所示。

表1 主要測量儀器

將冷通道劃分為三個區(qū)域，每個區(qū)域包含9個送風孔板，在每個孔板的中心區(qū)域進行測量，共布置27個測點，每個測點測量10次，每十秒記錄一次，送風孔板尺寸為0.6 m×0.6 m。此外，在房間內還布置有若干測點，測點示意圖如圖5所示。

圖5 測點示意圖

3 研究結果與討論

3.1 模擬與實測結果分析

在模擬結果中選取與實測點對應點，將模擬結果與實測結果進行對比，結果如圖6所示。

圖6 測量與模擬結果比較

由圖6，在所選取的17個測點值中，模擬值與實測值最小誤差為1.55%，最大誤差為9.54%。這主要是由于模型的簡化的影響，如對機柜內部空氣流動與換熱的簡化，架空地板冷空氣的泄漏和線纜的擾流影響的忽略。其次，在實測時，測量儀器的誤差，測量人員對室內熱環(huán)境的影響，也是誤差產生的原因。但是各個測點溫度的模擬與實測值變化趨于一致。因此，認為模型是可靠的，可用于此問題的研究。

3.2 送風孔板孔隙率的影響

通過實測值與模擬值的對比驗證了CFD模擬的可靠性，將各機柜內負載假定為1500 W，其余條件均不變，來探究各因素對機柜入口溫度的影響。為探究孔板孔隙率對機柜進口溫度的影響，設置孔隙率為20%～65%，架空地板高度維持0.4 m不變。模擬結果如圖7所示，從圖中可以看出，隨著孔板孔隙率的增加，機柜進口溫度整體呈現(xiàn)上升趨勢，溫升在0.5 ℃左右。機柜進口溫度并沒有因為孔板孔隙率的增加而降低反而有所上升，這是因為較高的孔隙率導致冷通道內空氣分布不均勻，從而影響機柜的進口溫度。由此可見，利用增加孔隙率的方式來增加送風量降低送風溫度并不可行。

圖7 不同孔隙率對機柜進口溫度的影響

3.3 架空地板高度的影響

架空地板下送風方式，不僅可以減少送風系統(tǒng)的動壓，增加靜壓，還可以使送風氣流更加穩(wěn)定，減少氣流的振動，從而達到更好的送風效果。為了探究地板高度對機柜進口溫度的影響，保持模型其他參數(shù)不變，將模型高度以0.1 m為差異，從0.3 m至0.7 m分別進行模擬，模擬結果如圖8所示。由圖中可以看出，機柜入口溫度隨著地板高度的增加而降低，降幅約為0.5 ℃。這是因為隨著地板高度的增加，靜壓箱的體積增大，使得送風氣流更加均勻，從而降低了機柜入口溫度。因此，在房間施工條件允許的情況下，可通過增加架空地板的高度來降低機柜進口溫度。

圖8 架空地板高度對機柜進口溫度的影響

3.4 冷通道寬度的影響

為了探究冷通道寬度對機柜入口溫度的影響，以0.1 m為差異值，模擬了1.8～2.2 m冷通道寬度機柜入口溫度的情況。模擬結果如圖9所示，從圖中可以看出，隨著冷通道寬度的增加，機柜入口溫度逐漸降低，但是當冷通道寬度增加到2.0 m以后機柜入口溫度下降緩慢，降溫效果不如1.8～2.0 m顯著。實際工程中，由于受機房房間尺寸的限制，不可能無限制增加冷通道寬度，因此，可以適當增加寬度以降低機柜進口的溫度。

圖9 冷通道寬度對機柜入口溫度的影響

3.5 擋板高度的影響

在地板靜壓箱中布置擋板，影響著送風孔板處的風速和風量。因此，擋板設置的合理與否，對機房內熱環(huán)境有著重要影響。針對不同擋板高度和間距工況進行模擬，探究擋板布置對機柜進口溫度的影響。

在垂直于送風方向設置五個豎直擋板，以0.05 m的高度差作為模型差異，對擋板高度0.1 m到0.35 m的擋板模型進行模擬，模擬過程中保持擋板間距2 m不變。由圖10可以看出，隨著擋板高度的增加，機柜入口溫度呈現(xiàn)逐步下降的趨勢，但是當擋板高度增加到0.35 m時，機柜入口溫度又開始上升。這是因為，逐步增加擋板高度時，由于擋板的作用，使得靠近空調送風口的地方動壓減少，靜壓增加，使得送風孔板處氣流的動力增加且更加均勻。由于本文中機房架空地板高度為0.4 m，當設置0.35 m的擋板高度時，擋板過高，影響靜壓箱內空氣的流動，反而對送風產生不利影響，增加了機柜入口溫度。因此，在機房實際運行時，可適當增加擋板高度來降低機柜進口空氣溫度。

圖10 擋板高度對機柜入口溫度的影響

3.6 擋板間距的影響

由前文可知，針對本文的研究對象，當擋板高度為0.3 m時，機柜進口溫度最低，最合適。因此，在探究擋板間距對機柜入口溫度的影響時，保持擋板高度0.3 m不變，以0.5 m為增量，對擋板間距從0.5 m到2 m的不同工況進行模擬。如圖11所示，擋板間距從0.5 m增加到1 m時，對機柜進口溫度幾乎沒有影響。當擋板間距從1 m增加到1.5 m時機柜入口溫度有大幅的降低，在此基礎上再增加間距時機柜入口溫度幾乎不變。由此可見，擋板間距設置為1.5 m時對降低機柜入口溫度最為有利。

圖11 擋板間距對機柜入口溫度的影響

4 結論

通過對機房現(xiàn)場實測得到機房實際運行的速度場與溫度場，以實測值為依據建立了可靠的簡化CFD模型。通過此模型探究了送風孔板孔隙率，架空地板高度，冷通道寬度以及送風擋板高度和間距對機柜入口溫度的影響，得到以下結論：

1）增加送風孔板孔隙率并不能降低機柜入口溫度，反而會使溫度略微提升，因此，通過增加孔隙率來降低機柜入口溫度的方法并不可行。

2）機柜入口溫度隨著地板高度的增加而降低，在條件允許的情況下，可通過適當提高架空地板的高度來降低機柜入口溫度。

3）增加冷通道寬度，可降低機柜入口溫度，但是當冷通道寬度增加到2.0 m以后機柜入口溫度下降緩慢，降溫效果顯著降低。

4）擋板高度的適當增加可降低機柜進口溫度，受架空地板高度限制，可適當增加擋板高度來降低機柜入口溫度。

5）擋板間距為1.5 m時，機柜入口溫度降幅最大，對優(yōu)化機房熱環(huán)境最有利。