機(jī)房空調(diào)對(duì)數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境影響的模擬研究

傅玨忻 白雪蓮* 金超強(qiáng)

重慶大學(xué)土木工程學(xué)院

數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的研究主要包括氣流組織優(yōu)化，空 調(diào)參數(shù)設(shè)定和自然冷源利用[1]。其中，氣流組織是連接機(jī)房熱環(huán)境和空調(diào)系統(tǒng)能耗的樞紐。由于機(jī)房?jī)?nèi)服務(wù)器功率分布不均勻，各空調(diào)獨(dú)立運(yùn)行，容 易導(dǎo)致氣流分布不均勻，產(chǎn) 生熱點(diǎn)[2]。群控使所有末端空調(diào)在安全可靠的前提下進(jìn)行聯(lián)合控制，在 協(xié)同一致的狀態(tài)下運(yùn)行，改 善機(jī)房氣流組織，因 此值得更深入的研究[3]。另一方面，溫 度是重要的空調(diào)參數(shù)，在空調(diào)回風(fēng)控制中，不 合理的回風(fēng)溫度會(huì)造成風(fēng)機(jī)能耗浪費(fèi)，還 會(huì)影響機(jī)房氣流組織和 IT 設(shè)備散熱效果[4-5]。本文以重慶市某數(shù)據(jù)中心為研究對(duì)象，利用6SigmaRoom 軟件模擬空調(diào)群控前后和不同回風(fēng)溫度下的機(jī)房熱環(huán)境，分 析群控和回風(fēng)溫度對(duì)氣流組織和能耗的影響。

1 機(jī)房現(xiàn)狀及現(xiàn)存問(wèn)題

1.1 機(jī)房概況

重慶市某數(shù)據(jù)中心的機(jī)房采用地板送風(fēng)、吊 頂回風(fēng)的氣流組織形式，冷通道封閉。機(jī)房尺寸為22.8 m（長(zhǎng)）× 1 7.4 m（寬）× 6 .9 m（高），架 空地板高1.1 m。機(jī)柜編號(hào)為 A～J 列，機(jī) 柜尺寸為 1.2 m（長(zhǎng)）× 0 .6 m（寬）× 2.2 m（高），機(jī) 柜內(nèi)所有服務(wù)器的實(shí)際功率為291.5 kW，占機(jī)房設(shè)計(jì)功率的41%，負(fù)載主要集中在A～D 列?？照{(diào)間設(shè)有6 臺(tái)機(jī)房精密空調(diào)，5 用1 備，額 定制冷量為150 kW，額 定風(fēng)量為9000 l/s。機(jī) 房平面布局如圖1 所示。

圖1 機(jī)房平面布局

1.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

對(duì)機(jī)房進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，將 其結(jié)果用于分析機(jī)房運(yùn)行狀況。通過(guò)測(cè)試空調(diào)送回風(fēng)溫度、地 板送風(fēng)溫度等參數(shù)，可 以判斷氣流組織是否合理、空 調(diào)運(yùn)行是否正常、控 制模式是否合理。使用 HOBO 溫濕度記錄儀測(cè)試空調(diào)送風(fēng)口溫度，在 每臺(tái)空調(diào)的地板下送風(fēng)口中心布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2 所示?？照{(diào)回風(fēng)溫度從該數(shù)據(jù)中心環(huán)控系統(tǒng)中獲取。用 Testo 風(fēng)量罩對(duì)機(jī)房的開(kāi)孔地板進(jìn)行逐個(gè)風(fēng)量測(cè)試，同時(shí)讀取對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)，得到整個(gè)機(jī)房的地板送風(fēng)量和地板送風(fēng)溫度。測(cè)試的儀器性能參數(shù)如表1 所示。

圖2 空調(diào)送風(fēng)口測(cè)點(diǎn)

表1 測(cè)試儀器性能參數(shù)

1.3 現(xiàn)存問(wèn)題

1）空調(diào)運(yùn)行參數(shù)不一致，機(jī) 房熱環(huán)境不佳。該數(shù)據(jù)中心的空調(diào)均采用回風(fēng)控制，設(shè) 定回風(fēng)溫度為25 ℃，空 調(diào)的實(shí)測(cè)結(jié)果如表 2 所示，不 同位置的空調(diào)實(shí)際送回風(fēng)溫度、送 風(fēng)量有較大的差別，地 板送風(fēng)溫度在16.4～20.5 ℃波動(dòng)，機(jī) 房?jī)?nèi)氣流分布不均勻。經(jīng)過(guò)分析，這 是因?yàn)殡m然回風(fēng)溫度設(shè)定值一致，但 機(jī)房?jī)?nèi)服務(wù)器分布不均勻，形成 IT 負(fù)載高密度區(qū)和低密度區(qū)，且機(jī)房空調(diào)采用單臺(tái)獨(dú)立控制模式，各 空調(diào)處于不同負(fù)載下運(yùn)行，導(dǎo) 致冷熱氣流存在一定的摻混，既 浪費(fèi)冷量，又 不利于熱環(huán)境的營(yíng)造。

為了解決空調(diào)獨(dú)立控制下無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)、能 耗浪費(fèi)的問(wèn)題，提 出末端空調(diào)群控的方法，采 用優(yōu)化的控制手段對(duì)空調(diào)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和管理，優(yōu)化機(jī)房氣流組織。該數(shù)據(jù)中心依據(jù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)來(lái)輪班啟停空調(diào)，因 此采取主從控制的群控策略，通 過(guò)模擬分析群控對(duì)機(jī)房熱環(huán)境的改善作用。

2）空 調(diào)的回風(fēng)溫度設(shè)定值不合理。由 表2 還可知，空調(diào)平均送回風(fēng)溫差為6.7 ℃，低 于《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》G B50174-2017 要求的8～15 ℃。又 因?yàn)閷?shí)測(cè)得到的地板平均送風(fēng)溫度為18 ℃，在 規(guī)范的冷通道推薦溫度范圍內(nèi)，如 表 3 所示，可 知回風(fēng)溫度低導(dǎo)致溫差過(guò)小，空調(diào)送風(fēng)量大，風(fēng) 機(jī)能耗浪費(fèi)。

為了節(jié)約風(fēng)機(jī)能耗，需 要提高空調(diào)回風(fēng)溫度設(shè)定值。通過(guò)模擬確定不同回風(fēng)溫度對(duì)氣流組織的影響，在保證良好熱環(huán)境的前提下盡量提高空調(diào)回風(fēng)溫度。

表2 空調(diào)實(shí)測(cè)參數(shù)

表3 數(shù)據(jù)中心推薦環(huán)境參數(shù)

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 模擬參數(shù)設(shè)定

使用 CFD 模擬軟件 6SigmaRoom 建立的機(jī)房物理模型如圖3。該機(jī)房實(shí)際情況下只有C、D 列機(jī)柜安裝盲板，并 且負(fù)載集中在 A～D 列，其 他列以空機(jī)柜為主，服 務(wù)器上架率低。為了減小其他因素的干擾，在 機(jī)房的理想情況下研究群控和回風(fēng)溫度對(duì)熱環(huán)境的影響，模 擬中機(jī)房的空機(jī)柜全部安裝盲板，且 空機(jī)柜前對(duì)應(yīng)的孔板關(guān)閉。根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，地 板漏風(fēng)量取最小值10%。不同空調(diào)回風(fēng)溫度下對(duì)應(yīng)的參數(shù)如表4 所示，群控模擬時(shí)空調(diào)回風(fēng)的溫度都設(shè)定為25 ℃。

圖3 機(jī)房物理模型

表4 空調(diào)不同回風(fēng)溫度下的參數(shù)

2.2 空調(diào)群控?zé)岘h(huán)境分析

機(jī)房空調(diào)采取主/從控制策略，即 靠近 IT 設(shè)備密集區(qū)的空調(diào)為主空調(diào)，其 余空調(diào)為從空調(diào)，通 過(guò)主空調(diào)控制器同時(shí)控制若干臺(tái)從空調(diào)的冷量輸出。機(jī)房空調(diào)為N+1 冗余，在 運(yùn)行過(guò)程中，至 少有一臺(tái)處于備用狀態(tài)。為保證設(shè)備的安全運(yùn)行，空 調(diào)輪換工作，各 空調(diào)擺放位置、送 回風(fēng)位置不同，會(huì) 影響機(jī)房的氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)。因此，1#到6#空調(diào)在模擬時(shí)輪流關(guān)閉，作 為冗余空調(diào)。不同空調(diào)之間的主從關(guān)系如表5 所示。

表5 空調(diào)群控策略

圖4 群控前后地板送風(fēng)溫度

圖4 為 6# 空調(diào)關(guān)閉時(shí)，群控前后的地板送風(fēng)溫度。未群控時(shí)，地 板送風(fēng)溫度分布不均，遠(yuǎn) 離空調(diào)端的地板送風(fēng)溫度偏低。這是因?yàn)楦骺照{(diào)獨(dú)立運(yùn)行，雖 然回風(fēng)溫度設(shè)定值一致，遠(yuǎn) 離 IT 設(shè)備密集區(qū)的空調(diào)冷量需求小，實(shí) 際送風(fēng)溫度偏低。又由于靠近 IT 設(shè)備密集區(qū)的空調(diào)送風(fēng)距離有限，不 能送至遠(yuǎn)離空調(diào)端的地板，那么遠(yuǎn)離空調(diào)端的地板送風(fēng)量需由遠(yuǎn)離 IT 設(shè)備密集區(qū)的空調(diào)來(lái)提供，從 而使得其送風(fēng)溫度偏低。群控后，各地板送風(fēng)溫度基本相同，均 為 18 ℃，這 說(shuō)明由主空調(diào)決定從空調(diào)輸出參數(shù)的群控策略可以有效地統(tǒng)一空調(diào)的運(yùn)行參數(shù)，提 高地板送風(fēng)溫度的均勻性。

空調(diào)未群控和群控后機(jī)房在0.2 m，1.1 m 和2.0 m高度的溫度分布如圖5、圖 6 所示。由圖 5 可知，未 群控下，空 調(diào)備用情況對(duì)氣流組織有一定的影響。不同位置的空調(diào)開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)，機(jī) 房的熱環(huán)境有較大的差異。3#，4#和6#空調(diào)關(guān)閉，對(duì) A、B 列機(jī)柜附近的熱環(huán)境的影響較大。3# 空調(diào)關(guān)閉時(shí)最高環(huán)境溫度為34.1 ℃，熱 點(diǎn)主要出現(xiàn)在1.1 m 和2.0 m 處。最高環(huán)境溫度在32.3 ℃～34.1 ℃范圍內(nèi)，差值為1.8 ℃。由圖 6可知，群 控后，哪 臺(tái)空調(diào)關(guān)閉對(duì)整體溫度分布影響并不大，最 高環(huán)境溫度在 29.3 ℃～30.6 ℃范圍內(nèi)，差 值只有1.3 ℃。因 此，群 控后空調(diào)的啟停選擇更多。機(jī) 房的溫度差值由未群控的 14 ℃～34.1 ℃變?yōu)槿嚎睾蟮?18 ℃～30.6 ℃，最 低環(huán)境溫度提高 4 ℃，最 高環(huán)境溫度降低3.5 ℃，機(jī) 房整體的溫度分布均勻性提高。

圖5 空調(diào)未群控時(shí)機(jī)房0.2 m，1.1 m 和2.0 m 處溫度分布圖

圖6 空調(diào)群控后機(jī)房0.2 m，1.1 m 和2.0 m 處溫度分布圖

利用氣流組織評(píng)價(jià)指標(biāo) SHI 評(píng)價(jià)機(jī)房的氣流組織。供熱指數(shù)SHI 是評(píng)價(jià)冷送風(fēng)和熱回風(fēng)混合程度的指標(biāo)，標(biāo) 準(zhǔn)值為 0，S HI 值越小說(shuō)明冷送風(fēng)和熱回風(fēng)的混合程度越小，計(jì) 算見(jiàn)式（1）：

式中：Tini,j r、Touti,j r為第i行第j列機(jī)柜進(jìn)出風(fēng)平均溫度，℃ ；TsupC為空調(diào)送風(fēng)溫度，℃ 。

表6 為群控前后的機(jī)房 SHI 值，6# 空調(diào)關(guān)閉時(shí)，SHI 值最大，說(shuō) 明6#空調(diào)對(duì)機(jī)房整體氣流組織的影響最大。各空調(diào)輪流關(guān)閉，未群控下的 SHI 平均值為0.036，群 控后的 SHI 平均值為 0.005，S HI 值大幅度減小。因此，群 控使空調(diào)冷送風(fēng)與IT 設(shè)備熱排風(fēng)混合程度減小，機(jī) 房的氣流組織得到優(yōu)化，有 利于營(yíng)造良好的機(jī)房熱環(huán)境。

表6 群控前后機(jī)房SHI 值

2.3 空調(diào)不同回風(fēng)溫度下熱環(huán)境分析

在采取主從控制的群控策略基礎(chǔ)上，對(duì) 送風(fēng)溫度為 18 ℃時(shí)，回 風(fēng)溫度設(shè)定值為 25 ℃、26 ℃、27 ℃、28 ℃的四種工況進(jìn)行了模擬，6#空調(diào)關(guān)閉則作為冗余空調(diào)。

通過(guò)圖 7 的不同回風(fēng)溫度下機(jī)房溫度分布圖可知，回風(fēng)溫度設(shè)定為25 ℃，26 ℃，27 ℃和28 ℃時(shí)，機(jī)房的最高環(huán)境溫度分別為 29.3 ℃，30.2 ℃，31.2 ℃，33.5 ℃?；仫L(fēng)溫度為28 ℃時(shí)，A、B 列機(jī)柜的近空調(diào)端開(kāi)始出現(xiàn)明顯的熱點(diǎn)。從圖7 還可知，無(wú)論回風(fēng)溫度設(shè)定為多少，對(duì) 于IT 設(shè)備密集的A～D 列熱通道，靠 近空調(diào)區(qū)域的溫度普遍要高于遠(yuǎn)離空調(diào)區(qū)域的溫度。說(shuō)明近空調(diào)端地板下的冷空氣流速大，靜 壓小，冷 通道內(nèi)的空氣容易向下倒流，導(dǎo)致供給 IT 設(shè)備的風(fēng)量不足，機(jī) 柜的出口溫度升高。

圖7 空調(diào)不同回風(fēng)溫度下機(jī)房0.2 m，1.1 m 和2.0 m 處溫度分布圖

為了更好地評(píng)估回風(fēng)溫度對(duì)熱環(huán)境的影響，引 入回風(fēng)溫度指數(shù) RTI 評(píng)價(jià)機(jī)架周?chē)鷼饬鹘M織的良好程度。R TI 標(biāo)準(zhǔn)值為100%，小 于100%說(shuō)明存在冷空氣旁通的現(xiàn)象，大 于 100%說(shuō)明存在熱空氣再循環(huán)的情況，RTI 值偏離100%越大說(shuō)明問(wèn)題越嚴(yán)重。旁 通和再循環(huán)的問(wèn)題往往同時(shí)存在，因 此RTI 反映的是旁通和再循環(huán)的相對(duì)嚴(yán)重程度。計(jì)算見(jiàn)式（2）：

式中：TsupC、TretC為空調(diào)送回風(fēng)溫度，℃ ；Tinr、Toutr為機(jī)柜進(jìn)出風(fēng)溫度，℃ 。

不同回風(fēng)溫度下的機(jī)房 SHI 和 RTI 值如表 7 所示?；仫L(fēng)溫度越高，S HI 值越大，回 風(fēng)溫度達(dá)到28 ℃時(shí)為0.079，超 過(guò)未群控下的初始值0.052。R TI 值先接近再遠(yuǎn)離100%，在 回風(fēng)溫度27 ℃時(shí)達(dá)到最佳值 98.8%。回風(fēng)溫度越高，空調(diào)送風(fēng)量和風(fēng)機(jī)需求越低。綜合考慮機(jī)房熱環(huán)境和風(fēng)機(jī)能耗，回 風(fēng)溫度設(shè)定為 27 ℃較為合理，機(jī)房的最高環(huán)境溫度從29.3 ℃提高到 31.2 ℃，根據(jù)風(fēng)機(jī)需求計(jì)算出理想情況下可節(jié)約風(fēng)機(jī)能耗39.5%。因此，適 當(dāng)提高空調(diào)回風(fēng)溫度，能 在均勻的機(jī)房熱環(huán)境下減小空調(diào)送風(fēng)量，實(shí) 現(xiàn)節(jié)能。

表7 不同回風(fēng)溫度下機(jī)房SHI 和RTI 值

3 結(jié)論

針對(duì)重慶某實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中心各空調(diào)運(yùn)行參數(shù)不一致，回 風(fēng)溫度設(shè)定值不合理的問(wèn)題，提 出對(duì)機(jī)房空調(diào)進(jìn)行群控，提 高空調(diào)回風(fēng)溫度設(shè)定值的措施，通 過(guò)模擬機(jī)房熱環(huán)境得出以下結(jié)論：

1）針 對(duì)目前機(jī)房?jī)?nèi)服務(wù)器分布不均、上 架率不高的情況，對(duì) 空調(diào)采取主從控制的群控策略，由 主空調(diào)計(jì)算出冷量需求，其 余從空調(diào)與主空調(diào)的冷量需求相同。這種群控策略能有效地統(tǒng)一空調(diào)實(shí)際回風(fēng)溫度，使 機(jī)房的最高環(huán)境溫度降低3.5 ℃，S HI 值從 0.036 下降到0.005，機(jī) 房氣流組織和溫度分布更加均勻，改 善機(jī)房熱環(huán)境，提 高冷量利用率。

2）在 群控的基礎(chǔ)上，參 考?xì)饬鹘M織評(píng)價(jià)指標(biāo)和機(jī)房環(huán)境溫度，在 保證機(jī)房熱環(huán)境良好的前提下盡可能提高空調(diào)回風(fēng)溫度設(shè)定值，可以節(jié)省風(fēng)機(jī)能耗。該數(shù)據(jù)中心的空調(diào)推薦設(shè)定回風(fēng)溫度為27 ℃，空 調(diào)風(fēng)機(jī)能耗節(jié)約39.5%。