某數(shù)據(jù)中心機(jī)房方案優(yōu)化及機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度分析

蘇志

同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司

0 引言

隨著我國數(shù)據(jù)中心建設(shè)的迅猛發(fā)展，為貫徹落實(shí)我國節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的要求，有關(guān)部門于 2015 年發(fā)布了 《綠色數(shù)據(jù)中心建筑評價技術(shù)細(xì)則》（下稱 《細(xì)則》），作為國家標(biāo)準(zhǔn)《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》 GB/T 50378-2014 的補(bǔ)充，旨在推進(jìn)綠色數(shù)據(jù)中心的建設(shè)。

在數(shù)據(jù)機(jī)房的運(yùn)行過程中，信息設(shè)備的進(jìn)風(fēng)溫度與空調(diào)送風(fēng)溫度的差值反映了空調(diào)送風(fēng)與室內(nèi)熱空氣的摻混程度，同時也反映了冷空氣送到各信息設(shè)備的均勻程度。因此 《細(xì)則》 中將信息設(shè)備的最高進(jìn)風(fēng)溫度與空調(diào)送風(fēng)溫度差值列為評分項(xiàng)，作為評價主機(jī)房內(nèi)氣流組織是否合理的依據(jù)[1]?！都?xì)則》 中 8.2.2 條規(guī)定，信息設(shè)備最高進(jìn)風(fēng)溫度與空調(diào)送風(fēng)溫度之差小于 8 ℃、6 ℃、4 ℃時，分別得6 分、9 分、12 分。

目前國內(nèi)外已有大量的專家學(xué)者對數(shù)據(jù)機(jī)房氣流組織進(jìn)行了研究，但主要集中在機(jī)房的整體環(huán)境溫度分布上，對信息設(shè)備的最高進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)行評價的文獻(xiàn)較少。本文以上海某銀行新建數(shù)據(jù)中心為研究對象，通過 6SigmaDC 軟件對其數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行數(shù)值模擬，6SigmaDC 軟件主要用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部熱環(huán)境的 CFD 模擬分析，由于該軟件可對機(jī)柜參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)置，便于對機(jī)柜內(nèi)部氣流狀況進(jìn)行分析。本文對設(shè)計(jì)工況下的信息設(shè)備的最高進(jìn)風(fēng)溫度情況進(jìn)行了分析，旨在為類似項(xiàng)目的綠色數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)評分提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)機(jī)房模型

本文的研究對象為某銀行新建數(shù)據(jù)中心，項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)。該項(xiàng)目包括數(shù)據(jù)中心及辦公大樓 兩棟單體建筑，其中數(shù)據(jù)中心大樓為 4 層建筑，在 2～4 層共設(shè)有7 間標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)機(jī)房。每間標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)機(jī)房均為矩形平面，面寬 17.00 m，進(jìn)深 30.20 m，位于建筑的中心區(qū)域，各數(shù)據(jù)機(jī)房均為內(nèi)區(qū)房間。項(xiàng)目按國家 A 級數(shù)據(jù)機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)[2]。根據(jù)A 級數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及銀行對數(shù)據(jù)機(jī)房的可靠性要求，本項(xiàng)目按冷通道送風(fēng)溫度18 ℃、相對濕度50%設(shè)計(jì)。

由于本項(xiàng)目單個數(shù)據(jù)機(jī)房面積較大，該尺度的數(shù)據(jù)機(jī)房較常見的布置形式為雙側(cè)布置空調(diào)設(shè)備，但設(shè)計(jì)時發(fā)現(xiàn)該方案難以避免在數(shù)據(jù)機(jī)房區(qū)域出現(xiàn)結(jié)構(gòu)立柱，如圖1 所示。結(jié)構(gòu)立柱不但影響機(jī)柜布置，也容易在架空地板中產(chǎn)生局部繞流，影響空調(diào)的氣流組織。因此為了確保主機(jī)房區(qū)域無結(jié)構(gòu)立柱，與土建專業(yè)協(xié)作優(yōu)化了柱網(wǎng)間距，改為采取單側(cè)縱向設(shè)置空調(diào)機(jī)房的形式，通過本次模擬驗(yàn)證同時也可以驗(yàn)證該跨度下單側(cè)送風(fēng)的可靠性。最終的數(shù)據(jù)機(jī)房平面如圖 2 所示。由于所有機(jī)房布置相同或鏡像布置，因此僅選取二層西側(cè)數(shù)據(jù)機(jī)房為例進(jìn)行模擬分析。

圖1 數(shù)據(jù)機(jī)房方案平面圖

圖2 數(shù)據(jù)機(jī)房優(yōu)化后平面圖

每個標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房內(nèi)共有10 排機(jī)柜，每排由 14 個機(jī)柜組成，共 140 個服務(wù)器機(jī)柜。根據(jù)銀行數(shù)據(jù)中心機(jī)柜主要為服務(wù)器機(jī)柜的特點(diǎn)，機(jī)柜均按 1U 服務(wù)器設(shè)計(jì)，單個 1U 服務(wù)器功率100 W，每個機(jī)柜功率按限額 4 kW 設(shè)置，每個機(jī)柜的尺寸為深 1.2 m×寬 0.6 m×高 2 m。根據(jù)機(jī)房負(fù)荷，每個機(jī)房設(shè)置7 臺冷凍水型恒溫恒濕精密空調(diào)（6 用 1 備），單臺空調(diào)制冷量 100 kW，風(fēng)機(jī)送風(fēng)量25000 m3/h，輸入功率10.2 kW。

數(shù)據(jù)機(jī)房采用下送上回的送風(fēng)方式。送風(fēng)經(jīng)架空地板進(jìn)入冷通道，從設(shè)備正面進(jìn)風(fēng)，后出風(fēng)。房間無吊頂，熱氣流自由回流到空調(diào)回風(fēng)口。冷通道的寬度是 1.8 m，相對的兩臺機(jī)架之間為 3 塊穿孔地板拼接而成，每塊地板的尺寸為 0.6 m×0.6 m，熱通道的寬度是 1.2 m，架空地板的高度是0.8 m。冷通道封閉已被證實(shí)是改善機(jī)房熱環(huán)境的有效手段[3]，因此本次模擬考慮冷通道封閉以及冷通道不封閉兩種情況，比較兩種氣流組織對信息設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度的影響。兩種情況下數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)的氣流組織形式如圖3 所示。

圖3 機(jī)房氣流組織示意圖

最終建立的模擬模型如圖4 所示。根據(jù)數(shù)據(jù)機(jī)房及模型的特點(diǎn)，本次模擬計(jì)算方法采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε雙方程模型。

圖4 數(shù)據(jù)機(jī)房模型

2 模擬結(jié)果與分析

本次模擬分別對冷通道封閉以及冷通道不封閉兩種情況的室內(nèi)溫度場、速度場、信息設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)行分析。

2.1 冷通道不封閉情況

圖5 和圖6 所示分別為冷通道不封閉情況下，距離架空地板1 m 高處的水平溫度場和速度場云圖。圖 7 和圖8 所示為數(shù)據(jù)機(jī)房縱向剖面的溫度場和速度場云圖。從模擬結(jié)果可以看出，在送風(fēng)溫度為 18 ℃的條件下，不封閉冷通道時，冷通道溫度在 18～21 ℃區(qū)間內(nèi)，熱通道距離地面1 m 以下的溫度在24 ℃左右，距地面1 m 以上的溫度在27～30 ℃，冷通道上部有冷空氣溢流的情況。架空地板下風(fēng)速1～2 m/s，冷通道的氣流速度在 0.5～1 m/s 區(qū)間內(nèi)，熱通道氣流速度約在 0.3～0.6 m/s 區(qū)間內(nèi)，上部回風(fēng)區(qū)速度最大處可達(dá) 1 m/s。

圖5 距地1 m 高度處溫度分布圖（冷通道不封閉）

圖6 距地1 m 高度處速度分布圖（冷通道不封閉）

圖7 數(shù)據(jù)機(jī)房剖面溫度分布云圖（冷通道不封閉）

圖8 數(shù)據(jù)機(jī)房剖面速度分布云圖（冷通道不封閉）

分析溫度場和速度場可以得到，室內(nèi)無結(jié)構(gòu)立柱時，即使不封閉冷通道，單側(cè)空調(diào)送風(fēng)在 17 m 跨度時仍可以保持較為均勻的送風(fēng)速度，并獲得良好的溫度場，且該工況下冷通道溫度可以滿足國家A 級數(shù)據(jù)機(jī)房對冷通道溫度的要求18～27 ℃[2]。

對各設(shè)備機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)行分析，根據(jù)軟件統(tǒng)計(jì)，進(jìn)口溫度最高的機(jī)柜位于數(shù)據(jù)機(jī)房南側(cè)第一排，圖 9 所示為第一排機(jī)柜的設(shè)備進(jìn)口溫度剖面圖。從圖中可以看出，雖然機(jī)柜的大部分區(qū)域進(jìn)風(fēng)溫度與冷通道溫度接近，但部分機(jī)柜的上部進(jìn)風(fēng)溫度較高，溫度最高的設(shè)備位于機(jī)柜最上兩層，進(jìn)口溫度最高為 29.1 ℃。圖10 為進(jìn)口溫度最高機(jī)柜的示意圖，可看出設(shè)備機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，無封閉冷通道的情況下，機(jī)柜最大進(jìn)口溫度 29.1 ℃與送風(fēng)溫度 18 ℃溫差為 11.1 ℃，大于 8 ℃，因此不能滿足 《細(xì)則》 中 8.2.2 評分項(xiàng)的得分要求。

圖9 第一排機(jī)柜進(jìn)口溫度剖面圖（冷通道不封閉）

圖10 進(jìn)口溫度最高機(jī)柜示意圖（冷通道不封閉）

分析上部區(qū)域信息設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度過高的原因，在冷通道未封閉時，冷通道上部存在冷空氣溢流的情況，導(dǎo)致信息設(shè)備上部冷空氣的進(jìn)風(fēng)量不足，同時，機(jī)柜上部靠近熱空氣回流區(qū)，部分熱空氣倒被吸入機(jī)柜，導(dǎo)致部分信息設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度升高。

2.2 冷通道有封閉情況

圖11 和圖 12 所示分別為冷通道封閉情況下，距離架空地板1 m 高處的水平溫度場和速度場云圖。圖 13 和圖14 所示為數(shù)據(jù)機(jī)房縱向剖面的溫度場和速度場云圖。從模擬結(jié)果可以看出，在送風(fēng)溫度為 18 ℃的條件下，封閉冷通道時，冷通道溫度在 18～19 ℃區(qū)間內(nèi)，熱通道距離地面1 m 以下的溫度在24 ℃左右，距地面1 m 以上的溫度在27～30 ℃區(qū)間內(nèi)，冷通道的氣流速度在 0.5 m/s 左右，熱通道氣流速度約在 0.4～ 0.6 m/s 區(qū)間內(nèi)。

圖11 距地1 m 高度處溫度分布圖（冷通道封閉）

圖12 距地1 m 高度處速度分布圖（冷通道封閉）

圖13 數(shù)據(jù)機(jī)房剖面溫度分布云圖（冷通道封閉）

圖14 數(shù)據(jù)機(jī)房剖面速度分布云圖（冷通道封閉）

分析溫度場和速度場可以得到，封閉冷通道后，數(shù)據(jù)機(jī)房的室內(nèi)溫度場相比較冷通道不封閉時更均勻，冷通道內(nèi)的溫升幾乎可以忽略，冷通道內(nèi)平均溫度及平均速度均低于未封閉冷通道的情況。冷通道封閉的情況冷通道內(nèi)送風(fēng)溫度同樣滿足國家 A 級數(shù)據(jù)機(jī)房的要求。

對各設(shè)備機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)行分析，根據(jù)軟件統(tǒng)計(jì)，進(jìn)口溫度最高的機(jī)柜位于數(shù)據(jù)機(jī)房南側(cè)第二排，圖 15 所示為第二排機(jī)柜的設(shè)備進(jìn)口溫度剖面圖。從圖中可以看出，除端部的兩臺設(shè)備外，其余所有機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)溫度都與冷通道溫度接近，端部兩臺設(shè)備的最高進(jìn)風(fēng)溫度位于機(jī)柜最上兩層，進(jìn)口溫度最高為 18.6 ℃。圖 16 為進(jìn)口溫度最高機(jī)柜的示意圖，可看出設(shè)備機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度?？梢钥闯鲈诜忾]冷通道的情況下，機(jī)柜最大進(jìn)口溫度18.6 ℃與送風(fēng)溫度 18 ℃溫差僅為0.6 ℃，小于4 ℃，按 《細(xì)則》 中 8.2.2 評分項(xiàng)的得分要求，在綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)中可得12 分。

圖15 第一排機(jī)柜進(jìn)口溫度剖面圖（冷通道封閉）

圖16 進(jìn)口溫度最高機(jī)柜示意圖（冷通道封閉）

分析端部兩臺設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度略微升高的原因，主要是端部設(shè)備的上方處于冷通道封閉結(jié)構(gòu)的角落，氣流組織容易產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致設(shè)備進(jìn)風(fēng)量受到影響。但冷通道的封閉杜絕了冷空氣溢流和熱空氣摻混的問題，有效的解決了設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度上部過高的問題。

3 結(jié)論及展望

根據(jù) 《細(xì)則》 中 8.2.2 評分項(xiàng)，需要對信息設(shè)備的最高進(jìn)風(fēng)溫度與空調(diào)送風(fēng)溫度之差進(jìn)行評價。上海某銀行新建數(shù)據(jù)中心單個機(jī)房面寬 17.00 m，進(jìn)深 30.20 m，采用單側(cè)空調(diào)送風(fēng)的形式。本文采用CFD 模擬軟件對該項(xiàng)目進(jìn)行了數(shù)值模擬，從模擬的結(jié)果可以看出：

1）數(shù)據(jù)機(jī)房采用單側(cè)空調(diào)下送風(fēng)在 17 m 跨度時可以保持較為均勻的送風(fēng)速度，并獲得良好溫度場。

2）在冷通道送風(fēng)溫度 18 ℃、相對濕度 50%的設(shè)計(jì)參數(shù)下，冷通道不封閉時也可滿足國家 A 級數(shù)據(jù)機(jī)房對冷通道溫度的要求，但大部分機(jī)柜存在上部兩層服務(wù)器進(jìn)風(fēng)溫度過高的情況，信息設(shè)備最高進(jìn)風(fēng)溫度與送風(fēng)溫度之差大于 8 ℃，無法滿足 《細(xì)則》 8.2.2 的評分標(biāo)準(zhǔn)，不利于綠色數(shù)據(jù)中心的綜合評分。

3）在冷通道送風(fēng)溫度 18 ℃、相對濕度 50%的設(shè)計(jì)參數(shù)下，冷通道封閉可有效減少空調(diào)送風(fēng)與室內(nèi)熱氣流的摻混，使空調(diào)送出的冷空氣更直接有效的到達(dá)設(shè)備進(jìn)風(fēng)口處，所有設(shè)備均不存在服務(wù)器進(jìn)風(fēng)溫度過高的情況，冷通道封閉時信息設(shè)備最高進(jìn)風(fēng)溫度與送風(fēng)溫度之差小于4 ℃，可滿足 《細(xì)則》 8.2.2 的最高評分標(biāo)準(zhǔn)，有利于綠色數(shù)據(jù)中心的綜合評分。

基于上述分析，在綠色數(shù)據(jù)機(jī)房的建設(shè)中，冷通道封閉可以作為獲得評分的有效手段，也有利于機(jī)房服務(wù)器運(yùn)行時散熱。本項(xiàng)目由于銀行數(shù)據(jù)中心對于設(shè)備運(yùn)行可靠性提出了較高的要求，送風(fēng)溫度按 18 ℃設(shè)計(jì)，但從模擬結(jié)果可以看出在冷通道封閉時，設(shè)備最高進(jìn)風(fēng)溫度僅為19 ℃，適當(dāng)提高送風(fēng)也可確保設(shè)備的溫度運(yùn)行，具備提高送風(fēng)溫度以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的可行性，后續(xù)研究中可研究提高送風(fēng)溫度對《細(xì)則》 8.2.2 評分項(xiàng)的影響，以推進(jìn)綠色數(shù)據(jù)機(jī)房的建設(shè)。