某數(shù)據(jù)機(jī)房地板送風(fēng)+封閉冷通道方案研究

房電偉 邢哲理 李宗新 李 研 龍洋波

（1.軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院 北京 100036；2.北京建筑大學(xué) 北京 100044）

0 引言

在信息社會(huì)飛速發(fā)展的今天，數(shù)據(jù)中心作為集中放置的電子信息設(shè)備提供穩(wěn)定運(yùn)行環(huán)境的場(chǎng)所，越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于國(guó)計(jì)民生之中。數(shù)據(jù)中心內(nèi)的設(shè)備通常需要全年連續(xù)運(yùn)行，這就需要空調(diào)系統(tǒng)連續(xù)服務(wù)，去除設(shè)備產(chǎn)生的多余熱量。數(shù)據(jù)中心數(shù)量的高速增長(zhǎng)直接帶動(dòng)了能耗的不斷增加，單臺(tái)機(jī)柜的容量越來(lái)越大，從最初的1.5～3kW 發(fā)展到現(xiàn)在的10～30kW[1]，每臺(tái)機(jī)柜的冷負(fù)荷也越來(lái)越大。根據(jù)工信部電信研究院調(diào)研統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2015 年我國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量已達(dá)到1000 億kWh，已達(dá)全社會(huì)總用電量的1.5%，相當(dāng)于當(dāng)年天津市的耗電量，而這個(gè)比例還在不斷快速上漲[2]。針對(duì)數(shù)據(jù)中心高冷負(fù)荷、高能耗的現(xiàn)狀，Jinkyun Cho 等對(duì)氣流組織中氣流分配對(duì)空調(diào)效果的影響做了分析[3]，錢(qián)曉棟等根據(jù)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)使用中存在的問(wèn)題分析了節(jié)能的方法和手段[4]，王韜從空調(diào)系統(tǒng)的安全性和節(jié)能性方面進(jìn)行了分析[5]，高月芬等對(duì)冷通道封閉減少局部熱點(diǎn)及提高送風(fēng)溫度進(jìn)行了分析[6]，黃慧麗闡述了武漢某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目采用熱回收機(jī)組的節(jié)能措施[7]。本文通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件Airpak 搭建某數(shù)據(jù)中心機(jī)房的數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)精密空調(diào)+地板送風(fēng)+封閉冷通道的空調(diào)及氣流組織形式進(jìn)行了分析和研究。

1 工程簡(jiǎn)介

該數(shù)據(jù)中心機(jī)房位于北京市，夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度33.5℃，夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度26.4℃，夏季通風(fēng)室外計(jì)算相對(duì)濕度61%，空氣密度1.225kg/m3；機(jī)房面積404.7m2，凈高3.8m，共設(shè)置16 組機(jī)柜，每組包含10 臺(tái)中密度機(jī)柜和1 臺(tái)布線列頭柜，每臺(tái)機(jī)柜長(zhǎng)×寬×高=1000×600×2000mm。機(jī)房冷負(fù)荷計(jì)算詳如表1 所示（圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷忽略不計(jì)）。

機(jī)房冷通道封閉，選用精密空調(diào)，下送上回，冷空氣被送入高度800mm 的活動(dòng)地板靜壓箱，通過(guò)地面送風(fēng)口進(jìn)入冷通道，流經(jīng)并冷卻機(jī)柜后進(jìn)入熱通道，無(wú)回風(fēng)管道，回風(fēng)經(jīng)熱通道回至精密空調(diào)機(jī)組，平面布置如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房平面圖Fig.1 Plan of data center room

根據(jù)負(fù)荷計(jì)算，選用顯冷量103kW、風(fēng)量22500m3/h 的恒溫恒濕機(jī)房空調(diào)9 臺(tái)，每臺(tái)空調(diào)配有單冷盤(pán)管，冷媒為12～18℃冷凍水，8 用+1 備模式運(yùn)行，功率5.5kW/臺(tái)，機(jī)外靜壓100Pa。

地板送風(fēng)口風(fēng)量及承載負(fù)荷計(jì)算：每個(gè)送風(fēng)口尺寸750×600mm，開(kāi)孔率40%，風(fēng)口送風(fēng)風(fēng)速2.5m/s，可負(fù)擔(dān)7.2kW 發(fā)熱量，送風(fēng)溫度19±1°℃，沿程溫升≤1 ℃。設(shè)計(jì)工況下，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度21±1℃、熱通道回風(fēng)溫度32±1℃。

2 模型建立

2.1 幾何模型

采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件Airpak 對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的精密空調(diào)+封閉冷通道降溫方案進(jìn)行數(shù)值模擬研究，根據(jù)機(jī)房實(shí)際尺寸通過(guò)Airpak 建立幾何模型，圖2 為該模型的軸測(cè)圖，圖中長(zhǎng)度方向（0m～38m）為X，高度方向（0～3.8m）為Y，寬度方向（0m～10.65m）為Z。

圖2 幾何模型軸側(cè)圖Fig.2 Axonometric drawing of geometric model

2.2 模型假設(shè)

本研究模擬機(jī)房?jī)?nèi)環(huán)境，對(duì)模型做如下假設(shè)：（1）假設(shè)室內(nèi)空氣為不可壓縮流體；（2）假設(shè)室內(nèi)空氣符合Boussinesq 假設(shè)，即密度僅受溫度影響；（3）該機(jī)房位于內(nèi)部房間，周?chē)鸀樽呃燃捌渌块g，且機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備發(fā)熱量遠(yuǎn)大于局部隔墻傳熱量，假設(shè)壁面絕熱；（4）空調(diào)機(jī)組總送風(fēng)量為18萬(wàn)m3/h，送風(fēng)溫度為18℃；（5）假設(shè)每個(gè)機(jī)柜的負(fù)荷按各層數(shù)據(jù)單元均勻分布。

2.3 數(shù)學(xué)模型

數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)采用空調(diào)送回風(fēng)冷卻機(jī)柜，機(jī)房?jī)?nèi)氣流實(shí)際上是湍流，本文計(jì)算的方法主要是采用平均湍流能量模型（k-ε雙方程湍流模型），控制方程為：

（1）連續(xù)性方程

（2）動(dòng)量方程

式中，ρ為流體密度，p為靜壓，ijτ為粘性張力，ρgi為i方向的體積力，iF為由熱源引起的源項(xiàng)。

（3）能量守恒方程

式中，k為分子導(dǎo)熱率，k t為湍流擴(kuò)散引起的導(dǎo)熱率，Sh為體積熱源。

2.4 邊界條件

邊界條件設(shè)置為：每臺(tái)中密度機(jī)柜散熱量為4.5kW，該機(jī)柜中布置9 臺(tái)處理器，處理器規(guī)格為2U/臺(tái)；每臺(tái)布線列頭柜散熱量為2kW；機(jī)柜的冷通道一側(cè)吸入處理后的冷空氣，熱通道一側(cè)排出熱量交換后的空氣；每臺(tái)空調(diào)散熱量為5.5kW，由空調(diào)機(jī)組均勻散熱至機(jī)房?jī)?nèi)；機(jī)房外側(cè)為走廊及其他房間，維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量可不考慮；人員僅檢修時(shí)進(jìn)入機(jī)房，人員散熱可不考慮；其他邊界條件如表2所示。

表2 模型邊界條件設(shè)定Table 2 Model boundary condition setting

3 網(wǎng)格劃分及模型求解

3.1 網(wǎng)格劃分與無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

本文模型網(wǎng)格劃分采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格系統(tǒng)。與結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相比，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)于復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的適用性，且便于對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行加密和修改，模型的初始網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖3 所示?；?.4 節(jié)提供的參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)。進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)時(shí)，取2.4m 高度處主要區(qū)域的4 個(gè)面積中心點(diǎn)溫度的平均值為指標(biāo)。隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，相鄰兩網(wǎng)格數(shù)對(duì)應(yīng)的該平均溫度的差值越來(lái)越小，結(jié)果如圖4 所示。當(dāng)差值小于0.5℃時(shí)，認(rèn)為模擬的結(jié)果趨于穩(wěn)定，因此該工況的網(wǎng)格數(shù)取值為55 萬(wàn)，以進(jìn)行后續(xù)的模擬計(jì)算。

圖3 模型初始網(wǎng)格結(jié)構(gòu)Fig.3 Initial grid structure of model

3.2 模型求解

Airpak 利用有限體積法，把計(jì)算區(qū)域劃分為離散的控制體積網(wǎng)格，在每個(gè)控制體積上積分控制方程，形成計(jì)算變量的代數(shù)方程。通過(guò)非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格的形式對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型網(wǎng)格數(shù)量551850。圖5 所示為計(jì)算模型的收斂曲線，迭代次數(shù)約185 次，速度和動(dòng)量收斂值為10E-3，能量收斂值為10E-6。

圖5 計(jì)算模型收斂曲線Fig.5 Convergence curve of calculation model

4 結(jié)果與討論

4.1 長(zhǎng)度X 方向溫度分布特性

圖6 所示為X=7.75m 處溫度分布云圖，該處截面位于第二個(gè)冷通道中間位置。由圖可知，封閉冷通道內(nèi)溫度相對(duì)均勻，其平均溫度約20.1℃，絕大部分區(qū)域相差不超過(guò)1℃，達(dá)到工程設(shè)計(jì)預(yù)期，可給各機(jī)柜提供穩(wěn)定的冷源環(huán)境。冷通道之外的溫度分布不均勻，機(jī)柜上方溫度約30℃～34.2℃，機(jī)柜右側(cè)溫度約28.3℃～30℃，左側(cè)溫度約30.5℃～34.2℃，高溫區(qū)域主要集中在上部偏左的位置，主要受空調(diào)回風(fēng)口位置的影響和熱浮升力及照明燈具散熱的影響。

圖6 X=7.75m 處Y-Z 平面溫度場(chǎng)分布云圖Fig.6 Cloud chart of Y-Z plane temperature field at X=7.75m

圖7 所示為X=23.5m 處溫度分布（第6 個(gè)熱通道中間截面）。由圖可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)溫度截面形成了機(jī)柜左側(cè)區(qū)域溫度高于右側(cè)、上側(cè)溫度高于下側(cè)，溫度最高區(qū)域存在于中間偏上的特點(diǎn)。其原因首先是機(jī)柜相向排風(fēng)、空氣受熱浮升力影響以及上部照明燈具散熱導(dǎo)致熱通道偏上部溫度較高；其次是精密空調(diào)都位于最左側(cè)，熱空氣由右側(cè)流向左側(cè)，圖7 較直觀的反映出氣流的大致流向；再次是每一排機(jī)柜的低功率列頭柜均位于機(jī)柜的最右側(cè)，同時(shí)房間的最右側(cè)有地板送風(fēng)口而左側(cè)只有上部回風(fēng)口，所以就形成了溫度左高右低、上高下低的分布特點(diǎn)。除去架空地板以下區(qū)域截面最低溫度27.5℃左右，最高溫度約34.8℃，整體平均溫度29.3℃，滿足人員短暫停留的要求。

圖7 X=23.5m 處Y-Z 平面溫度場(chǎng)分布云圖Fig.7 Cloud chart of Y-Z plane temperature field at X=23.5m

4.2 寬度Z 方向溫度分布特性

圖8 所示為Z=1.7m 處溫度截面，該截面位于精密空調(diào)與機(jī)柜之間的通道的中間。從截面中可以看出，由于受精密空調(diào)8+1 布置形式、氣流組織方式及空氣熱浮升力的影響，溫度分布呈下低上高的特點(diǎn)，左右方向上大致以最中間熱通道為基準(zhǔn)對(duì)稱分布，從頂部向下延伸的34℃區(qū)域都是在空調(diào)回風(fēng)口的上方。此區(qū)域未出現(xiàn)局部高溫點(diǎn)，整體在28℃至34.5℃之間，平均溫度為29.3℃，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 Z=1.7m 處X-Y 平面溫度場(chǎng)分布云圖Fig.8 Cloud chart of X-Y plane temperature field at Z=1.7m

圖9 所示為Z=5.55m 處溫度截面，該處為機(jī)柜正中間位置。由圖可知該處機(jī)房冷通道之外的大部分區(qū)域溫度在29.5℃～35℃之間，局部高溫位于機(jī)柜外側(cè)與熱通道交界處，但均沒(méi)有超過(guò)36.5℃，不影響機(jī)柜的正常運(yùn)行；封閉冷通道內(nèi)的溫度較均勻，在設(shè)計(jì)溫度21±1℃范圍內(nèi)。

圖9 Z=5.55m 處X-Y 平面溫度場(chǎng)分布云圖Fig.9 Cloud chart of X-Y plane temperature field at Z=5.55m

圖10 所示為Y=2.4m 處溫度分布，此處距冷通 道頂部0.4m。由圖可知，封閉冷通道溫度都在 20.2℃左右，最大不超過(guò)21℃，冷通道內(nèi)部的溫度 相對(duì)較均勻，達(dá)到預(yù)期效果；熱通道溫度分布不均 勻，溫度范圍為27-36℃，但除了機(jī)柜側(cè)面與熱通 道交界的某幾處存在超過(guò)35℃的溫度外其余均在 35℃以下，滿足機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的溫度要求。

圖10 Y=2.4m 處X-Z 平面溫度場(chǎng)分布云圖Fig.10 Cloud chart of X-Z plane temperature field at Y=3.6m

4.3 高度Y 方向溫度分布特性

圖11 所示為Y=3.6m 處溫度分布，此截面與屋頂相距0.2m，由圖可明顯看出機(jī)房?jī)?nèi)空氣由熱通道流向精密空調(diào)回風(fēng)口。因設(shè)置的空調(diào)運(yùn)行臺(tái)數(shù)為8 用1 備，第5 臺(tái)空調(diào)設(shè)為了備用機(jī)，所以最中間的空調(diào)沒(méi)有顯示出回風(fēng)的狀態(tài)。該截面最高溫度約34.9℃，基本都位于熱通道上方延伸到精密空調(diào)回風(fēng)口處；平均溫度為32.3℃，在設(shè)計(jì)值32±1℃的范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

基于以上分析，該數(shù)據(jù)中心機(jī)房采用精密空調(diào)+地板送風(fēng)+封閉冷通道的方案后，封閉冷通道平均溫度20.2℃左右，整體平均溫度29℃左右，封閉冷通道及熱通道平均溫度均低于設(shè)計(jì)預(yù)期21±1℃和32±1℃。整體最高溫度為37.6℃，僅存在于熱通道與機(jī)柜交界的某幾處，工作人員短暫停留不會(huì)對(duì)健康造成大的影響。綜上所述，精密空調(diào)+地板送風(fēng)+封閉冷通道的空調(diào)方案能夠滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到預(yù)期的降溫效果。