劉 彬， 張少凡

（南京理工大學，江蘇 南京210094）

0 引言

隨著社會信息化、計算機和網絡技術的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)處理業(yè)務需求呈現(xiàn)爆炸式增長，銀行、證券、保險等金融行業(yè)，醫(yī)療衛(wèi)生、交通運輸?shù)却笮推髽I(yè)及政府機構逐漸建立了不同規(guī)模的數(shù)據(jù)中心（DC，Data Center，簡稱機房）來完成樓宇自動化、信息的存儲和交換工作。機房由于其特殊性需要空調系統(tǒng)常年供冷，空調系統(tǒng)耗能量巨大，機房空調節(jié)能一直以來是人們所關心的問題。

1 機房空調的特點及能耗現(xiàn)狀

機房設備一般包括機房主設備、蓄電池組、空調系統(tǒng)及其他配套設備，這些設備往往被賦予重要的任務，需要7d×24h連續(xù)運行，設備產生大量的熱量，隨著工藝水平的提高，電子設備的功能更強，運行速度更快，設備體積更小，導致設備的散熱量大且集中[1]。此外，機房設備對室內空氣質量（IAQ，Indoor Air Quality）有一定要求。其內部溫濕度要求如表1所示[2]。

表1 機房環(huán)境的溫濕度、潔凈度要求

機房空調系統(tǒng)的耗電量在機房的總能耗中占的比例僅次于機房主設備的耗電，根據(jù)相關調查顯示，機房內各部分的能耗中空調設備耗電占到44%[3]，機房空調節(jié)能改造在機房節(jié)能改造中具有很大潛力。我國大部分地區(qū)室外溫度較低的冬季及過渡季節(jié)室外的大氣就是免費的自然冷源，如果能夠有效利用室外的冷空氣對機房進行冷卻，就可以關閉或者減少空調機組開啟的時間，將會節(jié)省一大筆電費開支。

2 機房節(jié)能途徑及研究內容

2.1 機房常見節(jié)能途徑

傳統(tǒng)的機房專用空調全年開啟，不能根據(jù)外部環(huán)境調節(jié)制冷模式，尤其是在室外溫度較低的冬季，機組仍然要承擔制冷任務。目前較常采用的機房空調節(jié)能方案有主機變頻節(jié)能、智能通風節(jié)能系統(tǒng)、智能換熱節(jié)能系統(tǒng)、相變材料節(jié)能系統(tǒng)等[4]。其中智能通風節(jié)能和智能換熱節(jié)能因為充分利用室外“免費”的自然冷源，受到了各界的廣泛關注[5]。

2.2 研究內容及方法

以南京市某典型機房為例，建立DeST模型，通過改變冬季和過渡季節(jié)的通風換氣次數(shù)，得到不同的節(jié)能效果，綜合考慮通風的能耗可以得出最有利的通風換氣次數(shù)。建立典型機房的三維模型，通過AirPak軟件模擬該通風換氣次數(shù)下的室內氣流組織，檢驗其合理性。

3 不同換氣次數(shù)冷卻效果模擬

3.1 DeST模型

根據(jù)現(xiàn)場調研所獲取的信息，建立典型機房的DeST模型如圖1所示。機房維護結構材料和相關參數(shù)根據(jù)調研數(shù)據(jù)設定，如表2中所示。由于機房內除了定期的檢修之外，基本上沒有人員駐守，因此在模擬中不考慮人員熱擾。機房內的溫濕度設定參數(shù)見表 3，室外空氣的參數(shù)為南京市典型氣象年的氣象年參數(shù)[6]。

圖1 典型機房的DeST簡化模型

表2 機房維護結構的物理參數(shù) W/m2·K

表3 機房室內模擬參數(shù)設定

3.2 換氣次數(shù)設定

在房間通風參數(shù)的設定上，軟件提供按照通風范圍定義和按照逐時通風定義兩種方式，按照通風范圍定義是指分別定義最大和最小的通風換氣次數(shù)，按照逐時通風定義則要通過作息定義各個時刻的通風換氣次數(shù)。模擬采用逐時通風次數(shù)定義，即定義每個時刻的換氣次數(shù)[7]。

根據(jù)南京市典型氣象年數(shù)據(jù)中日平均干球溫度，如圖2所示，當室外空氣溫度低于機房允許最高溫度10℃，即當外溫低于15℃時開啟通風，關閉機房專用空調，其余時間則只開啟空調。

圖2 南京市日平均干球溫度統(tǒng)計

根據(jù)上圖信息，機房專用空調系統(tǒng)的開啟時間設定為4月10日至10月20日，其余時間只利用通風。逐漸改變通風的換氣次數(shù)，模擬得出機房內溫度情況，根據(jù)機房環(huán)境溫度要求從而確定合適的通風換氣次數(shù)。

3.3 數(shù)據(jù)分析

通過模擬得出十一月份、一月份及通風期機房平均溫度隨換氣次數(shù)變化的情況，以及機房在采用通風冷卻期間日均溫度隨通風換氣次數(shù)的變化如圖3和圖4所示。

從圖3看出，機房內溫度隨著換氣次數(shù)的增加而降低，當換氣次數(shù)較小時溫度降低的幅度較大，當換氣次數(shù)大于50次/h時，再提高換氣次數(shù)對降低溫度影響不大。圖4顯示的是從10月21日至次年4月9日關閉機房空調只利用新風，不同的換氣次數(shù)的日平均室溫的變化，發(fā)現(xiàn)在相同換氣次數(shù)時12、1和2月三個月份的溫度比其他月份的溫度相對較低，當溫度達到要求時（換氣次數(shù)在25次/h左右），在其他月份的溫度會超出要求；而當 11、3月溫度滿足要求時（換氣次數(shù)在35～40次/h左右），其他月份的溫度則可能會過低，甚至低于空氣露點，有結露的危險。因此在通風換氣次數(shù)的確定時應當根據(jù)具體情況做一些改變。

圖3 11月、1月及機房平均溫度隨不同換氣次數(shù)變化情況

圖4 通風時不同換氣次數(shù)下機房內日均溫度變化

針對上述現(xiàn)象，對換氣次數(shù)的設定做如下改變：10月21日至11月30日設為38次；12月1日至次年2月28日設為25次；3月1日至4月9日設為38次。采用該換氣策略后再進行模擬得到結果如圖5所示。從圖5中看出機房內溫度除了在換氣次數(shù)發(fā)生改變的幾天（臨界點）有較大波動外，其余時間都基本能維持在允許的溫度范圍內，效果較為理想。

圖5 改變換氣策略后機房內日均溫度變化

在冬季以及過渡季節(jié)采用通風冷卻可以有效降低機房溫度在要求的范圍，由于只是開啟風機，停用了專用空調器，大大降低了機房空調系統(tǒng)的耗電量。但是通風換氣次數(shù)必須控制在一定范圍內，風量不足會導致無法將機房內熱量及時散去，風量過大則增大了通風系統(tǒng)能耗。

4 機房通風氣流組織模擬

換氣次數(shù)既意味著通風量、送風速度，目前機房氣流組織的相關研究表明，采用下送上回的冷卻效果要好于其他送風方式，因此這里在上文得出的換氣次數(shù)的基礎上利用專業(yè)人工環(huán)境系統(tǒng)分析軟件Airpak對機房內氣流組織進行模擬，研究溫度、速度分布情況[8]。

4.1 AirPak模型、參數(shù)

建立三維模型如圖6所示，機房內包括：空調器2臺，兩列機柜，PDU，送回風口。模擬中不考慮人員舒適度，考慮機柜熱輻射，室外環(huán)境溫度設定為12.8℃，機房初始環(huán)境溫度設定為28℃，模擬采用理想氣體零方程模型。

圖6 機房AirPak模型

4.2 結果分析

模擬得到機房內溫度、速度分布如圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12所示。從溫度分布圖看出設備溫度基本能夠控制在允許的范圍內；而速度分布圖表明由于換氣次數(shù)較大，機房內局部出現(xiàn)風速偏高的現(xiàn)象，但是考慮帶機房為無人值守，且不影響設備的正常運行。綜合模擬結果可知，該通風冷卻策略可以滿足機房運行要求，氣流組織相對較為滿意。

圖7 設備表面的溫度分布情況

圖8 溫度、速度圖例

圖9 x=4切面溫度分布

圖10 z=4切面溫度分布

圖11 z=3切面速度分布

圖12 –y方向速度分布

5 結語

通風冷卻技術在滿足機房設備正常運行所需要的溫度的前提下，利用低耗電的通風機代替高耗電的空調系統(tǒng)，有效的起到節(jié)能效果。以南京地區(qū)某機房為例模擬的結果表明：在該地區(qū)，在冬季和過渡季節(jié)采用通風代替空調為機房冷卻，掌握好通風量及兩種方式的聯(lián)合控制[9]，既可以保證機房內溫濕度的要求，還能大大減少空調系統(tǒng)的運行時間，達到節(jié)能的效果。該模擬方法同樣適用于其他地區(qū)，但模擬有一定的局限性，建議時間和條件允許的情況下通過實驗進行進一步驗證。

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