吳茜夢(mèng)+張金

【摘 要】 通過(guò)對(duì)現(xiàn)有機(jī)房的實(shí)際測(cè)試，建立3D機(jī)房模型，模擬得到機(jī)房溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)等數(shù)據(jù)，仿真出機(jī)房的熱環(huán)境，從而為機(jī)房的設(shè)計(jì)及維護(hù)提供科學(xué)指導(dǎo)。首先，通過(guò)對(duì)機(jī)房中冷通道進(jìn)行均勻取點(diǎn)測(cè)試出溫度與風(fēng)速的值，得出相應(yīng)的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)分布及最高溫度位置。其次，根據(jù)測(cè)試機(jī)房的實(shí)際情況，得出了溫度場(chǎng)及流場(chǎng)的數(shù)值結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】 3D機(jī)房 溫度場(chǎng) 速度場(chǎng) FLUENT軟件 MATLAB

1 問(wèn)題分析

1.1 背景知識(shí)

該類(lèi)機(jī)房采用獨(dú)立的空調(diào)通風(fēng)制冷系統(tǒng)（HVAC），機(jī)房機(jī)柜的布置通常按一定的行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范要求布置。相鄰機(jī)柜的出風(fēng)口面對(duì)同一個(gè)通道。形成熱通道。機(jī)房?jī)?nèi)熱氣流經(jīng)循環(huán)進(jìn)入HVAC頂部，在經(jīng)過(guò)水冷系統(tǒng)冷卻后從地下冷風(fēng)槽通過(guò)中孔板送入機(jī)柜進(jìn)風(fēng)口，形成冷通道。對(duì)于此類(lèi)機(jī)房，往往由于機(jī)柜布置的不合理，以及各機(jī)柜服務(wù)器任務(wù)分配的不合理，造成機(jī)房?jī)?nèi)局部溫度過(guò)高（形成熱點(diǎn)）。為了保證服務(wù)器的健康工作，通常需要HVAC降低送風(fēng)溫度或加大送風(fēng)量，造成耗能增加。綠色數(shù)據(jù)中心的主要任務(wù)之一就是根據(jù)機(jī)房的基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)，按照行業(yè)規(guī)范要求合理地布置機(jī)柜，分布任務(wù)，盡量避免局部地區(qū)過(guò)熱。

1.2 需要解決的問(wèn)題

（1）根據(jù)測(cè)試的數(shù)據(jù)，繪出冷、熱通道的熱分布及流場(chǎng)分布及室內(nèi)最高溫度位置。

（2）建立物理模型與數(shù)學(xué)模型，模擬出數(shù)值結(jié)果。

（3）如果定義該機(jī)房的總體任務(wù)量為1，根據(jù)測(cè)試的數(shù)據(jù)，確定服務(wù)器不同任務(wù)量的最優(yōu)化模型。

（4）對(duì)模型進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)與改進(jìn)。

2 基本假設(shè)

（1）所有機(jī)器工作正常，以恒定的功率散發(fā)熱量。

（2）因?yàn)槭覂?nèi)空氣的流速遠(yuǎn)小于音速故可認(rèn)為室內(nèi)氣體為不可壓縮流體，且符合Boussinesq假設(shè)，即認(rèn)為流體密度變化僅對(duì)浮升力產(chǎn)生影響。

（3）外墻及服務(wù)器散熱面?zhèn)鳠峋鶆颍凑辗€(wěn)態(tài)傳熱處理，室內(nèi)個(gè)傳熱表面之間忽略輻射影響。

（4）室內(nèi)氣體屬于粘性流體，作定常流動(dòng)，忽略能量方程中由于粘性作用引起的能量耗散。

（5）氣流流動(dòng)為紊態(tài)流動(dòng)。

（6）假設(shè)流場(chǎng)具有高紊流Re數(shù)，流體的紊流粘性具有各向同性。

（7）不考慮滲透風(fēng)的影響，即認(rèn)為模擬房間內(nèi)氣密性良好。

3 模型建立與求解

根據(jù)數(shù)據(jù)，運(yùn)用溫度來(lái)作為冷通道和熱通道的熱分布的指標(biāo)，同時(shí)，用風(fēng)速來(lái)作為冷通道和熱通道流場(chǎng)分布的指標(biāo)。此時(shí)，對(duì)溫度影響的因素只有距空凋的位置和高度兩個(gè)指標(biāo)。這樣運(yùn)用Matlab軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合計(jì)算，來(lái)刻畫(huà)出冷熱通道的熱分布和流場(chǎng)分布的三維曲面圖。通過(guò)作圖，得出了冷熱通道的熱分布和流場(chǎng)分布的三維曲面圖，并根據(jù)圖來(lái)找出室內(nèi)溫度最高點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

在圖1中，可以很清楚地發(fā)現(xiàn)溫度隨著高度增加而增加，有高度的吻合性。同時(shí)它的溫度也存在一個(gè)上限30℃。但是它的溫度的最高點(diǎn)相對(duì)熱通道而言還是比較低的，由此可以得出，室內(nèi)溫度的最高點(diǎn)不會(huì)在冷通道中。我們做出了熱通道的熱分布，在熱通道中尋找室內(nèi)溫度最高點(diǎn)。由圖2可得，在熱通道內(nèi)同樣是溫度隨高度增加而增加，但是在距離空調(diào)的位置這個(gè)變量上，溫度先隨距離空調(diào)位置的距離增加而增加，但是在達(dá)到2.2m之后，它的溫度就隨之減少。所以我們通過(guò)圖可以發(fā)現(xiàn)室內(nèi)溫度的最高點(diǎn)在[2.2，3]的空間鄰域內(nèi)。

但是，我們僅僅考慮熱分布還不夠，下面我們還根據(jù)附錄二的數(shù)據(jù)作出了在不同場(chǎng)中的流場(chǎng)分布，具體如下圖3和圖4所示。

由圖3、4可知，風(fēng)速隨著高度的增加而增加，也就是說(shuō)溫度高的地方風(fēng)速大，熱交換頻率越快，同時(shí)在距空凋的位置越遠(yuǎn)時(shí)，它的風(fēng)速反而越小。同樣，風(fēng)速也有上限，上限為1m/s。下面考慮熱通道的流場(chǎng)分布，如圖4所示，我們發(fā)現(xiàn)熱通道中的流速大概在0.1m/s～1m/s，同時(shí)它的變化范圍波動(dòng)不是很大。綜上所述，我們繪出冷、熱通道的熱分布及流場(chǎng)分布，得出室內(nèi)最高溫度位置在[2.2，3]的空間鄰域內(nèi)。

4 3D綠色機(jī)房建模的綜合評(píng)價(jià)與改進(jìn)

4.1 對(duì)空調(diào)風(fēng)柜的送風(fēng)和回風(fēng)調(diào)配具體方案

（1）調(diào)整通信機(jī)房的送風(fēng)口速度。送風(fēng)口速度的最大值控制在6m/s以下（百葉窗送風(fēng)速度一般是2～4m/s）。

（2）將回風(fēng)口1的回風(fēng)溫度與回風(fēng)口2中氣流溫度控制為相同值，這樣有利于機(jī)架的散熱，提高冷量的利用率。

（3）由于機(jī)架的回風(fēng)只能通過(guò)兩側(cè)的通道到達(dá)回風(fēng)口，在接近通道處的送風(fēng)口風(fēng)速過(guò)大容易造成冷空氣來(lái)不及換熱而直接到達(dá)回風(fēng)口，造成冷量浪費(fèi)，同時(shí)送風(fēng)風(fēng)速高對(duì)前面的回風(fēng)和同排機(jī)架回風(fēng)造成風(fēng)阻，影響回風(fēng)。由此，在風(fēng)量的調(diào)節(jié)上，接近通道處的風(fēng)口風(fēng)速不應(yīng)過(guò)大，同排機(jī)架送風(fēng)口中間的風(fēng)口風(fēng)速較大有利于機(jī)架間熱空氣的及時(shí)回風(fēng)。

（4）由于風(fēng)速過(guò)高，在達(dá)到機(jī)架頂部之前還沒(méi)有擴(kuò)展開(kāi)，機(jī)架表面處于卷吸形成的渦流邊緣，對(duì)流換熱程度較弱，但在中部渦流擴(kuò)散開(kāi)來(lái)加強(qiáng)了換熱，小風(fēng)量出風(fēng)口的風(fēng)速在通信機(jī)架頂部擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，到達(dá)中部完全衰減，通信機(jī)架的中上部換熱效果良好。因此，為便于換熱應(yīng)使不同風(fēng)量的出風(fēng)口交錯(cuò)排列。

（5）通過(guò)調(diào)整回風(fēng)溫度：原機(jī)房設(shè)計(jì)要求機(jī)房溫度在18℃～28℃，在回風(fēng)溫度只要達(dá)到25℃時(shí)空調(diào)系統(tǒng)的制冷開(kāi)始工作，到15℃時(shí)空調(diào)制冷系統(tǒng)關(guān)閉，此時(shí)出風(fēng)溫度在15～25℃，這樣才能達(dá)到全機(jī)房的溫度要求。

4.2 數(shù)據(jù)機(jī)房的節(jié)能改造建議

（1）調(diào)整機(jī)房的送風(fēng)口速度。從測(cè)試數(shù)據(jù)和仿真模擬計(jì)算圖可以看出，目前的送風(fēng)口速度分布明顯不合理，將送風(fēng)口速度的最大值控制在6m/s以下，這樣可以控制、調(diào)整通信機(jī)架的溫度場(chǎng)分布，將機(jī)房中的最熱區(qū)域與最冷區(qū)域的溫差控制在3℃左右，提高冷量的利用率，也是空調(diào)節(jié)能的一個(gè)主要方法之一。endprint

（2）控制風(fēng)柜風(fēng)量的大小、溫度，目前風(fēng)柜的風(fēng)量控制調(diào)整需要精確化。從測(cè)試數(shù)據(jù)分析可以分析，風(fēng)柜提供的冷量偏大約50KW左右冷量。

（3）精確測(cè)定和控制冷凍水的流量與溫差，使冷凍水在正常的溫差5℃，降低制冷主機(jī)和水泵的功耗。

（4）優(yōu)化調(diào)整冷凍水流量與溫差、風(fēng)柜的風(fēng)量、送風(fēng)口的流速這些機(jī)房空調(diào)的關(guān)鍵參數(shù)，理論上可以節(jié)能30kW左右（冷凍水及水泵節(jié)能4～5kW、風(fēng)柜節(jié)能6～8kW、機(jī)房能量消耗減少節(jié)能20kW）。

4.3 模型的評(píng)價(jià)與改進(jìn)

通過(guò)對(duì)部分機(jī)房設(shè)施進(jìn)行簡(jiǎn)化，保留機(jī)架及其布局特征，并以測(cè)試的入口溫度、風(fēng)速和機(jī)架散熱量為邊界條件建立CFD模型對(duì)機(jī)房進(jìn)行模擬，并將機(jī)架前后的實(shí)測(cè)值和模擬值進(jìn)行對(duì)比，初步證明模擬得到的機(jī)房溫度場(chǎng)能夠較為真實(shí)地反映實(shí)際情況。從實(shí)測(cè)和模擬數(shù)據(jù)都可以看出，機(jī)房熱環(huán)境狀況和機(jī)房?jī)?nèi)熱源分布，進(jìn)風(fēng)口參數(shù)與回風(fēng)口的設(shè)置有極大的關(guān)系。

（1）在人力物力允許的情況下，增加溫度陣觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)量，同時(shí)記錄固定觀測(cè)點(diǎn)處的溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向的變化規(guī)律，更好地了解機(jī)房?jī)?nèi)部區(qū)域熱環(huán)境分布情況。

（2）模擬中需要進(jìn)一步細(xì)化機(jī)架進(jìn)出風(fēng)口對(duì)熱環(huán)境的影響作用。模型中的僅考慮了機(jī)架壁面的熱流量，沒(méi)有考慮內(nèi)置風(fēng)機(jī)的影響，直接的后果就是模擬的風(fēng)場(chǎng)受進(jìn)風(fēng)口風(fēng)量的大小影響很大，機(jī)架前后溫差與實(shí)測(cè)機(jī)房前后溫差相差很大。

（3）模擬采用的數(shù)學(xué)模型，機(jī)房環(huán)境模擬采用的是標(biāo)準(zhǔn)κ-ε方程及其改進(jìn)方程，模擬相當(dāng)于理論計(jì)算，機(jī)架周?chē)a(chǎn)生的渦旋繞流以及靜風(fēng)區(qū)，能夠較為貼近實(shí)際的模擬出來(lái)，而實(shí)際情況中采用簡(jiǎn)單的方程無(wú)法模擬。在運(yùn)用FLUENT進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，進(jìn)一步考慮機(jī)架外部熱環(huán)境對(duì)內(nèi)部氣流組織的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃赟.通信機(jī)房空調(diào)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題.通信電源技術(shù)，2006，23：62-64.

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[9]簡(jiǎn)棄非，葳蕤，楊蘋(píng)，顏永明.通信機(jī)房氣流組織測(cè)試與仿真研究[J].節(jié)能技術(shù)，2009（4）.

[10]R.K.Sharma，C.E.Bash，C.D.Patel，et.Al，“Balance of power：Dynamic thermal management for internet data centers，” IEEE Internet Computing.2005，9：42-49.endprint

（2）控制風(fēng)柜風(fēng)量的大小、溫度，目前風(fēng)柜的風(fēng)量控制調(diào)整需要精確化。從測(cè)試數(shù)據(jù)分析可以分析，風(fēng)柜提供的冷量偏大約50KW左右冷量。

（3）精確測(cè)定和控制冷凍水的流量與溫差，使冷凍水在正常的溫差5℃，降低制冷主機(jī)和水泵的功耗。

（4）優(yōu)化調(diào)整冷凍水流量與溫差、風(fēng)柜的風(fēng)量、送風(fēng)口的流速這些機(jī)房空調(diào)的關(guān)鍵參數(shù)，理論上可以節(jié)能30kW左右（冷凍水及水泵節(jié)能4～5kW、風(fēng)柜節(jié)能6～8kW、機(jī)房能量消耗減少節(jié)能20kW）。

4.3 模型的評(píng)價(jià)與改進(jìn)

通過(guò)對(duì)部分機(jī)房設(shè)施進(jìn)行簡(jiǎn)化，保留機(jī)架及其布局特征，并以測(cè)試的入口溫度、風(fēng)速和機(jī)架散熱量為邊界條件建立CFD模型對(duì)機(jī)房進(jìn)行模擬，并將機(jī)架前后的實(shí)測(cè)值和模擬值進(jìn)行對(duì)比，初步證明模擬得到的機(jī)房溫度場(chǎng)能夠較為真實(shí)地反映實(shí)際情況。從實(shí)測(cè)和模擬數(shù)據(jù)都可以看出，機(jī)房熱環(huán)境狀況和機(jī)房?jī)?nèi)熱源分布，進(jìn)風(fēng)口參數(shù)與回風(fēng)口的設(shè)置有極大的關(guān)系。

（1）在人力物力允許的情況下，增加溫度陣觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)量，同時(shí)記錄固定觀測(cè)點(diǎn)處的溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向的變化規(guī)律，更好地了解機(jī)房?jī)?nèi)部區(qū)域熱環(huán)境分布情況。

（2）模擬中需要進(jìn)一步細(xì)化機(jī)架進(jìn)出風(fēng)口對(duì)熱環(huán)境的影響作用。模型中的僅考慮了機(jī)架壁面的熱流量，沒(méi)有考慮內(nèi)置風(fēng)機(jī)的影響，直接的后果就是模擬的風(fēng)場(chǎng)受進(jìn)風(fēng)口風(fēng)量的大小影響很大，機(jī)架前后溫差與實(shí)測(cè)機(jī)房前后溫差相差很大。

（3）模擬采用的數(shù)學(xué)模型，機(jī)房環(huán)境模擬采用的是標(biāo)準(zhǔn)κ-ε方程及其改進(jìn)方程，模擬相當(dāng)于理論計(jì)算，機(jī)架周?chē)a(chǎn)生的渦旋繞流以及靜風(fēng)區(qū)，能夠較為貼近實(shí)際的模擬出來(lái)，而實(shí)際情況中采用簡(jiǎn)單的方程無(wú)法模擬。在運(yùn)用FLUENT進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，進(jìn)一步考慮機(jī)架外部熱環(huán)境對(duì)內(nèi)部氣流組織的影響。

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[10]R.K.Sharma，C.E.Bash，C.D.Patel，et.Al，“Balance of power：Dynamic thermal management for internet data centers，” IEEE Internet Computing.2005，9：42-49.endprint

（2）控制風(fēng)柜風(fēng)量的大小、溫度，目前風(fēng)柜的風(fēng)量控制調(diào)整需要精確化。從測(cè)試數(shù)據(jù)分析可以分析，風(fēng)柜提供的冷量偏大約50KW左右冷量。

（3）精確測(cè)定和控制冷凍水的流量與溫差，使冷凍水在正常的溫差5℃，降低制冷主機(jī)和水泵的功耗。

（4）優(yōu)化調(diào)整冷凍水流量與溫差、風(fēng)柜的風(fēng)量、送風(fēng)口的流速這些機(jī)房空調(diào)的關(guān)鍵參數(shù)，理論上可以節(jié)能30kW左右（冷凍水及水泵節(jié)能4～5kW、風(fēng)柜節(jié)能6～8kW、機(jī)房能量消耗減少節(jié)能20kW）。

4.3 模型的評(píng)價(jià)與改進(jìn)

通過(guò)對(duì)部分機(jī)房設(shè)施進(jìn)行簡(jiǎn)化，保留機(jī)架及其布局特征，并以測(cè)試的入口溫度、風(fēng)速和機(jī)架散熱量為邊界條件建立CFD模型對(duì)機(jī)房進(jìn)行模擬，并將機(jī)架前后的實(shí)測(cè)值和模擬值進(jìn)行對(duì)比，初步證明模擬得到的機(jī)房溫度場(chǎng)能夠較為真實(shí)地反映實(shí)際情況。從實(shí)測(cè)和模擬數(shù)據(jù)都可以看出，機(jī)房熱環(huán)境狀況和機(jī)房?jī)?nèi)熱源分布，進(jìn)風(fēng)口參數(shù)與回風(fēng)口的設(shè)置有極大的關(guān)系。

（1）在人力物力允許的情況下，增加溫度陣觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)量，同時(shí)記錄固定觀測(cè)點(diǎn)處的溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向的變化規(guī)律，更好地了解機(jī)房?jī)?nèi)部區(qū)域熱環(huán)境分布情況。

（2）模擬中需要進(jìn)一步細(xì)化機(jī)架進(jìn)出風(fēng)口對(duì)熱環(huán)境的影響作用。模型中的僅考慮了機(jī)架壁面的熱流量，沒(méi)有考慮內(nèi)置風(fēng)機(jī)的影響，直接的后果就是模擬的風(fēng)場(chǎng)受進(jìn)風(fēng)口風(fēng)量的大小影響很大，機(jī)架前后溫差與實(shí)測(cè)機(jī)房前后溫差相差很大。

（3）模擬采用的數(shù)學(xué)模型，機(jī)房環(huán)境模擬采用的是標(biāo)準(zhǔn)κ-ε方程及其改進(jìn)方程，模擬相當(dāng)于理論計(jì)算，機(jī)架周?chē)a(chǎn)生的渦旋繞流以及靜風(fēng)區(qū)，能夠較為貼近實(shí)際的模擬出來(lái)，而實(shí)際情況中采用簡(jiǎn)單的方程無(wú)法模擬。在運(yùn)用FLUENT進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，進(jìn)一步考慮機(jī)架外部熱環(huán)境對(duì)內(nèi)部氣流組織的影響。

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