劉義豐， 岳 暢， 張 泉， 楊學(xué)德， 廖曙光（.湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長沙 06；.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙 008；.湖南一德正通機(jī)電成套設(shè)備有限公司，湖南長沙 00；.長沙麥融高科股份有限公司，湖南長沙 000）

數(shù)據(jù)機(jī)房冷通道應(yīng)用的氣流模擬及熱性能分析*

劉義豐1， 岳 暢2， 張 泉2， 楊學(xué)德3， 廖曙光4
（1.湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長沙 410126；2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙 410082；3.湖南一德正通機(jī)電成套設(shè)備有限公司，湖南長沙 410023；4.長沙麥融高科股份有限公司，湖南長沙 410200）

以簡化的數(shù)據(jù)機(jī)房為對象，對冷通道封閉前后的熱環(huán)境進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)模擬，采用供熱指數(shù)SHI和氣流分布系數(shù)RTI兩個熱環(huán)境評價指標(biāo)，分析送風(fēng)口與服務(wù)器之間以及送回風(fēng)口之間冷量損失比例。模擬結(jié)果表明，冷通道封閉及未封閉的RTI指標(biāo)分別為1.0、0.50～0.85，未封閉SHI指標(biāo)表明有熱氣流摻混；冷通道封閉能最大限度地將冷空氣封閉在冷通道內(nèi)，有效地提高了冷量利用效率。

數(shù)據(jù)中心；冷通道封閉；計(jì)算流體力學(xué)；SH I；RTI

劉義豐（1978-），男，高級工程師，從事暖通、給排水的設(shè)計(jì)工作。

0 引 言

隨著信息技術(shù)的進(jìn)步和社會對數(shù)據(jù)處理的需求，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)迅猛發(fā)展，全球數(shù)據(jù)中心年耗電量已經(jīng)達(dá)到全球總耗電量的1.5%左右［1］，其規(guī)模和容量也在不斷擴(kuò)大。數(shù)據(jù)中心內(nèi)有大量的IT設(shè)備不間斷運(yùn)行，對運(yùn)行環(huán)境的穩(wěn)定性和安全性有較高的要求，其中最重要的是使數(shù)據(jù)中心的機(jī)架服務(wù)器的空氣溫/濕度保持在一個安全的范圍，以防止芯片過熱、結(jié)露等狀況發(fā)生［2］。

為了保障數(shù)據(jù)中心向高熱密度發(fā)展后的正常運(yùn)行，需要采取多種解決方案，常見的有氣流組織優(yōu)化、精確送風(fēng)、水冷背板、通道封閉等［3］，其中較可靠、應(yīng)用廣泛、效果較好的是通道封閉措施。通道封閉技術(shù)就是使吸入機(jī)柜的冷空氣與機(jī)柜排出的熱空氣相互分離，使其不再摻混，提高利用效率。通道封閉可以分為冷通道封閉與熱通道封閉兩種形式，其中冷通道封閉效果較好，應(yīng)用更廣泛。

近年來，為了分析評價數(shù)據(jù)中心的熱環(huán)境，常通過計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）來進(jìn)行數(shù)值模擬，相比于實(shí)驗(yàn)手段具有成本低、時間短和結(jié)果直觀等優(yōu)勢，對于數(shù)據(jù)中心的氣流組織優(yōu)化有重要意義，是數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的主要評價手段［4］。

本文主要利用CFD軟件研究典型數(shù)據(jù)機(jī)房地板送風(fēng)的熱環(huán)境狀況，模擬對比冷通道封閉前后的機(jī)房氣流組織與熱環(huán)境特性，并利用熱環(huán)境評價指標(biāo)研究冷通道封閉所帶來的效率改善。

1 數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境評價指標(biāo)

1.1 溫度

美國ASHRAE TC9.9［5］根據(jù)機(jī)架進(jìn)風(fēng)口的空氣溫度衡量數(shù)據(jù)中心的熱環(huán)境質(zhì)量，按照溫/濕度的要求分為A1～A4 4個不同等級，每個等級有各自的推薦范圍和允許范圍，如圖1所示。

圖1 美國ASHRAE推薦的數(shù)據(jù)中心溫濕度范圍

此外，國內(nèi)外學(xué)者還提出了一些評價數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的評價指標(biāo)，其中較為廣泛使用的有供熱指數(shù)SHI、回?zé)嶂笖?shù)RHI以及氣流分布系數(shù)RTI等。

1.2 供熱指數(shù)SHI和回?zé)嶂笖?shù)RH I

SHI定義為冷空氣從送風(fēng)口到機(jī)柜進(jìn)風(fēng)口處所吸收的熱量與冷空氣由送風(fēng)口到機(jī)柜出風(fēng)口所吸收熱量的百分比，可以反映冷空氣在被有效利用之前的冷量損失占使用后冷量損失的百分?jǐn)?shù)，這個值越小，表示冷量損失越少；RHI為冷空氣在冷卻機(jī)柜所消耗的冷量占冷空氣從送風(fēng)口到機(jī)柜出風(fēng)口處總的冷量損失的百分比，即冷量真正被有效利用的部分所占的比例，該值越大，利用效率越高［6］。

式中：Tin---機(jī)柜進(jìn)風(fēng)口空氣溫度；

Tout---機(jī)柜出風(fēng)口空氣溫度；

TS---空調(diào)送風(fēng)口空氣溫度。

1.3 氣流分布系數(shù)RTI

RTI定義為機(jī)房空調(diào)送、回風(fēng)溫差與機(jī)柜進(jìn)、出口溫差之比［7］，RTI＜100%表示存在冷空氣旁送風(fēng)，或熱氣流分散；RTI＞100%表示存在熱空氣回風(fēng)。

式中：TR---空調(diào)回風(fēng)口空氣溫度。

環(huán)境評價指標(biāo)涉及的定義溫度參數(shù)的位置示意圖如圖2所示。

圖2 環(huán)境評價指標(biāo)涉及的定義溫度參數(shù)的位置示意圖

2 模擬數(shù)據(jù)中心的物理模型

取某簡化的數(shù)據(jù)機(jī)房作為研究對象，模擬參數(shù)如表1所示。被測機(jī)房總面積為86.4 m2，機(jī)房內(nèi)機(jī)柜為42U服務(wù)器機(jī)柜，前后門均為網(wǎng)孔門，開孔率為64%。單機(jī)柜內(nèi)置10列4U服務(wù)器，其機(jī)柜以面對面形式擺放，形成冷熱通道。采用架空地板送風(fēng)，空調(diào)末端設(shè)置在地板下，回風(fēng)口設(shè)置在機(jī)架背部地板處，冷氣流通過機(jī)架正面地板處的送風(fēng)口進(jìn)入冷通道，熱氣流從機(jī)架背部地板處的回風(fēng)口回風(fēng)，形成下送下回的氣流組織形式。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房平面及機(jī)柜布置示意圖如圖3所示。

根據(jù)簡化的數(shù)據(jù)機(jī)房及設(shè)備尺寸，利用CFD軟件建立機(jī)房三維模型，采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元共25.3萬，流場求解采用RNG k-ε穩(wěn)態(tài)的湍流模型。

表1 數(shù)據(jù)機(jī)房模擬參數(shù)表

圖3 數(shù)據(jù)中心機(jī)房平面圖及機(jī)柜示意圖

3 模擬結(jié)果分析

3.1 機(jī)柜進(jìn)排風(fēng)溫度與風(fēng)量

利用CFD模擬結(jié)果，截取數(shù)據(jù)機(jī)房截面圖以評價機(jī)房內(nèi)熱環(huán)境的情況。離地1 m處機(jī)房平面溫度云圖如圖4所示。由圖4可見，封閉前后冷通道溫度均明顯低于熱通道溫度，且絕大部分機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度保持在25℃左右，但在未封閉的情況下，兩側(cè)房間的熱空氣進(jìn)入冷通道兩側(cè)并與冷空氣發(fā)生摻混，導(dǎo)致兩側(cè)機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度升高，排風(fēng)溫度明顯高于其他機(jī)柜。封閉冷通道后，機(jī)柜得到的冷量更加充足，降低機(jī)柜排風(fēng)溫度。此外，由于假設(shè)模擬處于理想狀況，冷通道封閉后不存在任何縫隙，因此冷通道內(nèi)的冷空氣與機(jī)房空氣沒有摻混，導(dǎo)致機(jī)房溫度分布均勻。

機(jī)房側(cè)面氣流分布矢量圖如圖5所示。由圖5可見，未封閉時機(jī)房氣流稍顯凌亂，空調(diào)送出的冷空氣僅有部分被服務(wù)器有效利用，而另一部分未經(jīng)利用直接流入機(jī)房頂部，再與服務(wù)器熱排風(fēng)混合回到空調(diào)回風(fēng)口。這不僅導(dǎo)致服務(wù)器不能吸入足夠的冷空氣，有過熱的危險，還會造成空調(diào)回風(fēng)溫度偏低，降低制冷效率。冷通道封閉后，冷空氣均能被有效利用，避免了旁送風(fēng)現(xiàn)象。

冷通道封閉前后機(jī)柜進(jìn)風(fēng)量的特性比較如圖6所示。由圖6可見，冷通道封閉時機(jī)柜進(jìn)風(fēng)量遠(yuǎn)大于未封閉的進(jìn)風(fēng)量；在冷通道封閉情況下，封閉門和頂板阻斷了冷空氣直接流入機(jī)房的路徑，冷空氣完全被機(jī)柜所利用；在冷通道未封閉時，一部分供給機(jī)柜的冷空氣從頂部直接流入機(jī)房，導(dǎo)致機(jī)柜進(jìn)風(fēng)量大大減少，而兩側(cè)機(jī)柜存在熱空氣回風(fēng)，因此進(jìn)風(fēng)量稍高于中部機(jī)柜，這也是圖4（a）服務(wù)器回風(fēng)口的溫度大于冷通道封閉的溫度的原因。

圖4 離地1m處機(jī)房平面溫度云圖

圖5 機(jī)房側(cè)面氣流分布矢量圖（x=6 m）

圖6 冷通道封閉前后機(jī)柜進(jìn)風(fēng)量的特性比較

根據(jù)ASHRAE TC 9.9，設(shè)定進(jìn)風(fēng)溫度高于32℃時服務(wù)器過熱，溫度28～32℃時服務(wù)器運(yùn)行良好，低于28℃服務(wù)器狀態(tài)為優(yōu)。服務(wù)器過熱模擬結(jié)果如圖7所示。由圖7可見，冷通道未封閉時的過熱情況明顯比封閉后的嚴(yán)重，且出現(xiàn)過熱的服務(wù)器集中在兩側(cè)冷熱氣流摻混嚴(yán)重的機(jī)柜；冷通道封閉防止了冷熱氣流摻混，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度均勻，服務(wù)器過熱現(xiàn)象消失。

圖7 服務(wù)器過熱模擬結(jié)果

3.2 供熱指數(shù)SHI與氣流分布系數(shù)RTI

由于SHI與RHI表征的物理意義相同，本文僅對供熱指數(shù)SHI進(jìn)行分析評價。冷通道封閉前后SHI比較圖如圖8所示。由圖8可見，在冷通道未封閉時空調(diào)冷空氣與房間熱空氣在兩側(cè)機(jī)柜摻混，SHI接近0.25，部分冷量在服務(wù)器利用之前就被消耗，導(dǎo)致冷量利用效率偏低；冷通道中部沒有熱空氣滲透，因此中部機(jī)柜SHI指數(shù)趨于0。當(dāng)冷通道封閉時，各機(jī)柜SHI指數(shù)均趨于0，說明在理想狀況下冷熱空氣沒有發(fā)生摻混，冷量利用效率很高。

圖8 冷通道封閉前后SHI比較

SHI只能表示冷空氣被服務(wù)器利用之前冷量的損失，無法表示冷空氣未被利用的情況，因此需要繼續(xù)分析氣流分布系數(shù)RTI。

冷通道封閉前后RTI比較圖如圖9所示。由圖9可見，冷通道未封閉時，各機(jī)柜氣流分布系數(shù)RTI均處于較低水平，中部機(jī)柜RTI最低，僅略高于0.5，說明在這種情況下大量冷空氣并未被服務(wù)器利用，而直接進(jìn)入房間與熱空氣混合或通過回風(fēng)口排出，旁送風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重；冷通道封閉后，各機(jī)柜RTI均趨近于1，說明冷空氣旁送風(fēng)、熱空氣回風(fēng)現(xiàn)象均未發(fā)生，冷通道封閉效果較好，冷量利用效率高。

圖9 冷通道封閉前后RTI比較

綜上，熱環(huán)境指數(shù)分析的結(jié)果與云圖觀察到的模擬結(jié)果相一致，確保了模擬的準(zhǔn)確性與有效性，同時也證明了冷通道封閉措施對提高機(jī)房冷卻效率是有益的。

4 結(jié) 語

本文模擬了冷通道封閉前后的氣流組織及冷量應(yīng)用狀況。模擬結(jié)果表明，冷通道封閉后提高了能源利用效率，避免冷空氣旁送風(fēng)和冷熱氣流摻混帶來的冷量損失，確保服務(wù)器的低進(jìn)風(fēng)溫度，使其得到良好的冷卻，避免設(shè)備過熱所帶來的宕機(jī)等問題。

［1］ HAM SW，KIM M H，CHOI B N，et al. Simplified server model to simulate data center cooling energy consumption［J］.Energy and Buildings，2015（86）：328-339.

［2］ HASSAN N M S，KHAN M M K，RASUL M G. Tem perature monitoring and CFD analysis of data centre［J］.Procedia Engineering，2013（56）：551-559.

［3］ 陳杰.數(shù)據(jù)機(jī)房冷通道封閉技術(shù)應(yīng)用及模擬分析［J］.暖通空調(diào)，2015（6）：43-46.

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Analysis of CFD Simulation and Thermal Performance for Cold Aisle Enclosure App lication in Data Center

LIU Yifeng1， YUE Chang2， ZHANG Quan2， YANG Xuede3， LIAO Shuguang4
（1.Hunan Post&Telecommunications Planning and Designing Institute Co.，Ltd.，Changsha 410126，China；2.Civil Engineering College of Hunan University，Changsha 410082，China；3.Hunan Yidezhengtong Mechanical and Electrical Equipment Co.，Ltd.，Changsha 410023，China；4.Changsha Maxxom High-tech Co.，Ltd.，Changsha 410200，China）

Based on a object of simplified data center，this paper simulated the thermal environment with and without the cold aisle enclosure by computational fluid dynamics（CFD）software.Two evaluation indexes of supply heating index（SHI）and return temperature index（RTI），are used to evaluate the loss ratio of the cooling capacity between supply-air inlets and servers，supply-air inlets and return-air outlets.The simulation results show that the RTI with and without the cold aisle enclosure is 1 and 0.50～0.85，respectively.The SHIwithout the cold aisle enclosure indicates the hot air mixing exists.The cold aisle enclosure can ensure the cold air into the cold aisle as much as possible，which improves the utilization efficiency of cooling capacity.

data center；cold aisle enclosure；com putational fluid dynam ics（CFD）；SHI；RTI

TU 832.1

A

1674-8417（2015）09-0001-05

2015 09 06

岳 暢（1991-），男，博士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)中心氣流組織CFD模擬。

張 泉（1970-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)中心氣流組織CFD模擬。

楊學(xué)德（1972-），男，從事數(shù)據(jù)中心方面的工作。

廖曙光（1973-），男，高級工程師，從事數(shù)據(jù)中心方面的工作。

國家國際合作項(xiàng)目（2015DFA61170）；湖南省重點(diǎn)項(xiàng)目（2013WK 2001）