廖婉婷 趙福云 劉娣 王漢青

1水力機械過渡過程教育部重點實驗室

2水射流理論與新技術(shù)湖北省重點實驗室

3武漢大學(xué)動力與機械學(xué)院

4中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院

5南華大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

數(shù)據(jù)中心已成為機構(gòu)信息系統(tǒng)的物理載體和核心資源，已經(jīng)成為信息化建設(shè)的熱點和核心內(nèi)容。在1990年，服務(wù)器機架功率普遍為能耗為1 kW左右，而如今同等占地面積的服務(wù)器機架已經(jīng)達到了20 kW[1]。數(shù)據(jù)處理的大量需求促使數(shù)據(jù)中心增長到7500m2，產(chǎn)生的能量消耗達到數(shù)百萬瓦[2]。

自然冷卻是利用自然界低溫冷源進行冷卻的方案。它通過降低機械制冷的運行時間實現(xiàn)全年能耗降低[3]。國內(nèi)外已經(jīng)有許多對空氣側(cè)自然冷卻的研究。劉杰[4]等以廊坊一處通信機房為例，對直接引入新風(fēng)式節(jié)能系統(tǒng)使用和節(jié)能效果進行了比較。張謙[9]對直接式空氣側(cè)自然冷卻節(jié)能系統(tǒng)，熱管換熱系統(tǒng)和板式換熱系統(tǒng)的各方面性能進行對比。CaciolliR和Vio M[5]調(diào)查研究了室外空氣自然冷源在溫帶氣候區(qū)數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用，由于溫帶氣候區(qū)的特殊氣候特征，其適宜采用全空氣室外冷源降溫，具有很好的節(jié)能效果。

1 數(shù)值模擬方法驗證

1.1 模型驗證

本文選用了文獻[6]中的數(shù)據(jù)中心測試室進行數(shù)值模擬的模型驗證。該文中選用了IBM公司在紐約建立的一個數(shù)據(jù)中心機房作為案例研究，并對比了CFD數(shù)據(jù)模擬結(jié)果和實測數(shù)據(jù)。

整個實驗室內(nèi)有一臺A/C機組，一臺服務(wù)器機架以及8塊開孔率為27%的地板磚。整個房間的實驗室的尺寸為 15.24 m×5.94 m×3.05 m，機架尺寸為0.61 m×1.22 m×2 m，多孔地板磚尺寸為 0.61 m×0.61m，布置如圖1所示，則其中藍色區(qū)域為溫度值采樣區(qū)。

圖1 實驗室各設(shè)備布置圖

1.2 模型驗證結(jié)果

數(shù)據(jù)處理得到如圖2所示的溫度對比圖。其中左側(cè)的數(shù)據(jù)為溫度采樣區(qū)離地面該高度下的溫度值，右側(cè)為同樣位置的CFD數(shù)值模擬溫度結(jié)果。由圖2可知，CFD模擬的結(jié)果在大部分區(qū)域和實測區(qū)域是比較符合的。在原文獻中也進行了數(shù)值模擬，得到的全局均方根誤差為4℃，而本文得到的全局均方根誤差為2.86℃，有一定的改善。

圖2 數(shù)值模擬與實測數(shù)據(jù)溫度對比圖

2 典型數(shù)據(jù)中心模型數(shù)值模擬

2.1 典型數(shù)據(jù)中心模型建立

本文用ICEM CFD軟件構(gòu)造了一個有14個機架的數(shù)據(jù)中心，每個機架又分為四層。

典型數(shù)據(jù)中心模型中，機架之間正面距離為1.22m，機架與墻面距離1.22m。整個數(shù)據(jù)中心尺寸為6.71m×5.49m×3m，14個機架分成兩列，在地板送風(fēng)方式中，機架中間地板上布置有多孔磚作為冷空氣入口，CRAC機組未被考慮進模型。多孔地板磚尺寸考慮采用標準型尺寸0.61m×0.61m，多孔率為0.25。機架選用標準的19寸機架，機架整體尺寸為0.61 m×1.016m×2.0m。模擬分別設(shè)置了地板送風(fēng)方式和頂部送風(fēng)方式，兩個模型保證送風(fēng)量相同，送風(fēng)示意圖見圖3及圖4。

圖3 數(shù)據(jù)中心地板送風(fēng)方式

圖4 數(shù)據(jù)中心天花板送風(fēng)方式

2.2 工況設(shè)置

本文主要關(guān)注的是利用空氣側(cè)自然冷卻時對外界冷空氣的溫度要求，來確定空氣側(cè)自然冷卻方式的可使用時長。故采用保持其他條件相同的情況下，改變?nèi)肟诶淇諝獾臏囟葋磉M行模擬計算。根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》以及ASHRAE對數(shù)據(jù)中心的環(huán)境溫度要求，數(shù)據(jù)中心的環(huán)境溫度推薦值為18～27℃，允許值為15～32℃。采用空氣側(cè)自然冷卻方式時要考慮防止結(jié)露的問題，實際中可利用露點測試儀進行測試，由文獻[6]可知防結(jié)露最低送風(fēng)溫度一般為10℃。雖然在室外環(huán)境溫度低于10℃時，可以采用加熱等方法讓冷空氣高于露點溫度，但是這樣加熱的耗能遠高于空調(diào)直接制冷，不利于節(jié)能，還會使得系統(tǒng)過于復(fù)雜，降低系統(tǒng)的可靠性。因此10℃即為判斷某地區(qū)某時能否用空氣側(cè)自然冷卻的最低溫度。

考慮到數(shù)據(jù)中心環(huán)境溫度推薦值最高為27℃，工況設(shè)置如表1以探究不同溫度的冷空氣對典型數(shù)據(jù)中心氣流組織以及制冷效果的影響。一般單一機柜熱密度低于8 kW的視作低密度數(shù)據(jù)中心，單一機柜在8 kW至30 kW之間的定義為高熱密度數(shù)據(jù)中心，而高于30 kW的視為超高熱密度數(shù)據(jù)中心。故本文中選擇設(shè)置機架的功率為7 kW代表低熱密度數(shù)據(jù)中心，工況數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 工況設(shè)置

2.3 網(wǎng)格獨立解

為保證數(shù)值模擬計算的結(jié)果不受網(wǎng)格質(zhì)量的影響，計算之前必須要有網(wǎng)格獨立解來驗證。理論上來說，計算模型的網(wǎng)格劃分得越細，計算結(jié)果將最準確。在計算資源有限的情況下，再加上浮點數(shù)舍入造成的誤差，計算工作往往要在準確度和計算能力上找到一個折中點，做出取舍。雖然不可能完全做到是網(wǎng)格對計算結(jié)果無影響，但一般來說，當研究對象在不同網(wǎng)格下計算的誤差達到一定可接受范圍內(nèi)時，即認為達到網(wǎng)格無關(guān)了。

本文建立了不同密度的網(wǎng)格，并分別計算了熱負荷為7 kW時，送風(fēng)溫度為13℃的工況，得到計算結(jié)果如圖5。

圖5 不同網(wǎng)格下的對稱面最高溫度

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 氣流組織分析

圖6為地板送風(fēng)模式下的溫度場分布圖，送風(fēng)溫度為16℃，流線顏色隨溫度變化，機架內(nèi)的溫度并不高的原因是，本文由于研究重點在室內(nèi)的氣流組織分布，簡化了機架模型，僅設(shè)置體熱源，并在機架出風(fēng)口做了動量修正，故機架內(nèi)部并未完全模擬熱空氣滯留受阻的狀態(tài)，故僅機架外部室內(nèi)流場有參考意義。圖7為頂部送風(fēng)模式下的流場分布圖，送風(fēng)溫度同樣為16℃。由于進風(fēng)口風(fēng)速約為地板送風(fēng)入口風(fēng)速的兩倍，可以看到很明顯大部分冷空氣從機架的底部進入進風(fēng)側(cè)，同樣由于機架內(nèi)部的簡化，使得空氣在機架內(nèi)部換熱時出現(xiàn)了小部分回流，大部分機架后部流出，并經(jīng)由頂部排風(fēng)口排出。

圖6 地板送風(fēng)模式溫度場分布圖

圖7 頂部送風(fēng)模式溫度場分布圖

對比圖6、圖7可以看出，在相同的送風(fēng)溫度下，兩種送風(fēng)模式產(chǎn)生的散熱效果有明顯的區(qū)別。地板送風(fēng)模式下，熱量分布均勻，冷空氣從多孔地板送出來后迅速與熱源進行熱量交換，兩種模式的最高溫度都在機架內(nèi)部，室內(nèi)的氣流組織明顯是地板送風(fēng)模式下的平均溫度高。

圖8是在地板送風(fēng)模式下，送風(fēng)溫度為16℃工況下的速度場分布圖，在室內(nèi)1.5m左右高的位置達到了風(fēng)速最大值，約為17.3m/s。在多孔地板磚上方出現(xiàn)速度大幅度提高是符合對地板磚進行動量修正的結(jié)果的。不同于大開口的進風(fēng)口，冷空氣從多孔地板磚的小孔流入后形成很多的小射流，并在一定高度上匯合成統(tǒng)一的流體，地板孔之間的空隙造成的卷吸效應(yīng)使得相同通風(fēng)量和有效通風(fēng)面積下穿過多孔地板磚的空氣中心流速遠大于通過全開口的流速。

圖8 地板送風(fēng)模式速度分布圖

圖9是在頂部送風(fēng)模式下，送風(fēng)溫度為16℃工況下的速度場分布圖，入口風(fēng)速為4.13m/s，最大風(fēng)速出現(xiàn)在出口附近。由于垂直風(fēng)速較大，冷空氣迅速到達機架底部，并由進風(fēng)側(cè)進入機架進行熱交換，后由機架后側(cè)流出。同樣的，由于機架并不是空無一物的方腔，空氣通過機架時形同通過一個多孔介質(zhì)，其等效的孔隙率為35%，由機架后部流出的空氣動量增大。整個室內(nèi)的氣流組織平均風(fēng)速不高，引起通過機架的通風(fēng)量遠低于地板送風(fēng)模式下的通風(fēng)量，這也是造成整體冷卻效果不佳的原因。

圖9 頂部送風(fēng)模式速度分布圖

3.2 數(shù)據(jù)中心溫度檢測

用空氣側(cè)自然冷卻方式對數(shù)據(jù)中心進行冷卻，檢驗其冷卻效果的方式自然是檢測數(shù)據(jù)中心的環(huán)境溫度。根據(jù)ASHRAE美國制冷空調(diào)協(xié)會給出的數(shù)據(jù)中心運行熱環(huán)境指導(dǎo)和中國國家標準《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》主機房的環(huán)境溫度推薦值都是在18～27℃。而選用的代表機房環(huán)境溫度的測試點也有相關(guān)規(guī)定：當IT設(shè)備未采用冷熱通道分離方式布置時，機房溫度應(yīng)以送風(fēng)區(qū)域的分量參數(shù)為準。當機柜或機架采用冷熱通道分離方式布置時，機房環(huán)境溫度應(yīng)以冷通道的測量參數(shù)為準。

本文對各工況的制冷效果進行評估選用的檢測點水平方向以0.6m為間距，得到的數(shù)據(jù)如上圖。圖10所示為檢測點最高溫度隨送風(fēng)溫度的變化，圖（a）、（b）分別為地板送風(fēng)模式和頂部送風(fēng)模式下的情況。由圖（a）可知，當隨著送風(fēng)溫度的增大，檢測點的最高溫度成比例上升，并在送風(fēng)溫度為22℃時超出環(huán)境推薦溫度28（a），而由圖（b）可知頂部送風(fēng)模式下送風(fēng)溫度與最高溫度并不成線性關(guān)系，當送風(fēng)溫度為17℃時，檢測點溫度超過了環(huán)境推薦溫度。

圖10 不同送風(fēng)溫度下檢測點最高溫度

故地板送風(fēng)方式下能夠使用風(fēng)側(cè)自然冷卻方式節(jié)能的環(huán)境溫度為10℃至22℃，頂部送風(fēng)方式下能夠使用風(fēng)側(cè)自然冷卻方式節(jié)能的環(huán)境溫度為10℃至17℃。很明顯，相同通風(fēng)量下地板送風(fēng)模式的制冷效果要優(yōu)于頂部送風(fēng)效果，在利用自然冷源節(jié)能上更推薦用地板送風(fēng)的方式。

4 省會城市利用空氣側(cè)自然冷卻節(jié)能潛能

我國南北跨緯度廣，冬季南北溫差大。綜合考慮全國各地溫度范圍，可利用冷源資源豐富，非常適合推廣自然冷卻方式，為節(jié)能保護環(huán)境提供基礎(chǔ)。

由上一節(jié)得到的結(jié)果可知，基于典型低熱流密度數(shù)據(jù)中心，地板送風(fēng)模式下可以達到機房環(huán)境溫度推薦值的最佳環(huán)境溫度為10℃～22℃（以下簡稱最佳環(huán)境溫度），而頂部送風(fēng)模式下最佳環(huán)境溫度為10℃～17℃。數(shù)據(jù)中心對濕度的要求為35%～75%，如果室外空氣的濕度高于75%時需要除濕，低于35%時則需要加濕。文獻[6]總結(jié)，在低溫地區(qū)，采用自然冷源制冷時，如果將濕度低高室外新風(fēng)進行加濕處理，將產(chǎn)生采用自然冷卻而節(jié)約的冷量的25倍耗能。而將低濕度室外空氣進行除濕，則能耗能所節(jié)約冷量的2到4倍。因此，將濕度不符合要求的冷空氣作為冷源直接引入很影響節(jié)能效果的。

基于典型低熱流密度數(shù)據(jù)中心，本文找出了各個省會全年8760 h內(nèi)，可以達到最佳環(huán)境溫度這一要求的時間，制成的時間頻數(shù)柱狀圖如圖11所示。

圖11 地板送風(fēng)模式下累計時長頻數(shù)及比例圖

圖11所示為各城市地板送風(fēng)模式下，最佳環(huán)境溫度時長累積柱狀圖，以及時長占全年比例折線圖。由圖可知，昆明、蘭州、拉薩、烏魯木齊分列最佳環(huán)境溫度時間域最長的前四名。其中，昆明的最佳環(huán)境溫度時間域有2481 h，占全年時長的28%。絕大部分地區(qū)在地板送風(fēng)模式下最佳環(huán)境溫度時長都在1000 h以上，而占比在0.2以上的有4個城市。在實際應(yīng)用中，雖然拉薩的環(huán)境條件很適合自然冷卻，但考慮到其海拔高度而造成的空氣稀薄，使得空氣換熱能力差，需要很大程度提高通風(fēng)量，影響節(jié)能效果。

圖12 頂部送風(fēng)模式時長頻數(shù)及比例圖

圖12所示為各城市頂部送風(fēng)模式下，最佳環(huán)境溫度時長累積柱狀圖，以及時長占全年比例折線圖。和圖11相比，城市的排列順序是一樣的，很明顯，在頂部送風(fēng)模式下，時長變化并未隨著城市排列順序單調(diào)增長。蘭州這個城市在地板送風(fēng)模式下最佳環(huán)境溫度時長遠大于頂部送風(fēng)模式下的，也就是說，在該城市環(huán)境狀態(tài)下，更適合使用地板送風(fēng)模式來達到節(jié)能的效果，同樣的情況也發(fā)生在烏魯木齊。兩圖對比也可以看出，無論是哪種送風(fēng)模式，?？凇㈤L沙、合肥等這些城市都是非常不適合利用自然冷源節(jié)能制冷的。

5 結(jié)論

1）在相同的送風(fēng)溫度下，兩種送風(fēng)模式產(chǎn)生的散熱效果有明顯的區(qū)別。地板送風(fēng)方式下，卷吸效應(yīng)使得相同通風(fēng)量和有效通風(fēng)面積下穿過多孔地板磚的空氣中心流速遠大于通過全開口的流速，冷空氣從多孔地板送出來后迅速與熱源進行熱量交換，熱量分布均勻。而頂部送風(fēng)方式下，冷空氣垂直向下送入機架進風(fēng)側(cè)，由于垂直風(fēng)速較大，冷空氣迅速到達機架底部，并由進風(fēng)側(cè)進入機架進行熱交換，后由機架后側(cè)流出，換熱效果不佳。最終模擬結(jié)果顯示，頂部送風(fēng)方式下環(huán)境溫度要求為10℃～17℃，地板送風(fēng)方式下環(huán)境溫度要求為10～22℃。

2）省會城市中，地板送風(fēng)方式下，昆明、蘭州、拉薩、烏魯木齊分列最佳環(huán)境溫度時間域最長的前四名。其中，昆明的最佳環(huán)境溫度時間域有2481 h，占全年時長的28%。絕大部分地區(qū)在地板送風(fēng)模式下最佳環(huán)境溫度時長都在1000 h以上，而占比在0.2以上的有4個城市。蘭州這個城市在地板送風(fēng)模式下最佳環(huán)境溫度時長遠大于頂部送風(fēng)模式下的，也就是說，在該城市環(huán)境狀態(tài)下，更適合使用地板送風(fēng)模式來達到節(jié)能的效果，同樣的情況也發(fā)生在烏魯木齊。兩圖對比也可以看出，無論是哪種送風(fēng)模式，海口、長沙、合肥等這些城市都是非常不適合利用自然冷源節(jié)能制冷的。昆明的最佳環(huán)境溫度時長和其兩種送風(fēng)模式的時長差值都是最大的，也就是說全年逐時溫度在兩個溫度上限之間的值占比很大，在當?shù)厥褂庙敳克惋L(fēng)方式來實行自然冷卻的數(shù)據(jù)中心，將送風(fēng)方式改為地板送風(fēng)，將會很大的改善數(shù)據(jù)中心的節(jié)能效果。而像西寧這樣的城市，盡管時長也有差值，但是想通過改變送風(fēng)方式來提高節(jié)能效果結(jié)果不會這么明顯。

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