蘇龍梅

摘要： 數(shù)據(jù)中心由于其內(nèi)部發(fā)熱量大，因此對室內(nèi)環(huán)境要求較高，合理地設計氣流組織才能確保設備長久穩(wěn)定的運行，通過選擇合適的圍護結構、照明功率及空調(diào)系統(tǒng)，盡量使數(shù)據(jù)中心的總PUE值達到最優(yōu)；通過CFD模擬對不同方案氣流組織條件下，比較分析機房的溫度場和速度場，得出較合理的氣流組織形式；通過eQUEST能耗模擬，將設計模型與基準模型相比較，通過調(diào)整建筑的各種參數(shù)，不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)機房的PUE值，達到綠色節(jié)能的目的。

關鍵詞：數(shù)據(jù)中心；CFD模擬；能耗模擬；設計優(yōu)化

數(shù)據(jù)中心擁有大量計算機設備、服務器設備、網(wǎng)絡設備及存儲設備等關鍵設備，并且設備都是發(fā)熱量大的設備，根據(jù)英國政府環(huán)境調(diào)查報告顯示，到2020年，辦公設備能耗占全社會總能耗30%，其中65%來自IT設備。數(shù)據(jù)中心50%-60%的功耗用于冷卻數(shù)據(jù)機房環(huán)境和IT設備，因此降低數(shù)據(jù)中心能耗是我們?nèi)缃衩媾R的一個新的挑戰(zhàn) [1]。

由于數(shù)據(jù)機房內(nèi)部環(huán)境溫度不均一，同一時間測定的不同區(qū)域溫差有時可達5℃以上，且機房內(nèi)部風速場也不均勻，有時會出現(xiàn)局部區(qū)域風速過小，甚至出現(xiàn)漩渦現(xiàn)象，也就造成了機房空調(diào)能耗高、效率低的現(xiàn)狀。因此如何合理設計室內(nèi)氣流組織來充分有效地利用空調(diào)設備冷卻服務器，從而提高其使用壽命也是值得關注的一個問題 [2]。

本文通過CFD軟件模擬分析設計方案及兩個對比方案的速度場及溫度場的分布情況，為數(shù)據(jù)機房的綠色節(jié)能提供建議。此外，采用能耗模擬軟件eQUEST對建筑進行全年8760小時動態(tài)模擬，得出設計模型相對于基準建筑的節(jié)能率，其中基準建筑模型與參照ASHRAE 90.1-2007 中相關要求來設定；本文模擬分析還將計算數(shù)據(jù)中心的PUE值，通過調(diào)整建筑的各種參數(shù)，不斷優(yōu)化PUE值，達到綠色節(jié)能的目的。

1 項目簡介

灃西（未來大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)園數(shù)據(jù)中心總建筑面積21034.36㎡，地上4層，設計內(nèi)容主要包括有數(shù)據(jù)機房、變配電/UPS/蓄電池用房、空調(diào)機房等。

本工程作為高耗能建筑物，應從建筑工藝、空調(diào)、電力等幾個方面進行了重點策劃設計，確保本工程成為數(shù)據(jù)機房中的綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心。

2 設計分析

數(shù)據(jù)中心因安裝的均為發(fā)熱量大的服務器設備，熱負荷構成主要為設備的顯熱負荷，相比而言，圍護結構的負荷占總負荷的比例不足20%。數(shù)據(jù)中心因服務器設備發(fā)熱量較大，傳統(tǒng)上送風氣流組織方式很難解決設備的散熱問題，因此采取下送風的方式以解決設備的散熱問題，地面為防靜電架空地板 [3]。

數(shù)據(jù)中心及動力中心均為工業(yè)建筑，滿足相關《綠色工業(yè)建筑評價標準》、《綠色工業(yè)建筑評價導則》、《綠色工業(yè)建筑評價技術細則（試行）》要求。

本工程設計按照《民用建筑熱工設計規(guī)范》等有關規(guī)范要求，采取一定節(jié)能措施設計建筑單體，達到建筑節(jié)能設計標準。

3 CFD模擬與優(yōu)化

3.1 模型建立

本模型主要參數(shù)包括：

* 氣流組織形式：下送側(cè)回。

* 地板送風口尺寸：空調(diào)送風溫度為18℃，風口數(shù)量為264個，每個風口的風速是1.96m/s，送風量是890m？/h，風口面積是0.18㎡，遮擋系數(shù)是0.7。

* 墻壁回風口：風口下沿據(jù)地板3m，風口尺寸為7.5m（1m，風口前后壓差5Pa左右。

* 機房外部環(huán)境溫度：25℃

* 機柜布置：機柜陣列面對面鏡像布置；機柜數(shù)264（以2kW計，等效3kW*180） ；

* 機柜模塊尺寸：1100 x 600 x 2000 mm（L x W x H）；

* 機柜結構：兩側(cè)為孔板，單元發(fā)熱功率為2kW；機柜背面出風口有排風機（形成加速面），風速約為40m3/h（背面折算的面速約900 m2/h），機柜前后面（通風面）孔隙率為80%。

3.2 數(shù)值模擬

利用CFD數(shù)值模擬軟件進行模擬，送風口設置為速度邊界條件，送風溫度為18℃，出風口采用自由出流邊界條件，機柜內(nèi)設備發(fā)熱量平均分配到設備表面，設置設備表面的平均熱流密度。

因為涉及到典型的流速和特征尺寸，流動為湍流，所以采用雙方程模型對數(shù)據(jù)機房進行模擬。

3.2 方案對比

設計方案： 冷熱通道設計

數(shù)據(jù)中心機房采用下送風恒溫恒濕風柜直接向架空地板送風，采用EC節(jié)能風機并下沉安裝，空調(diào)機房回風百葉側(cè)回風的送回風方式，回風速度控制在1.8m/s，以達到節(jié)能的目的。

對比方案1：側(cè)送側(cè)回通道設計

對高密度機柜可以采用一側(cè)下送風另一側(cè)上回風的方式，這種方式可以有效緩解冷熱通道溫度出現(xiàn)冷熱分區(qū)現(xiàn)象。

對比方案2：封閉冷通道設計

對高密度機柜可以采用冷氣通道全封閉的方式，這種方式將空調(diào)冷風直接輸送每個機柜，可以有效防止冷熱空氣混合，提高制冷效率，達到徹底解決機房過熱和降低空調(diào)能耗的問題。

3.3 結果及分析

從圖3可以看出，機組內(nèi)部最高溫度為26 ℃，風速在0.2m/s-0.8m/s之間；同一時間不同區(qū)域溫差最高為8℃。

從圖4可以看出，機組內(nèi)部最高溫度為22 ℃，風速在0.4m/s-1.8m/s之間；同一時間不同區(qū)域溫差最高為4℃。

從圖5可以看出，機組內(nèi)部最高溫度為21 ℃，風速在0.5m/s-2.1m/s之間；同一時間不同區(qū)域溫差最高為3℃。

對比分析圖3、圖4及圖5，封閉冷通道設計最優(yōu)，具有較好的溫度均勻性分布和速度均勻性分布。

4 能耗模擬與優(yōu)化

4.1 建筑模型

根據(jù)eQUEST能耗模擬建模需求，對該數(shù)據(jù)中心進行建模，模型效果圖如圖所示：

4.2 參數(shù)設置

天氣參數(shù)：西安咸陽市為寒冷地區(qū)，表1為西安地區(qū)氣候參數(shù)。

暖通空調(diào)系統(tǒng)：

設計模型空調(diào)冷熱源：動力中心的制冷機房為本數(shù)據(jù)中心提供12/18℃空調(diào)冷水作為空調(diào)冷源，辦公區(qū)域及走廊設計水環(huán)熱泵，夏季進出水溫為32/37℃，冬季進出水溫為18/12℃.。

設計模型空調(diào)末端：辦公及走廊區(qū)域采用整體式水環(huán)熱泵機組，由動力中心直接將經(jīng)過閉式冷卻塔的冷卻水送至末端，新風有位于走廊的整體式水環(huán)熱泵新風自己提供。

基準模型的冷源為冷水機組，熱源為電加熱，空調(diào)末端為VAV系統(tǒng)。

基準模型和設計模型的空調(diào)系統(tǒng)的參數(shù)對比如表5所示。

4.3 結果與分析

由設計模型輸出各部分年耗電量如下圖所示：

由模擬結果可以得出，建筑的節(jié)能率為14%。

4.4 PUE值計算

PUE （Power Usage Effectiveness， 電力使用效率） 值已經(jīng)成為國際上比較通行的數(shù)據(jù)中心電力使用效率的衡量指標。PUE值越接近于1，表示一個數(shù)據(jù)中心的綠色化程度越高 [4]。

數(shù)據(jù)中心一般含有數(shù)據(jù)機房和辦公區(qū)域，辦公區(qū)域的能耗應該排除在數(shù)據(jù)中心效率計算之外。通常有些辦公區(qū)域和數(shù)據(jù)機房消耗電力的設備是共用的，如冷水機組，冷卻水泵等，單獨測量出這些共用設備給數(shù)據(jù)機房的耗電量是不現(xiàn)實的。本項目PUE值的計算中通過計算出數(shù)據(jù)機房和其他區(qū)域的冷負荷百分比，然后通過比例將共用設備的耗電量的一部分分配給數(shù)據(jù)機房 [5]。

通過設計模型模擬結果機房冷負荷占整個數(shù)據(jù)中心冷負荷的百分比為：86.2%

數(shù)據(jù)機房制冷設備耗電量：0.862*（1.17+3.41+6.51） *106= 9.56*106Kwh

數(shù)據(jù)機房照明設備耗電量：211977Kwh

數(shù)據(jù)機房IT設備耗電量：59.65*106Kwh

5 設計優(yōu)化總結

通過CFD模擬對比分析可以看出，無論是機房還是機柜內(nèi)部溫度分布的均勻性還是室內(nèi)氣流組織的合理性，封閉冷通道設計優(yōu)于冷熱通道設計和側(cè)送側(cè)回設計，封閉冷熱通道設計能夠保證機房環(huán)境保持在合適的范圍內(nèi)，并且冷氣流完全用于冷卻熱源，而且能夠充分利用冷源的能量達到最佳冷卻效果，能夠保證設備長久穩(wěn)定的運行。

PUE （Power Usage Effectiveness，電力使用效率） 值已經(jīng)成為國際上比較通行的數(shù)據(jù)中心電力使用效率的衡量指標。通過不斷地調(diào)整建筑參數(shù)，本項目設計模型節(jié)能率為14%，PUE值為1.2，PUE值越接近于1，表示一個數(shù)據(jù)中心的綠色化程度越高，表明該數(shù)據(jù)中心的綠色化程度已很高了，達到了綠色節(jié)能的目的。

參考文獻：

[1]黎振華.綠色建筑中暖通空調(diào)設計方法探析[J].綠色環(huán)保建材，2019（06）：72.

[2]王劍平.某數(shù)據(jù)機房熱環(huán)境改善及節(jié)能措施研究[J].科技創(chuàng)新與應用，2019（14）：124-125.

[3]曾夙.對綠色建筑節(jié)能設計的研究[J].湖北農(nóng)機化，2019（09）：66.

[4]張梁鐘.暖通空調(diào)設計中綠色建筑技術的應用[J].居舍，2019（13）：70.

[5]丁雪芹.建筑節(jié)能措施在建筑設計中的分析[J].綠色環(huán)保建材，2019（06）：51+54.

（作者單位：上海中建建筑工程咨詢有限公司）