文/張振國(guó) 項(xiàng)顥 賈琨 張祖剛 (中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院有限公司)

1 引言

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心爆發(fā)式增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心建設(shè)向大規(guī)模、集成化、智能化發(fā)展。新技術(shù)層出不窮，數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施品牌種類(lèi)也越來(lái)越多，數(shù)據(jù)中心自身已經(jīng)變得越來(lái)越復(fù)雜，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行與維護(hù)的難度、工作量也隨之加大。面對(duì)不斷擴(kuò)充和升級(jí)的數(shù)據(jù)中心，基礎(chǔ)設(shè)施安全、穩(wěn)定的運(yùn)行作為數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)系統(tǒng)基礎(chǔ)環(huán)境保障顯得日益重要。而數(shù)據(jù)機(jī)房環(huán)境的運(yùn)維是數(shù)據(jù)機(jī)房安全運(yùn)維的前提之一，為機(jī)柜創(chuàng)造一個(gè)安全可靠的運(yùn)行環(huán)境尤為重要。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房存放著大量的 IT 設(shè)備，機(jī)房單位面積發(fā)熱量大，機(jī)房氣流組織受機(jī)房布局、機(jī)柜擺放、空調(diào)運(yùn)行情況等因素的綜合影響。目前，數(shù)據(jù)中心多數(shù)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻 IT 設(shè)備，氣流組織成為空調(diào)制冷系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵。國(guó)外針對(duì)氣流組織做了大量的研究，CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）被廣泛用來(lái)分析和優(yōu)化機(jī)房和 IT 設(shè)備內(nèi)部的氣流組織和溫度分布[1]。

目前，數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)計(jì)中廣泛采用由英國(guó) Future Facilities 公司研發(fā)的數(shù)據(jù)中心氣流組織仿真軟件6SigmaDC。該軟件含有豐富的模型庫(kù)，可快速搭建數(shù)據(jù)中心機(jī)房，模擬、仿真、預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)中心內(nèi)的熱環(huán)境，以動(dòng)畫(huà)、視頻等多種方式顯示溫度場(chǎng)、氣流場(chǎng)、壓力場(chǎng)、濕度等[2]。

本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，采用CFD模擬對(duì)不同機(jī)柜架空高度下的機(jī)房環(huán)境進(jìn)行了分析，給出了地板架空高度推薦值和相應(yīng)的運(yùn)維建議。

2 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于北京市，機(jī)房面積為153.64m2，其中信息機(jī)房的面積約為70m2，凈高為3m，中間梁高為0.4m。共布置機(jī)柜24臺(tái)，單臺(tái)最大電力容量為4KW，機(jī)柜兩行豎向布置，中間為冷通道（冷通道封閉），兩邊為熱通道（見(jiàn)圖1）。機(jī)房采用2臺(tái)直膨式恒溫恒濕專(zhuān)用空調(diào)，一用一備，單臺(tái)額定制冷量為80kW，機(jī)房采用下送風(fēng)上回風(fēng)的氣流組織形式，冷風(fēng)通過(guò)地板下的靜壓風(fēng)庫(kù)送入機(jī)房，設(shè)計(jì)送風(fēng)速度不大于3m/s。

圖1 平面布局圖

根據(jù)項(xiàng)目平面圖建立了CFD模型，如圖2所示：

圖2 CFD模型

3 不同地板架空高度的影響

本項(xiàng)目為改造項(xiàng)目，層高僅為3m，梁高為0.4m，機(jī)柜高度為2.0m，則地板架空高度過(guò)高會(huì)影響空調(diào)回風(fēng)，地板架空高度過(guò)低會(huì)影響架空地板內(nèi)的壓力分布繼而影響空調(diào)送風(fēng)。

圖3為機(jī)房剖面流場(chǎng)圖，可以看出橫梁對(duì)機(jī)房回風(fēng)的影響較明顯。底部架空高度越高，橫梁前的旋渦越大，回風(fēng)越不暢。因此，應(yīng)充分論證本項(xiàng)目的底部架空高度，以優(yōu)化機(jī)房的 環(huán)境。

高架地板架空高度與送風(fēng)量、機(jī)柜布局、橋架線纜布置與走向等因素有關(guān)?？照{(diào)回風(fēng)溫度設(shè)定為34℃，模擬本項(xiàng)目架空地板高度分別為300mm、400mm、500mm的情況下，機(jī)房環(huán)境及空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)。模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。

模擬結(jié)果表明，架空地板高度為300mm時(shí)，機(jī)柜9、10、11、19、20、21入口處溫度最大值超過(guò)了26℃，其中11和21超過(guò)了27℃。架空地板高度為400mm時(shí)，機(jī)柜11、23、24入口處溫度最大值超過(guò)了26℃，最高達(dá)26.5℃。架空地板高度為500mm時(shí)，機(jī)柜11、23入口處溫度最大值超過(guò)了26℃，最高達(dá)26.7℃。

當(dāng)高架地板較低為300mm時(shí)，風(fēng)機(jī)阻力增加，為了保障送風(fēng)量風(fēng)機(jī)頻率增大、轉(zhuǎn)速增大從而壓頭增大，近空調(diào)側(cè)架空地板靜壓減小，柵格送風(fēng)量減小，導(dǎo)致機(jī)柜入口溫度升高。當(dāng)?shù)匕寮芸崭邽?00mm時(shí)，上述現(xiàn)象有明顯改善，當(dāng)架空地板高度提高為500mm時(shí)，改善效果不明顯。綜上，本項(xiàng)目高架地板推薦高度為400mm。

從后期運(yùn)維角度來(lái)看，地板架空高度選擇 400mm 時(shí)，架空地板下的走線和梁對(duì)氣流組織影響不大，建議架空地板高度為 400mm，后期運(yùn)維時(shí)應(yīng)講不用的機(jī)柜旁邊柵格關(guān)閉，防止架空地板中落入灰塵雜物，影響送風(fēng)。

圖3 剖面流場(chǎng)

圖4 不同架空高度機(jī)柜入口溫度分布

4 冷通道封閉的影響

考慮到本項(xiàng)目層高受限的特殊性，分析了當(dāng)架空高度為400mm時(shí)，封閉和不封閉冷通道兩種條件的運(yùn)行情況見(jiàn)圖5。

模擬結(jié)果表明：當(dāng)冷通道不封閉時(shí)，開(kāi)啟兩臺(tái)空調(diào)，回風(fēng)溫度設(shè)定為30℃，固定單臺(tái)空調(diào)風(fēng)量為額定狀態(tài)的50%，機(jī)柜12和機(jī)柜24入口溫度最大值較高，較高位置出現(xiàn)在機(jī)柜頂部，溫度達(dá)到33℃，存在局部熱點(diǎn)。從根據(jù)機(jī)柜12的流線圖（圖6）可以看出，機(jī)柜12出現(xiàn)局部熱點(diǎn)的原因是機(jī)柜排風(fēng)出現(xiàn)了回流，導(dǎo)致入口溫度升高。當(dāng)增大送風(fēng)量至60%或降低回風(fēng)溫度設(shè)定值后，機(jī)柜12和機(jī)柜24的局部熱點(diǎn)才消失，但是這也同時(shí)導(dǎo)致空調(diào)能耗的升高。

當(dāng)封閉冷通道后，固定單臺(tái)空調(diào)風(fēng)量為額定狀態(tài)的50%，回風(fēng)溫度設(shè)定值提高至33℃，機(jī)柜進(jìn)口溫度分布均勻，未出現(xiàn)局部熱點(diǎn)。由此可知，相同送風(fēng)量下封閉冷通道后回風(fēng)溫度設(shè)定值可提高3℃，這對(duì)降低空調(diào)能耗是非常有利的，同時(shí)也可延長(zhǎng)自然冷源的利用時(shí)間，從而進(jìn)一步降低PUE。

圖5 冷通道封閉前后機(jī)柜入口溫度分布

圖6 機(jī)柜12流線圖

5 后期運(yùn)維建議

同時(shí)，結(jié)合CFD技術(shù)對(duì)機(jī)柜布置，空調(diào)控制策略、冷風(fēng)泄露、增設(shè)盲板等問(wèn)題進(jìn)行了模擬分析，綜合分析后為項(xiàng)目提供了以下運(yùn)維建議：

（1）機(jī)房封閉冷通道節(jié)能效果明顯，封閉冷通道后空調(diào)回風(fēng)溫度設(shè)定值建議為33℃，或送風(fēng)溫度設(shè)定建議為20℃，后期運(yùn)維應(yīng)檢查冷通道的密封性。

（2）冷風(fēng)泄露對(duì)機(jī)房環(huán)境和空調(diào)能耗影響很大，當(dāng)發(fā)生回風(fēng)溫度偏低、機(jī)柜入口溫度部分不均時(shí)，應(yīng)檢查是否在架空地板邊緣出現(xiàn)了冷風(fēng)泄露現(xiàn)象。

（3）增設(shè)盲板對(duì)機(jī)房環(huán)境和空調(diào)節(jié)能影響較大，暫時(shí)未使用的機(jī)柜應(yīng)增設(shè)盲板，且應(yīng)優(yōu)先在近空調(diào)機(jī)柜側(cè)加裝 盲板。

（4）地板架空高度選擇 400mm 時(shí)，架空地板下的走線和梁對(duì)氣流組織影響不大，建議架空地板高度為 400mm，后期運(yùn)維時(shí)應(yīng)講不用的機(jī)柜旁邊柵格關(guān)閉，防止架空地板中落入灰塵雜物，影響送風(fēng)。

（5）容易互相熱點(diǎn)的機(jī)柜是靠近空調(diào)側(cè)的前 3 臺(tái)機(jī)柜，這幾臺(tái)機(jī)柜更容易出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，機(jī)柜占用時(shí)建議由遠(yuǎn)級(jí)近布置服務(wù)器。

（6）受房間尺寸，機(jī)柜布局的影響，左側(cè)空調(diào)和右側(cè)空調(diào)容易出現(xiàn)出力不平衡現(xiàn)象，右側(cè)機(jī)柜出力相對(duì)較大，服務(wù)器可優(yōu)先往左側(cè)擺放。

（7）空調(diào) 1+1 冗余，建議采用固定送風(fēng)量，單臺(tái)送風(fēng)量設(shè)定為 50%送風(fēng)量，根據(jù)回風(fēng)溫度控制送風(fēng)溫度的控制策略，送風(fēng)溫度最小值不低于 16℃。

（8）當(dāng)機(jī)柜使用率低于 30%時(shí)，建議優(yōu)先將空調(diào)送風(fēng)量調(diào)節(jié)至相應(yīng)的設(shè)計(jì)風(fēng)量（但應(yīng)保障柵格靜壓），條件允許并經(jīng)對(duì)比論證后，可改為送風(fēng)量隨回風(fēng)溫度變化的控制模式，或只開(kāi)啟一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，另外一臺(tái)待機(jī)備用；當(dāng)機(jī)柜使用率高于 30%，應(yīng)采取固定 50%的風(fēng)量運(yùn)行，并根據(jù)空調(diào)運(yùn)行情況，調(diào)整回風(fēng)溫度設(shè)定值。

（9）嚴(yán)禁將服務(wù)器反向安裝，發(fā)現(xiàn)局部熱點(diǎn)且調(diào)低送風(fēng)溫度無(wú)效時(shí)，應(yīng)第一時(shí)間檢查熱點(diǎn)機(jī)柜是否存在反裝現(xiàn)象。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以實(shí)際項(xiàng)目為依托，以地板架空高度問(wèn)題為切入點(diǎn)，對(duì)不同架空高度、冷通道封閉前后機(jī)房環(huán)境進(jìn)行了CFD模擬，為項(xiàng)目設(shè)計(jì)和運(yùn)維提供了指導(dǎo)建議。同時(shí)，CFD技術(shù)也可用于對(duì)機(jī)柜布置，空調(diào)控制策略、冷風(fēng)泄露、增設(shè)盲板等問(wèn)題進(jìn)行模擬分析，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維。