黃渤

（中海油信息科技有限公司，廣東 深圳 518067）

數(shù)據(jù)中心的能耗由IT設(shè)備能耗、冷卻系統(tǒng)能耗、電源和照明能耗構(gòu)成。冷卻系統(tǒng)的能耗約占總能耗的40%，是數(shù)據(jù)中心的主要能耗來源之一。由于數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備散熱量大，并且要求冷卻系統(tǒng)不間斷運(yùn)行，所以，空調(diào)系統(tǒng)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，不僅要滿足數(shù)據(jù)中心的可靠性要求，而且要達(dá)到節(jié)能的目的。氣流組織對(duì)數(shù)據(jù)中心的熱性能影響很大，與冷卻系統(tǒng)的能耗有著密切的關(guān)系。當(dāng)采用良好的空氣分配方案時(shí)，可以有效消除過熱和過冷現(xiàn)象，優(yōu)化冷通道氣流的均勻性被認(rèn)為是改善空氣分布和熱性能的有效解決方案。本文提出了一種新的局部擋板結(jié)構(gòu)，并對(duì)一系列數(shù)據(jù)中心模型進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了該模型對(duì)提高系統(tǒng)熱性能的有效性，同時(shí)，研究了局部擋板的優(yōu)化配置問題。

1 物理模型和工作條件

本文中基本物理模型是一個(gè)模擬數(shù)據(jù)中心機(jī)房，其尺寸為10900mm（D）×7300mm（W）×3000mm（H），該機(jī)房采用地板下送風(fēng)（UFAD）系統(tǒng)。房間內(nèi)共有44個(gè)服務(wù)器機(jī)架，平均分為4排。機(jī)架排以熱通道/冷通道（HA/CA）的形式排列。每排之間的距離是1200mm。機(jī)房空調(diào)（CRAC）布置在靠墻的冷通道線上。

仿真的部分參數(shù)如表1所示。許多研究人員研究了關(guān)于的地板下靜壓層的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)中心熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)了穿孔率為20%～30%的穿孔地板能達(dá)到最優(yōu)的熱工性能，而600～800mm被認(rèn)為是地板下靜壓層可以獲得最均勻氣流分布的理想高度。根據(jù)之前的調(diào)研和參考資料，本次調(diào)研的靜壓層高度設(shè)定為600mm，穿孔地板的穿孔率設(shè)定為20%。

表1 基本模型的參數(shù)

模型設(shè)計(jì)如圖1所示。模型a）是基本模型，在地板下送風(fēng)系統(tǒng)中沒有任何擋板。b）以及c）使用擋板在地板下送風(fēng)系統(tǒng)中創(chuàng)建了兩個(gè)獨(dú)立的空氣分配室。通過這種配置，一個(gè)CRAC為相應(yīng)的一個(gè)冷通道服務(wù)。新的擋板結(jié)構(gòu)目的在于改善氣流的均勻性，并消除靠近CRAC的機(jī)架上出現(xiàn)的熱點(diǎn)。因此，增加了局部擋板，以增加靠近地板處的壓力，并將適量的空氣分配到較遠(yuǎn)的位置。垂直于冷通道的局部穿孔擋板，穿孔率分別為0%、20%和80%。所有其他擋板都是全封閉的，沒有穿孔。

表2 數(shù)值模擬結(jié)果

圖1 仿真模型方案

2 結(jié)果

數(shù)值模擬得到的機(jī)架表面溫度分布和氣流溫度分布結(jié)果如表2所示。選取1500mm和500mm高度氣流溫度分布的平板等高線，研究了不同結(jié)構(gòu)對(duì)氣流溫度分布和熱性能的影響。

3 討論

根據(jù)機(jī)架表面溫度結(jié)果，1#、4#、6#、7#型可以明顯地注意到熱點(diǎn)出現(xiàn)在靠近CRAC的機(jī)架頂部。這種現(xiàn)象是由靜壓層內(nèi)的壓力分布引起的。穿孔地板流出的流量取決于房間壓力與地板下靜壓之間的壓降。當(dāng)它靠近CRAC時(shí)，流量會(huì)增加，從而導(dǎo)致高動(dòng)態(tài)壓力和相應(yīng)的低靜態(tài)壓力。這使得地板的流出率比其他地板低。同時(shí)，熱點(diǎn)通常出現(xiàn)在靠近機(jī)架的位置。

機(jī)架表面溫度測試結(jié)果還表明，02#、03#、05#消除了熱點(diǎn)。從機(jī)架冷通道側(cè)面的溫度分布來看，02#的氣流均勻性表現(xiàn)出最佳的熱性能。然而，對(duì)比機(jī)架頂部1500mm高度處的氣流溫度，除02#和03#外，熱點(diǎn)仍然存在。4#和7#穿孔率80%的穿孔擋板甚至使局部過熱問題更嚴(yán)重。

模擬結(jié)果表明，該情況下最高溫度比基本情況下的最高溫度提高了2.1℃，而5#和6#情況下在氣流分布上表現(xiàn)出很大的不均勻性，其中，第4～6機(jī)架有大量冷空氣進(jìn)入，導(dǎo)致過冷?？偟膩碚f，03#的穿孔率20%穿孔擋板和02#的封閉擋板是優(yōu)化數(shù)據(jù)中心熱性能和空氣分布的有效改進(jìn)結(jié)構(gòu)。

500mm高度處的氣流溫度分布接近地板，能夠反映不同模型的氣流分布。使封閉擋板情況下的模型2和模型5結(jié)果表明，封閉擋板能夠提高局部靜壓，增大風(fēng)量，改善局部熱環(huán)境。但也需要指出的是，使用局部封閉擋板后會(huì)出現(xiàn)明顯的溫升。據(jù)估計(jì)，封閉的擋板會(huì)導(dǎo)致其后面的壓力下降，并形成低壓區(qū)。因此，如果需要獲得更均勻的氣流，就必須對(duì)局部擋板進(jìn)行穿孔設(shè)計(jì)。位于5號(hào)地板處的局部擋板確實(shí)對(duì)氣流分布有影響，但它影響的是中部的機(jī)架，而不是靠近CRAC的機(jī)架。在2號(hào)地板處采用封閉式擋板的模型2#完全消除了熱點(diǎn)，而封閉式擋板導(dǎo)致氣流明顯不均勻，當(dāng)工況變化時(shí)，可提高系統(tǒng)的可靠性。在位于2號(hào)地板處位置采用20%穿孔擋板的模型3#消除了大部分熱點(diǎn)，并顯示出極大的均勻性。

擋板結(jié)構(gòu)還可以改善局部地板和最近兩個(gè)地板處氣流的熱性能。擋板結(jié)構(gòu)對(duì)局部地板處氣流的影響大于對(duì)周圍地板處氣流的影響。最嚴(yán)重的過熱問題是靠近CRAC的1號(hào)地板處的第一個(gè)機(jī)架。因此，應(yīng)考慮在1號(hào)地板處布置擋板結(jié)構(gòu)，以使改進(jìn)與具有不同嚴(yán)重程度過熱問題的機(jī)架相匹配。

4 結(jié)語

為了改善數(shù)據(jù)中心的氣流組織和熱性能，本研究提出了一種新的帶有局部擋板的地板下送風(fēng)氣流組織結(jié)構(gòu)。對(duì)不同擋板結(jié)構(gòu)的不同模型進(jìn)行了仿真研究和分析。結(jié)果如下：

（1）這種新型的帶有局部擋板的地板下送風(fēng)結(jié)構(gòu)被證明對(duì)改善數(shù)據(jù)中心的氣流組織和熱性能是有效的。

（2）局部封閉擋板結(jié)構(gòu)位于2號(hào)地板處，能徹底消除熱點(diǎn)；當(dāng)帶有穿孔率20%穿孔擋板結(jié)構(gòu)位于2號(hào)地板處時(shí)，氣流最均勻。

（3）在2號(hào)地板處使用局部擋板的結(jié)構(gòu)比，在位于5號(hào)擋板處時(shí)有更好的改善作用。將擋板布置在5號(hào)地板上時(shí)，并不能明顯改善靠近CRAC的機(jī)架的過熱問題。

（4）局部擋板可布置在1號(hào)地板處，以適應(yīng)未來研究工作中過熱問題嚴(yán)重程度的改善。