王漢青 蔡攸嬋

1 中南林業(yè)科技大學(xué)

2 南華大學(xué)土木工程學(xué)院

3 建筑環(huán)境控制技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)的快速發(fā)展，模塊化數(shù)據(jù)中心以其高可靠、高效節(jié)能和整體快速部署的優(yōu)勢(shì)受到了市場(chǎng)的青睞，模塊化已成為中小型數(shù)據(jù)中心發(fā)展的主流趨勢(shì)，在大型數(shù)據(jù)中心的高密度場(chǎng)景也已大量應(yīng)用。然而，隨著全球計(jì)算機(jī)容量的快速增長(zhǎng)，近年來，我國(guó)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的數(shù)量也在與日俱增，這直接導(dǎo)致了單機(jī)架容量也越來越大，進(jìn)而整個(gè)模塊化數(shù)據(jù)中心的功耗顯著增大[1]。機(jī)柜所要求的散熱能力也越來越高，相比傳統(tǒng)的架空地板送風(fēng)方式，列間空調(diào)在降溫效率方面具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)[2]。

本文通過比較兩種列間空調(diào)的布局方式，分析其對(duì)室內(nèi)熱工環(huán)境和氣流組織的影響，并以考慮房間溫度標(biāo)準(zhǔn)研究了列間空調(diào)所能負(fù)擔(dān)的最高單機(jī)架功耗。

1 機(jī)房介紹

本文以某模塊化數(shù)據(jù)中心機(jī)房為研究對(duì)象，對(duì)機(jī)房進(jìn)行房間級(jí)的氣流組織和溫度分布模擬及相應(yīng)的優(yōu)化分析。機(jī)房尺寸6.0 m×6.0 m×3.5 m（長(zhǎng)×寬×高），面積為36 m2。單機(jī)柜功耗6 kW，機(jī)柜數(shù)量12 個(gè)，單邊6 個(gè)，設(shè)備熱密度為174 kW/m2，機(jī)房配置列間空調(diào)4臺(tái)，空調(diào)機(jī)組的顯冷量為21.7 kW，設(shè)計(jì)風(fēng)量為11000 m3/h。

該模塊化數(shù)據(jù)中心采用機(jī)柜面對(duì)面布置的方式，冷通道封閉，可減少機(jī)房?jī)?nèi)冷熱氣流的摻混，該數(shù)據(jù)機(jī)房的氣流組織形式為：前送后回，水平送風(fēng)。數(shù)據(jù)機(jī)房的數(shù)據(jù)中心設(shè)備布局平面圖如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)中心設(shè)備布局平面圖

2 模擬研究

2.1 物理模型

本文采用CFD 模擬軟件Fluent 進(jìn)行模擬，通過Autocad 軟件建立三維數(shù)據(jù)中心模型，對(duì)機(jī)房的熱工特性進(jìn)行模擬分析。根據(jù)以下工程資料，建模如圖2所示：

圖2 數(shù)據(jù)中心設(shè)備布局建模三維視圖

1）建模尺寸按照機(jī)房實(shí)際面積36 m2（6 m×6 m），機(jī)房高度為3.5 m，冷通道寬1.2 m，高2.4 m。

2）選用600 mm（寬）×1200 mm（深）×2000 mm（高）的46U 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，單機(jī)柜內(nèi)放置服務(wù)器，服務(wù)器之間的間隙以及服務(wù)器與機(jī)柜之間的間隙添加盲板以防止熱空氣回流。

3）設(shè)定空調(diào)的出風(fēng)溫度20 ℃。

4）機(jī)房環(huán)境溫度設(shè)置為24 ℃。

為了便于進(jìn)行接下來的數(shù)值模擬，對(duì)以上物理模型作了如下假設(shè)[3]：

1）一般來說，機(jī)架內(nèi)服務(wù)器的熱流密度受其影響會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，模型將熱流密度簡(jiǎn)化為恒定值。

2）機(jī)房?jī)?nèi)空氣視為不可壓縮的，流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)。

3）假設(shè)除服務(wù)器熱源表面以外，其他表面均為絕熱壁面，不考慮其任何形式的傳熱。

2.2 數(shù)學(xué)模型

針對(duì)本文所建立的三維物理傳熱模型，由于計(jì)算涉及流體流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)等問題，F(xiàn)luent 中主要利用三大控制方程進(jìn)行求解，即質(zhì)量守恒方程，動(dòng)量方程和能量守恒方程。

由于方程種類較多，為便于對(duì)各控制方程進(jìn)行高效統(tǒng)一分析，采用一種程序?qū)Ω黝惙匠踢M(jìn)行計(jì)算求解，可建立各種形式控制方程的通用方程，如果用φ 表示通用變量，式（1）則是上述各控制方程的通用形式及其組成部分：

式中：φ 為通用變量，可代表各控制方程式中的因變量，包括u、v、w、T、k、ε 等；Γ 為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S 為廣義源項(xiàng)。

2.3 邊界條件

1）壁面邊界條件：模型中所有壁面設(shè)置為無滑移條件，壁面熱流按絕熱處理。

2）進(jìn)、出風(fēng)口設(shè)定：進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為“velocity inlet”邊界條件，進(jìn)風(fēng)速度為4 m/s，進(jìn)風(fēng)溫度為20 ℃。出風(fēng)口設(shè)置為outflow 邊界條件。

3）熱源：根據(jù)資料中所提供的功耗數(shù)據(jù)，設(shè)置設(shè)備表面的平均熱流密度為174 W/m2。

網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)進(jìn)、出風(fēng)口和機(jī)架內(nèi)服務(wù)器進(jìn)行細(xì)致的加密，速度和壓力耦合采用SIMPLE 算法。

2.3 模擬結(jié)果與分析

本文采用了Fluent 軟件對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)氣流組織情況和熱工特性進(jìn)行模擬，考察達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，室內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布情況。

2.3.1 溫度場(chǎng)分析

因主要考慮機(jī)組運(yùn)行時(shí)對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)的影響，故這里截取機(jī)房?jī)?nèi)工作人員一般生活高度1.6 m 的水平面來進(jìn)行模擬結(jié)果分析，圖3 為Z=1.6 m 處的水平面溫度分布圖，圖4 為機(jī)房中心垂直面X=1.5 m 處的溫度分布云圖。

圖3 Z=1.6 m 處的水平面溫度分布圖

圖4 X=1.5 m 處的溫度分布圖

由溫度云圖可知，在環(huán)境溫度為24 ℃時(shí)，模塊化數(shù)據(jù)中心內(nèi)列間空調(diào)不斷進(jìn)行水平側(cè)送風(fēng)，因冷通道封閉，穩(wěn)態(tài)條件下，冷通道溫度恒定，為20 ℃（送風(fēng)溫度），有效地避免了冷量損失的問題。冷風(fēng)由冷通道進(jìn)入服務(wù)器，再進(jìn)入機(jī)房，溫升為3 ℃，機(jī)柜背面出風(fēng)溫度大約在26 ℃左右，熱空氣主要集中在房間上部，在人員主要活動(dòng)范圍，機(jī)房平均溫度為24.68 ℃,規(guī)范GB50174-2008《電子信息機(jī)房設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[4]中對(duì)A/B 級(jí)機(jī)房的環(huán)境運(yùn)行工況要求為23±1 ℃，故需對(duì)該模型的氣流組織進(jìn)一步優(yōu)化。

將該工況下機(jī)房、服務(wù)器、機(jī)柜的最高溫度和平均溫度整理得表1。

表1 房間內(nèi)典型溫度值

2.3.2 速度場(chǎng)分析

圖5 是機(jī)房Z=1.6 m 處的水平截面流線圖，由圖可以得知，機(jī)房?jī)?nèi)氣流流動(dòng)具有對(duì)稱性，與空調(diào)相鄰的機(jī)柜排出的熱空氣相比兩邊機(jī)柜的熱空氣更容易被空調(diào)回風(fēng)口吸入，再次進(jìn)行冷卻循環(huán)。然而，由此流線圖也可以看到，此工況下房間和冷通道內(nèi)都出現(xiàn)了自渦旋的情況，這是氣流組織的一大禁忌，尤其是對(duì)于機(jī)柜冷卻需求較高的建筑物，無法將冷量充分利用而造成極大的內(nèi)耗是一種嚴(yán)重的損失[5]。故接下來，本文將調(diào)整數(shù)據(jù)中心的列間空調(diào)的布局，考慮其對(duì)房間和機(jī)柜熱工特性及氣流組織的影響，并將其與前者的模擬情況進(jìn)行對(duì)比。

圖5 Z=1.6 m 處的水平面流線圖

2.3.3 主要問題歸納

綜合上述分析可知房間溫度波動(dòng)不大，但是人員活動(dòng)主要范圍內(nèi)的室平均溫度稍高于規(guī)范中規(guī)定的溫度，且每隔兩臺(tái)布置列間空調(diào)的方式對(duì)氣流冷量導(dǎo)向性并不明確，這是由于各列機(jī)柜氣流運(yùn)動(dòng)傳熱路徑不同，機(jī)柜列中的位置布局在一定的情況下可能會(huì)對(duì)散熱路徑及熱風(fēng)運(yùn)動(dòng)造成干擾。因此，調(diào)整列間空調(diào)的布局，最大程度地發(fā)揮冷量運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)，并考慮其布局方式對(duì)室內(nèi)熱工特性的影響十分必要。

3 改進(jìn)方案的模擬研究與對(duì)比

3.1 模型改進(jìn)說明

為緩解上述模擬中出現(xiàn)的問題，本研究在上述模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了相關(guān)調(diào)整。具體的進(jìn)方案：將列間空調(diào)AC1 和機(jī)柜A2、AC2 和A5、AC3 和B2 及AC4和B5 分別進(jìn)行位置交換，其他機(jī)柜位置保持不變。如圖6 所示。

圖6 改進(jìn)后的設(shè)備布局平面圖

3.2 改進(jìn)方案模擬結(jié)果與對(duì)比

3.2.1 溫度場(chǎng)分析

圖7 為經(jīng)過調(diào)整列間空調(diào)布局后Z=1.6 m 水平面上的溫度分布圖，由圖可得知，將列間空調(diào)擺放在接近列頭的位置會(huì)使得機(jī)柜周圍溫度分布更加均勻，波動(dòng)較之前的布局方式要小，室內(nèi)的溫度也較之前的要更低。

圖7 改進(jìn)方案Z=1.6 m 的溫度分布圖

將兩種列間空調(diào)布局方式的典型溫度的模擬結(jié)果整理如表2，進(jìn)行對(duì)比分析。由模擬結(jié)果得到在人員活動(dòng)范圍內(nèi)，房間平均溫度為23.43 ℃，較前一種布局方式下降了1～2 ℃，并在規(guī)范要求之內(nèi)。同時(shí)，服務(wù)器的散熱效果也得到了一定程度的提升，在服務(wù)器熱量被有效帶走的同時(shí)，室內(nèi)溫度沒有上升，這說明排走的熱量及時(shí)地被空調(diào)風(fēng)扇吸入，室內(nèi)熱環(huán)境得到一定程度的優(yōu)化，接下來對(duì)該布局下速度場(chǎng)進(jìn)行分析，進(jìn)一步證明室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)化的主要原因。

表2 房間內(nèi)典型溫度對(duì)比

3.2.2 速度場(chǎng)分析

圖8 為Z=1.6 m 水平截面的流線圖，由圖中可以明顯看到，相比第一種方案，改進(jìn)方案的氣流組織更加均勻，充分利用了氣流運(yùn)動(dòng)進(jìn)入機(jī)柜冷卻設(shè)備，自渦旋現(xiàn)象得到減少，這也是服務(wù)器溫度得以降低，房間溫度分布均勻的主要原因。

圖8 改進(jìn)方案Z=1.6 m 處的水平面流線圖

3.3 能耗分析

通過改變模擬的邊界條件，得出了本機(jī)房列間空調(diào)列頭布置方式所能處理的最大的單機(jī)架功耗，圖9為不同單機(jī)架功耗下的室內(nèi)環(huán)境最高溫度與室內(nèi)環(huán)境平均溫度。由圖9 可知，在環(huán)境溫度為24 ℃，列間空調(diào)送風(fēng)溫度為20 ℃的工況下，以28 ℃作為機(jī)房環(huán)境溫度的上限，單機(jī)架功耗在12 kW 以下均能滿足室內(nèi)環(huán)境溫度的要求，大約在13 kW 時(shí)，室內(nèi)開始有局部溫度大于28 ℃，但平均溫度仍然滿足要求，當(dāng)功耗達(dá)到17 kW 時(shí)，室內(nèi)平均溫度大于28 ℃，該型號(hào)列間空調(diào)已完全不適用于該機(jī)房數(shù)據(jù)中心的制冷工作。

圖9 不同單機(jī)架功耗下的室內(nèi)環(huán)境溫度

因隨著時(shí)代的發(fā)展，數(shù)據(jù)處理容量要求越來越高，功耗也隨之增大，而模塊化數(shù)據(jù)中心造價(jià)昂貴，故在最初進(jìn)行數(shù)據(jù)機(jī)房的設(shè)備安裝之前應(yīng)該對(duì)設(shè)備功耗進(jìn)行預(yù)估，避免日后要重新更換設(shè)備，浪費(fèi)人力物力。

4 結(jié)束語(yǔ)

模塊化數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用在現(xiàn)階段的數(shù)據(jù)信息時(shí)代越來越廣泛，列間空調(diào)作為機(jī)房設(shè)備制冷的基礎(chǔ)設(shè)施其重要性不言而喻，本文對(duì)兩種列間空調(diào)布局方式在相同的工況下進(jìn)行了模擬，對(duì)比了兩者流線與溫度分布情況，最終得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)列間空調(diào)在機(jī)柜間均勻布置時(shí)，氣流組織較為紊亂，冷量未充分利用而造成極大的內(nèi)耗，從而導(dǎo)致制冷系統(tǒng)的效率降低。

2）當(dāng)列間空調(diào)采用列頭布置的方式時(shí)，機(jī)柜背面出風(fēng)口處的溫度分布較為均勻，且服務(wù)器、機(jī)柜及房間溫度都有所下降，自渦旋現(xiàn)象減少，制冷效率提高。

3）對(duì)采用列頭布置方式的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行能耗分析，本研究采用的列間空調(diào)型號(hào)在處理單機(jī)柜功耗為13 kW 以下的設(shè)備時(shí)，室內(nèi)溫度滿足規(guī)范要求，在功耗高于13 kW 時(shí)，溫度不滿足要求，應(yīng)考慮更換設(shè)備。故在最初進(jìn)行數(shù)據(jù)機(jī)房的設(shè)備安裝之前應(yīng)該對(duì)設(shè)備功耗進(jìn)行預(yù)估，避免日后重新安裝。