数据中心封闭冷热通道数值模拟对比分析

李洪珠，段林洁

(1.筑博设计股份有限公司，广东 深圳 518000；2.云南滇新能源有限公司，云南 昆明 650200)

数据中心的电子设备散热问题一直是其发展的关键，机房的散热冷却是确保数据中心安全可靠运行的基本条件之一，通常需在机房内安装精密空调。对于数据中心而言，当机房的设备“满载”运行时，会有较大的发热量，冷热通道隔离封闭是机房节能减排的措施之一[1]。通过“热通道”(Hot Aisle)和“冷通道”(Cold Aisle)的方式，改变以往数据中心机柜面朝同一方向摆放的做法，采用“面对面、背靠背”的机柜摆放方式，将冷、热空气分区，避免前排机柜排出的温/热空气与冷空气混合进入后排机柜，导致制冷效果降低的问题，提高了制冷效率[2]。

目前，数据中心一般采取封闭冷通道的形式，其示意图如图1所示。送风方式为下送风，冷风流经电子设备(布置在L、M、N和O机柜内)时对设备进行冷却，热风通过布置在室内的回风口排出室外。另外，可将电子设备的主要散热面相对组成的热通道封闭，其示意图如图2所示，冷风直接与设备散出的热量混合，并送到室外。本文应用数值模拟分析方法，计算这两种情况下的室内温度分布，对比分析其制冷效果。

图1 封闭冷通道示意图

1 数学模型

本报告采用计算流体力学(CFD)方法进行模拟，所用软件为FLUENT 13.0。

模拟中采用标准κ-ε模型求解建筑周边的湍流流动，涉及到的控制方程主要包括：连续性方程、动量方程、能量方程，可以写成如下通用形式：

图2 封闭热通道示意图

式中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项，其中ρ为密度，t为时间，u为速度矢量，对于不同的方程Ø、Γ、S具有不同的形式计算流体力学的控制方程如表1所示：

表1 计算流体控制方程表

表1中各常数如下：

Cμ=0.0845，C1ε=1.42，C2ε=1.68，

αk=αε，由

其中α0=1.0。如果μ<<μeff，则αk=αε≈1.393；

其中η=Sk/ε，η0=4.38，β=0.012。

2 模拟结果及分析

由于数据中心一个机房面积较大，且机柜布置规整，本文仅截取两个机柜对应的室内空间进行计算，其具体计算参数如下：

1)模型尺寸：两列机柜(每列机柜宽0.6m，长度16×0.6m=9.6m，间距1.8m，高2.2m)

2)模型空间大小：13.6m×4.8m×3m

3)机柜散热量：2×16×7 kW=224 kW，单个机组散热量112 kW

4)通风量：300 m3/h×224=67200 m3/h

5)冷风进风温度：18℃

2.1 封闭冷通道算例

封闭冷通道几何模型如图3所示。冷风进风口在封闭冷通道地板上，设备主要散热面为红色区域，所对应的区域为热通道，热风由室内回风口送出到室外。

图3 封闭冷通道几何模型示意图

图4 竖直截面室内温度分布

图5 人行高度处(z=1.5m)处室内温度分布

通过计算，得到的竖直截面和人行高度处(z=1.5m处)的温度分布如图4、图5所示。可以看出，冷通道内空气温度较低，在20℃左右。设备散出的热量由热通道扩散在室内，大部分区域温度在30℃左右，且由于热浮升力的作用，随着高度增加，温度越高，最后通过室内回风口排出。在人行区域，部分位置气温达到40℃，将影响设备维护人员行走舒适。

2.2 封闭热通道算例

封闭热通道几何模型如图6所示。冷风进风口在封闭热通道地板上，设备主要散热面为红色区域，所对应的区域为热通道，热风由顶部出风口送出到室外。

图6 封闭热通道几何模型示意图

图7 竖直截面室内温度分布

图8 人行高度处(z=1.5m)处室内温度分布

通过计算，得到的竖直截面和人行高度处(z=1.5m处)的温度分布如图7、图8所示。可以看出，热通道内设备散热面附近空气温度较高，超过40℃。由于冷空气直接与设备散热面对流，其温度下降梯度较为明显，并直接由上面的出口流出，不影响室内其他区域的温度，封闭热通道以外的区域室温在20℃左右。

3 对比分析结论

本文通过模拟计算得到封闭冷通道和封闭热通道的室内温度分布，封闭热通道直接将冷风与设备散热面进行对流降温，其制冷效果比较明显，且数

据机房设备散热量不影响室内其他区域。但需注意的是，如果送风口送风出现问题，可能出现热量快速积聚的问题，影响设备的运用。

[1] 姚岳飞,张力军,蒋国民等.数据中心冷热通道隔离封闭式机房的设计与实践[J].机房技术与管理，2010，(2):24-26

[2] 黄群骥.机房内冷热通道气流组织形式的评析[J].智能建筑与城市信息，2008，(7):19-22