数据机房冷通道应用的气流模拟及热性能分析*

刘义丰， 岳 畅， 张 泉， 杨学德， 廖曙光（.湖南省邮电规划设计院有限公司，湖南长沙 06；.湖南大学土木工程学院，湖南长沙 008；.湖南一德正通机电成套设备有限公司，湖南长沙 00；.长沙麦融高科股份有限公司，湖南长沙 000）

数据机房冷通道应用的气流模拟及热性能分析*

刘义丰1， 岳 畅2， 张 泉2， 杨学德3， 廖曙光4
（1.湖南省邮电规划设计院有限公司，湖南长沙 410126；2.湖南大学土木工程学院，湖南长沙 410082；3.湖南一德正通机电成套设备有限公司，湖南长沙 410023；4.长沙麦融高科股份有限公司，湖南长沙 410200）

以简化的数据机房为对象，对冷通道封闭前后的热环境进行计算流体力学模拟，采用供热指数SHI和气流分布系数RTI两个热环境评价指标，分析送风口与服务器之间以及送回风口之间冷量损失比例。模拟结果表明，冷通道封闭及未封闭的RTI指标分别为1.0、0.50～0.85，未封闭SHI指标表明有热气流掺混；冷通道封闭能最大限度地将冷空气封闭在冷通道内，有效地提高了冷量利用效率。

数据中心；冷通道封闭；计算流体力学；SH I；RTI

刘义丰（1978-），男，高级工程师，从事暖通、给排水的设计工作。

0 引 言

随着信息技术的进步和社会对数据处理的需求，数据中心的建设迅猛发展，全球数据中心年耗电量已经达到全球总耗电量的1.5%左右［1］，其规模和容量也在不断扩大。数据中心内有大量的IT设备不间断运行，对运行环境的稳定性和安全性有较高的要求，其中最重要的是使数据中心的机架服务器的空气温/湿度保持在一个安全的范围，以防止芯片过热、结露等状况发生［2］。

为了保障数据中心向高热密度发展后的正常运行，需要采取多种解决方案，常见的有气流组织优化、精确送风、水冷背板、通道封闭等［3］，其中较可靠、应用广泛、效果较好的是通道封闭措施。通道封闭技术就是使吸入机柜的冷空气与机柜排出的热空气相互分离，使其不再掺混，提高利用效率。通道封闭可以分为冷通道封闭与热通道封闭两种形式，其中冷通道封闭效果较好，应用更广泛。

近年来，为了分析评价数据中心的热环境，常通过计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）来进行数值模拟，相比于实验手段具有成本低、时间短和结果直观等优势，对于数据中心的气流组织优化有重要意义，是数据中心热环境的主要评价手段［4］。

本文主要利用CFD软件研究典型数据机房地板送风的热环境状况，模拟对比冷通道封闭前后的机房气流组织与热环境特性，并利用热环境评价指标研究冷通道封闭所带来的效率改善。

1 数据中心热环境评价指标

1.1 温度

美国ASHRAE TC9.9［5］根据机架进风口的空气温度衡量数据中心的热环境质量，按照温/湿度的要求分为A1～A4 4个不同等级，每个等级有各自的推荐范围和允许范围，如图1所示。

图1 美国ASHRAE推荐的数据中心温湿度范围

此外，国内外学者还提出了一些评价数据中心热环境的评价指标，其中较为广泛使用的有供热指数SHI、回热指数RHI以及气流分布系数RTI等。

1.2 供热指数SHI和回热指数RH I

SHI定义为冷空气从送风口到机柜进风口处所吸收的热量与冷空气由送风口到机柜出风口所吸收热量的百分比，可以反映冷空气在被有效利用之前的冷量损失占使用后冷量损失的百分数，这个值越小，表示冷量损失越少；RHI为冷空气在冷却机柜所消耗的冷量占冷空气从送风口到机柜出风口处总的冷量损失的百分比，即冷量真正被有效利用的部分所占的比例，该值越大，利用效率越高［6］。

式中：Tin---机柜进风口空气温度；

Tout---机柜出风口空气温度；

TS---空调送风口空气温度。

1.3 气流分布系数RTI

RTI定义为机房空调送、回风温差与机柜进、出口温差之比［7］，RTI＜100%表示存在冷空气旁送风，或热气流分散；RTI＞100%表示存在热空气回风。

式中：TR---空调回风口空气温度。

环境评价指标涉及的定义温度参数的位置示意图如图2所示。

图2 环境评价指标涉及的定义温度参数的位置示意图

2 模拟数据中心的物理模型

取某简化的数据机房作为研究对象，模拟参数如表1所示。被测机房总面积为86.4 m2，机房内机柜为42U服务器机柜，前后门均为网孔门，开孔率为64%。单机柜内置10列4U服务器，其机柜以面对面形式摆放，形成冷热通道。采用架空地板送风，空调末端设置在地板下，回风口设置在机架背部地板处，冷气流通过机架正面地板处的送风口进入冷通道，热气流从机架背部地板处的回风口回风，形成下送下回的气流组织形式。

数据中心机房平面及机柜布置示意图如图3所示。

根据简化的数据机房及设备尺寸，利用CFD软件建立机房三维模型，采用结构化六面体网格，网格单元共25.3万，流场求解采用RNG k-ε稳态的湍流模型。

表1 数据机房模拟参数表

图3 数据中心机房平面图及机柜示意图

3 模拟结果分析

3.1 机柜进排风温度与风量

利用CFD模拟结果，截取数据机房截面图以评价机房内热环境的情况。离地1 m处机房平面温度云图如图4所示。由图4可见，封闭前后冷通道温度均明显低于热通道温度，且绝大部分机柜进风温度保持在25℃左右，但在未封闭的情况下，两侧房间的热空气进入冷通道两侧并与冷空气发生掺混，导致两侧机柜进风温度升高，排风温度明显高于其他机柜。封闭冷通道后，机柜得到的冷量更加充足，降低机柜排风温度。此外，由于假设模拟处于理想状况，冷通道封闭后不存在任何缝隙，因此冷通道内的冷空气与机房空气没有掺混，导致机房温度分布均匀。

机房侧面气流分布矢量图如图5所示。由图5可见，未封闭时机房气流稍显凌乱，空调送出的冷空气仅有部分被服务器有效利用，而另一部分未经利用直接流入机房顶部，再与服务器热排风混合回到空调回风口。这不仅导致服务器不能吸入足够的冷空气，有过热的危险，还会造成空调回风温度偏低，降低制冷效率。冷通道封闭后，冷空气均能被有效利用，避免了旁送风现象。

冷通道封闭前后机柜进风量的特性比较如图6所示。由图6可见，冷通道封闭时机柜进风量远大于未封闭的进风量；在冷通道封闭情况下，封闭门和顶板阻断了冷空气直接流入机房的路径，冷空气完全被机柜所利用；在冷通道未封闭时，一部分供给机柜的冷空气从顶部直接流入机房，导致机柜进风量大大减少，而两侧机柜存在热空气回风，因此进风量稍高于中部机柜，这也是图4（a）服务器回风口的温度大于冷通道封闭的温度的原因。

图4 离地1m处机房平面温度云图

图5 机房侧面气流分布矢量图（x=6 m）

图6 冷通道封闭前后机柜进风量的特性比较

根据ASHRAE TC 9.9，设定进风温度高于32℃时服务器过热，温度28～32℃时服务器运行良好，低于28℃服务器状态为优。服务器过热模拟结果如图7所示。由图7可见，冷通道未封闭时的过热情况明显比封闭后的严重，且出现过热的服务器集中在两侧冷热气流掺混严重的机柜；冷通道封闭防止了冷热气流掺混，机柜进风温度均匀，服务器过热现象消失。

图7 服务器过热模拟结果

3.2 供热指数SHI与气流分布系数RTI

由于SHI与RHI表征的物理意义相同，本文仅对供热指数SHI进行分析评价。冷通道封闭前后SHI比较图如图8所示。由图8可见，在冷通道未封闭时空调冷空气与房间热空气在两侧机柜掺混，SHI接近0.25，部分冷量在服务器利用之前就被消耗，导致冷量利用效率偏低；冷通道中部没有热空气渗透，因此中部机柜SHI指数趋于0。当冷通道封闭时，各机柜SHI指数均趋于0，说明在理想状况下冷热空气没有发生掺混，冷量利用效率很高。

图8 冷通道封闭前后SHI比较

SHI只能表示冷空气被服务器利用之前冷量的损失，无法表示冷空气未被利用的情况，因此需要继续分析气流分布系数RTI。

冷通道封闭前后RTI比较图如图9所示。由图9可见，冷通道未封闭时，各机柜气流分布系数RTI均处于较低水平，中部机柜RTI最低，仅略高于0.5，说明在这种情况下大量冷空气并未被服务器利用，而直接进入房间与热空气混合或通过回风口排出，旁送风现象严重；冷通道封闭后，各机柜RTI均趋近于1，说明冷空气旁送风、热空气回风现象均未发生，冷通道封闭效果较好，冷量利用效率高。

图9 冷通道封闭前后RTI比较

综上，热环境指数分析的结果与云图观察到的模拟结果相一致，确保了模拟的准确性与有效性，同时也证明了冷通道封闭措施对提高机房冷却效率是有益的。

4 结 语

本文模拟了冷通道封闭前后的气流组织及冷量应用状况。模拟结果表明，冷通道封闭后提高了能源利用效率，避免冷空气旁送风和冷热气流掺混带来的冷量损失，确保服务器的低进风温度，使其得到良好的冷却，避免设备过热所带来的宕机等问题。

［1］ HAM SW，KIM M H，CHOI B N，et al. Simplified server model to simulate data center cooling energy consumption［J］.Energy and Buildings，2015（86）：328-339.

［2］ HASSAN N M S，KHAN M M K，RASUL M G. Tem perature monitoring and CFD analysis of data centre［J］.Procedia Engineering，2013（56）：551-559.

［3］ 陈杰.数据机房冷通道封闭技术应用及模拟分析［J］.暖通空调，2015（6）：43-46.

［4］ 沈恒.高热密度数据中心机房散热影响因素的研究［D］.上海：东华大学，2012.

［5］ ASHRAE Technical Comm itee（TC）9.9 M ission Critical Facilities，Technology Spaces，and Electronic Equipment.IT Equipment Thermal Management and Controls［G］.2012.

［6］ 高彩凤，于震，吴剑林.典型数据中心热环境分析及气流组织优化［J］.暖通空调，2013，43（9）：101-106.

［7］ 朱江，于震，吴剑林.典型数据中心能耗及热环境测试分析［J］.发电与空调，2012，33（6）：79-83.

Analysis of CFD Simulation and Thermal Performance for Cold Aisle Enclosure App lication in Data Center

LIU Yifeng1， YUE Chang2， ZHANG Quan2， YANG Xuede3， LIAO Shuguang4
（1.Hunan Post&Telecommunications Planning and Designing Institute Co.，Ltd.，Changsha 410126，China；2.Civil Engineering College of Hunan University，Changsha 410082，China；3.Hunan Yidezhengtong Mechanical and Electrical Equipment Co.，Ltd.，Changsha 410023，China；4.Changsha Maxxom High-tech Co.，Ltd.，Changsha 410200，China）

Based on a object of simplified data center，this paper simulated the thermal environment with and without the cold aisle enclosure by computational fluid dynamics（CFD）software.Two evaluation indexes of supply heating index（SHI）and return temperature index（RTI），are used to evaluate the loss ratio of the cooling capacity between supply-air inlets and servers，supply-air inlets and return-air outlets.The simulation results show that the RTI with and without the cold aisle enclosure is 1 and 0.50～0.85，respectively.The SHIwithout the cold aisle enclosure indicates the hot air mixing exists.The cold aisle enclosure can ensure the cold air into the cold aisle as much as possible，which improves the utilization efficiency of cooling capacity.

data center；cold aisle enclosure；com putational fluid dynam ics（CFD）；SHI；RTI

TU 832.1

A

1674-8417（2015）09-0001-05

2015 09 06

岳 畅（1991-），男，博士研究生，研究方向为数据中心气流组织CFD模拟。

张 泉（1970-），男，教授，博士生导师，研究方向为数据中心气流组织CFD模拟。

杨学德（1972-），男，从事数据中心方面的工作。

廖曙光（1973-），男，高级工程师，从事数据中心方面的工作。

国家国际合作项目（2015DFA61170）；湖南省重点项目（2013WK 2001）