地板送风数据机房空调系统气流组织的优化

张　恺　张小松　李舒宏

(东南大学能源与环境学院，南京　210096)



地板送风数据机房空调系统气流组织的优化

张恺张小松李舒宏

(东南大学能源与环境学院，南京210096)

摘要:针对地板送风数据机房内数据设备发热量大、占地面积小、集成度高等特点，提出一种通过改善机房及机柜内部气流组织与温度分布的方法．首先，利用CFD软件Airpak对地板送风机房空调系统进行数值建模，并利用盒形图对影响系统气流组织的因素进行优化分析，得出系统具有最优温度分布情况时的参数值．然后，通过实验对优化后的模型进行验证，并将封闭冷通道的方法应用到该优化后的系统中，进一步考察优化后系统的可扩展性．研究结果表明，该优化方法不仅能够改善冷通道开放的地板送风机房空调系统的温度分布及气流组织，并且优化系统在冷通道封闭后，系统的温度分布还会得到进一步的改善．

关键词:地板送风;空调系统;数据机房;气流组织

引用本文:张恺，张小松，李舒宏．地板送风数据机房空调系统气流组织的优化［J］．东南大学学报(自然科学版)，2016，45(00) : 62－69．DOI: 10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．011．

地板送风系统最初应用于产热量高、人员少的数据机房中，其负荷处理能力高达200～1 000 W/m2［1］．尽管如此，受到机房内部热源及人员分布不均等因素的影响，机房内还是容易出现局部过热等现象［2］．

通常改善机房内部热环境的方法是增加机房空调的供冷量，但这会造成能源的巨大浪费［3－6］．对此，刘成等［7］经研究发现，通过改善机房内部气流组织可有效改善机房内部局部过热等问题．Arghode等［8］通过CFD建模分析了地板送风机房空调系统房间及机柜的气流分布情况，并通过实验加以验证．Iyengar等［9］研究发现，采用k-ε紊流方程和简化模型使得地板送风机房空调系统房间温度分布的计算结果与实验结果产生较大偏差．Cruz等［10］通过7个紊流模型对地板送风机房空调系统的研究发现，当采用零方程和Spalart-Allamaras模型时，数值计算结果与实验结果最为接近．

本文在上述研究的基础上，提出一种通过改善机房及机柜内部气流组织的方法对该地板送风机房空调系统进行优化，用以解决机房及机柜内部温度分布不均等问题．

1　研究方案

1. 1系统设计

本文设计的地板送风机房空调系统如图1(a)所示．该地板送风机房空调系统房间总尺寸为10 m(长)×6 m(宽)×3. 45 m(高)，其中，地板静压箱的高度为0. 45 m．机房内分2排布置10个尺寸相等的机柜，其中，单个机柜的尺寸为1. 1 m(长) ×0. 6 m(宽)×2. 2 m(高)．如图1(b)所示，2排机柜前门相对，平行放置在房间中部，2排机柜之间的距离为1. 4 m，机柜的前后门均由开孔率为25%的多孔板构成．机柜内部则通过开孔率为70%的多孔板将其分隔成6层，并且在2～6层每层上配备一个0. 75 kW的热源，用来模拟数据设备．其中，将每个机柜最上层的热源作为备用热源，正常使用中仅2～5层的热源工作．同时，系统中每个机柜顶部配备3个排风扇，用以强化机柜内部换热．根据图1(c)所示，2排机柜前门之间的送风通道为冷通道，2排机柜各自的后门和与之相对的房间内墙之间的排风通道为热通道．该地板送风机房空调系统采用10个0. 6 m(长)×0. 6 m(宽)、开孔率为45%的格栅板作为送风末端，并安置在冷通道的架空地板上．另外，为了使送风更加均匀，在地板静压箱下距静压箱送风入口1. 2 m处设置有开孔率为40%的整流板．为保证房间内部不受外界温度变化的影响，房间的墙壁及顶棚均采用100 mm厚的聚氨酯发泡板，所有聚氨酯发泡板的内外表面均由彩钢板包裹．

该地板送风机房空调系统房间内的温度测点布置如图1(b)和(c)所示．为测量机柜内、外的温度，分别在机柜1和机柜10内部以及机柜3外部布置温度测点．温度测点的垂直高度分别为0. 27，0. 62，0. 97，1. 40，1. 67和2. 02 m(从架空地板表面算起)．同时，以机柜内部温度测点的水平位置作为机柜内部各层的水平中心位置，而机柜外部测点则与柜门的垂直中心线平行布置，且与柜门相距0. 15 m．同时，该地板送风机房空调系统的主要设计参数为:静压箱入口温度为17. 0℃;房间回风温度为35. 0℃;房间送风量为8 000 m3/h;机柜顶部单个排风扇的排风量为3. 7 m3/min．

图1　地板送风机房空调系统(单位: m)

1. 2数值建模

本文的数值建模通过Computational Fluid Dynamics (CFD)软件中的Airpak来完成．Airpak数值模拟软件提供了室内零方程模型、RNG k-ε模型及k-ε两方程模型等［11］．其中，室内零方程具有稳定性好、收敛速度快等优点，非常适用于预测室内气流组织分布［12］．为了简化计算，做如下假设:

1)室内空气遵循Bossinesq假设，为不可压缩流体;

2)室内气流为稳定湍流;

3)忽略黏性力产生的热耗散;

4)忽略房间的空气渗漏．

根据以上假设，给出如下控制方程［13］:

1)连续性方程

2)动量方程

式中，ρ为空气密度，kg /m3; ui为速度在xi方向的分量，m /s; xi为坐标轴方向，i =1，2，3时分别表示X，Y，Z轴方向; uj为速度在xj方向的分量，m /s; xj为坐标轴方向，j = 1，2，3时分别表示X，Y，Z轴方向; p为压力，Pa;μeff为有效黏度系数，m2/s;β为膨胀系数; Te为环境温度，K; T为空气温度，K; gi为i方向的重力加速度分量，m /s2;Γeff为有效湍流扩散系数，m2/s; s为房间热源发热量，W; cp为空气质量定压热容，J/(kg·K)．

式(2)中的有效黏度为湍流黏度和层流黏度之和，可表示为

3)能量方程

式中，Preff为有效普朗特数，取为0. 9．

1. 3优化方案

在保持地板送风机房空调系统的房间尺寸、房间负荷、送风量及机柜的相对位置不变的情况下，可能影响机房及机柜内部气流组织及温度分布的因素主要有机柜柜门的开孔率、机柜内部隔板的开孔率、机柜排风扇的数量及位置、送风格栅的数量．这4个因素对机房及机柜内部的气流组织及温度分布的影响并非独立存在，而是相互关联的．因此，针对以上4个影响因素，提出图2所示的优化方案．图中，“/1”表示优化前的结果，“/2”表示优化后的结果．

式中，μ为层流黏度系数，m2/s;μt为湍流黏度系数，m2/s．

为便于计算，Chen等［13］对μt的求解进行了简化，即

式中，V为局部平均速度，m /s; l为长度，m．

有效湍流扩散系数可表示为

图2　优化流程图

根据图2，整个优化过程可分为4个步骤:

①保持机柜顶部排风扇的位置及数量、机柜柜门的开孔率以及格栅板的数量不变，调整机柜内部隔板的开孔率．利用Airpak计算机柜内部隔板的开孔率由0%变化到90%时机柜内外的温度分布的变化，选取系统最优温度分布时所对应的机柜内部隔板的开孔率，以此作为下一步的输入值．

（2）致死剂量LPS组（LPS组）：按照Kayagaki等（Kayagaki,et al.Science.2013）［8］的方法，腹腔注射LPS每千克体质量54 mg（致死剂量LPS）。

②将第1步计算所得的机柜内部隔板开孔率作为设定值，同时保持机柜顶部排风扇的位置及数量、格栅板的数量不变，调整机柜柜门的开孔率．通过Airpak计算出机柜柜门的开孔率由5%变化到95%时机柜内外温度分布的变化，从而得到最佳的温度分布所对应的柜门与隔板的开孔率．将最佳开孔率与设定值进行比较，如果二者一致，则进行下一步优化过程．否则根据本次计算结果调整柜门开孔率的设定值，并返回①重新计算．

③保持第2步计算确定的柜门与隔板的开孔率，以及格栅板的数量不变，改变机柜排风扇的位置和数量，通过Airpak计算出最适合第2步所得的安装位置和数量．

④以第3步的计算结果作为输入值，通过Airpak计算出格栅板的最佳安装数量，并以此组合作为最终计算结果．

2　温度分布影响因素

2. 1机柜隔板开孔率

为了可以简单直观地反映出机柜内部及前后门处的温度分布，本文借助盒形图进行分析．盒形图是一种用于分析数据分布情况的统计图．在盒形图中，水平直线是该批数据的中位值，盒子的上边和下边分别是上四分位值和下四分位值，盒子外面的短横线为该批数据的最大值和最小值，盒子中间的小方框为该批数据的平均值［14］．通过盒形图可以直观地看出机柜内部及机柜前后门处的最高及最低温度，以及机柜内部和机柜前后门处的温度分布情况．

图3为隔板开孔率的变化对地板送风机房空调系统温度分布影响的盒形图．为了保证机房及机柜内部设备能够安全可靠地长期运行，一方面机房内部的温度应满足相关标准规定的要求;另一方面，则要在安装及加工工艺允许的前提下，尽可能保证机柜内部及机柜前后门处的温度分布相对均匀，避免局部过热．

从图3(a)和(b)可以看出，在其他条件不变的前提下，随着机柜内部隔板开孔率的增加，机柜内部的温度总体上呈下降的趋势，且机柜内部温度分布的均匀性也明显提高．因此，在条件允许的情况下，应尽量加大机柜内部隔板的开孔率．从图3 (c)可以看出，随着机柜内部隔板开孔率的增大，气流在机柜内部流动的阻力将逐渐减小，这会促使空调送风在较低的位置改变流向，从而使得大量温度较低的空调送风直接进入机柜．同时，由于大量空调送风直接进入机柜，机柜前门的垂直温差则会有所增加．这一现象在机柜内部隔板开孔率达到70%时最为明显．从图3(d)可以看出，当机柜内部隔板开孔率超过30%时，机柜隔板的开孔率对机柜后门的温度分布影响很小．因此，综合考虑图3的温度分布情况及多孔板的加工工艺，选取开孔率为70%的多孔板作为该机柜的内部隔板．

图3　隔板开孔率对温度分布的影响

2. 2柜门开孔率

保持机柜内部隔板开孔率为70%不变，调整机柜柜门的开孔率．图4为机柜柜门开孔率由5%增大到95%时机柜内外的温度分布变化情况．

由图4(a)～(c)可以看出，机柜柜门开孔率的变化对机柜内部及机柜前门的温度分布的影响要明显低于机柜内部隔板开孔率对其的影响，并且该影响主要集中在5%～35%开孔率的范围内．当机柜柜门开孔率超过35%时，柜门开孔率的变化对机柜内部及机柜前门的温度分布的影响开始逐渐减弱．相比而言，机柜柜门的开孔率对机柜后门的温度分布则具有较强的影响，当柜门开孔率超过25%时，机柜后门的温度分布情况将明显恶化(见图4(d) )．因此，当机柜内部隔板开孔率为70%时，综合考虑机柜内部温度分布及机柜前后门处的温度分布情况，取机柜柜门的开孔率为25%．

图4　机柜柜门孔率对温度分布的影响

2. 3机柜排风扇

机柜排风扇的位置和数量的变化对地板送风机房空调系统温度分布的影响如图5所示．图中，风扇编号“1”表示仅开启1号风扇，“1 /2”则表示同时开启1号和2号风扇，依此类推．

图5　机柜排风扇的数量和位置对温度分布的影响

由图5(a)和(b)可以看出，在保持机柜内部隔板和机柜柜门开孔率分别为70%和25%的情况下，机柜顶部风扇的数量及位置的变化对机柜内部的温度分布影响并不明显，相比而言，“1/2”和“1/ 2/3”两种设置方式要优于其他配置方式．

由图5(c)可以看出，1号风扇对机柜前门的温度影响较大，关闭1号风扇时，机柜前门处的最高温度相对较低．这主要是由于关闭1号风扇后，机柜内部的热气流主要通过机柜后部向上排出，从而使得前门处的温度有所降低．但是，机柜顶部风扇采取“1/2/3”的布置方式时(见图5(d) )，机柜后门处的温度值要低于采用“1/2”的布置方式．并且采取“1/2/3”的布置方式时，机柜后门处的温度分布情况也相对较好．由于机房设计应优先保证机柜内部的温度分布，因此，最终确定机柜顶部风扇采取“1/2/3”的布置方式．

2. 4送风末端

由图6(a)、(b)和(d)可以看出，在保持其他设定条件不变的情况下，随着送风末端数量的减少，机柜内部和机柜后门处的温度将明显升高，垂直温度分布情况也相对较差．但是送风末端数量的减少也导致送风面积随之减少，从而在系统送风量不变的前提下，送风速度及射流高度都会随着送风面积的减少而有所增加．因此，也就导致机柜前门处的温度及温度分布会随着送风末端数量的减少而有所改善(见图6(c) )．但出于优先保证机柜内部温度的考虑，系统设计时，在冷通道内还是应该尽量增加送风末端的数量．

图6　送风末端的数量对温度分布的影响

3　模型验证及应用

3. 1模型验证

为验证优化结果的准确性，首先搭建地板送风机房空调实验系统，如图7所示．

图7　实验系统布置图

该实验系统内部的温度通过精度等级为A级的K型热电偶进行测量，所有的热电偶都已连接到Agilent34970数据采集仪上，实验过程中，数据采集仪将自动记录测试数据并传入电脑．系统送风量则通过量程为40～4 300 m3/h、相对精度为±3%的风量罩进行测量．另外，每组实验之前系统需运行5～6 h，在系统达到稳定状态后，即系统的温度波动在±0. 1℃范围内时，开始记录数据．为保证数据的完整性和可靠性，系统记录时间为60 min，采样周期为10 s．最后，以记录周期内的平均值作为本次测试的最终结果．该地板送风机房空调实验系统的主要参数实测结果为:静压箱入口温度为(17. 0±0. 1)℃，房间回风温度为(35. 1±0. 1) ℃;房间送风量为(8 000±150) m3/h;机柜顶部单个排风扇的排风量为(220±6) m3/h．

优化后实验系统的实测温度与数值计算温度对比如图8所示．从图中可以看出，实测数据与数值计算的结果非常接近．因此，该模型可以较好地反映该地板送风机房实验系统的气流组织形式及温度分布情况．

3. 2优化系统的应用

封闭冷通道作为一种改善地板送风机房空调系统气流组织与温度分布的方法，已被广泛应用到地板送风机房空调系统中．但在实际应用中，封闭冷通道能否达到预期的改善效果，仍然需要综合考虑送风末端及机柜等各方面因素的影响［15］．为验证优化后的地板送风机房空调实验系统的可扩展性以及封闭冷通道方式是否可以进一步改善该优化系统的温度分布情况，本文将优化后的地板送风机房空调实验系统的冷通道封闭后与封闭前的温度分布情况进行了对比，结果如图9所示．

图8　优化系统实测温度与数值计算结果的对比

图9　冷通道封闭对优化系统温度分布的影响

如图9(a)和(b)所示，优化后的地板送风机房空调实验系统在封闭冷通道后，机柜内部的温度分布情况得到了进一步的改善．同时，机柜内部各测点的温度都有不同程度的降低，降低范围为1～8℃．

同时，由图9(c)可以看出，在系统的冷通道封闭后，机柜前门的垂直温度分布变得十分均匀，各温度测点的温度值也都有不同程度的降低，尤其是1. 67和2. 02 m处的温度降幅分别高达9和15℃．但是，冷通道封闭后将导致冷通道内的压力增大，较高的压力有助于冷空气进入机柜冷却热源，同时也会迫使机柜内部的热空气向机柜后部移动，这导致了机柜后门处温度的整体升高(见图9 (d) )．从总体上看，封闭冷通道对优化后的地板送风机房空调实验系统温度分布的改善十分明显，也说明该优化方法不仅对冷通道开放的系统有优化作用，同时优化后的系统在冷通道封闭后，系统的温度分布情况还会得到进一步的改善．

4　结论

1)提出一种通过改善机房及机柜内部气流组织与温度分布从而对地板送风机房空调系统进行优化的方法，并通过实验对优化后的模型进行验证．该方法可在不增加系统能耗的情况下有效改善地板送风机房空调系统的温度分布．

2)随着机柜内部隔板开孔率的增加，机柜内部的温度总体上呈下降趋势，且机柜内部温度分布的均匀性明显提高．而机柜柜门开孔率的变化对机柜内部温度分布的影响要明显低于机柜内部隔板开孔率的影响，并且该影响仅在开孔率较小时比较明显．同时，为优先保证机柜内部具有较好的温度分布，应尽量增加机柜顶部排风扇及冷通道内送风末端的数量．

3)采用封闭冷通道的方式对优化后的地板送风机房空调实验系统温度分布的改善效果十分明显．因此，该优化方法不仅能对冷通道开放的系统有优化作用，同时优化后的系统在冷通道封闭后，系统的温度分布情况还会得到进一步的改善．

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Optimization on airflow distribution in data room air-conditioning system with underfloor air distribution

Zhang Kai Zhang Xiaosong Li Shuhong
(School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Abstract:The method to optimize the airflow and temperature distribution in the data room is proposed due to the feature of high heat，small occupation area，and high integration in it．First，a model is established for data room air-conditioning system with underfloor air distribution (UFAD) by using the CFD software Airpak，and the box-plot is adopted to analyze the influence factors on the airflow distribution．Thus，the parameters for the optimization distribution of temperature are obtained．Then，the optimized model is validated with the experiments，and closing cold aisle is applied to the optimized system to investigate its expandability．The results show that the optimized method not only can be used to improve the distribution of temperature and airflow in the data room air-conditioning system with UFAD，but also can be integrated with the method of closing cold aisle making further improvement of temperature distribution．

Key words:underfloor air distribution; air-conditioning system; data room;airflow distribution

基金项目:“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2011BAJ03B05)．

收稿日期:2015-06-05．

作者简介:张恺(1981—)，男，博士生;张小松(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，rachpe@ seu．edu．cn．

DOI:10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．011

中图分类号:TU831

文献标志码:A

文章编号:1001－0505(2016) 01-0062-08