数据中心自然冷却及其节能潜力分析

廖婉婷 赵福云 刘娣 王汉青

1水力机械过渡过程教育部重点实验室

2水射流理论与新技术湖北省重点实验室

3武汉大学动力与机械学院

4中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院

5南华大学土木工程学院

0 引言

数据中心已成为机构信息系统的物理载体和核心资源，已经成为信息化建设的热点和核心内容。在1990年，服务器机架功率普遍为能耗为1 kW左右，而如今同等占地面积的服务器机架已经达到了20 kW[1]。数据处理的大量需求促使数据中心增长到7500m2，产生的能量消耗达到数百万瓦[2]。

自然冷却是利用自然界低温冷源进行冷却的方案。它通过降低机械制冷的运行时间实现全年能耗降低[3]。国内外已经有许多对空气侧自然冷却的研究。刘杰[4]等以廊坊一处通信机房为例，对直接引入新风式节能系统使用和节能效果进行了比较。张谦[9]对直接式空气侧自然冷却节能系统，热管换热系统和板式换热系统的各方面性能进行对比。CaciolliR和Vio M[5]调查研究了室外空气自然冷源在温带气候区数据中心的应用，由于温带气候区的特殊气候特征，其适宜采用全空气室外冷源降温，具有很好的节能效果。

1 数值模拟方法验证

1.1 模型验证

本文选用了文献[6]中的数据中心测试室进行数值模拟的模型验证。该文中选用了IBM公司在纽约建立的一个数据中心机房作为案例研究，并对比了CFD数据模拟结果和实测数据。

整个实验室内有一台A/C机组，一台服务器机架以及8块开孔率为27%的地板砖。整个房间的实验室的尺寸为 15.24 m×5.94 m×3.05 m，机架尺寸为0.61 m×1.22 m×2 m，多孔地板砖尺寸为 0.61 m×0.61m，布置如图1所示，则其中蓝色区域为温度值采样区。

图1 实验室各设备布置图

1.2 模型验证结果

数据处理得到如图2所示的温度对比图。其中左侧的数据为温度采样区离地面该高度下的温度值，右侧为同样位置的CFD数值模拟温度结果。由图2可知，CFD模拟的结果在大部分区域和实测区域是比较符合的。在原文献中也进行了数值模拟，得到的全局均方根误差为4℃，而本文得到的全局均方根误差为2.86℃，有一定的改善。

图2 数值模拟与实测数据温度对比图

2 典型数据中心模型数值模拟

2.1 典型数据中心模型建立

本文用ICEM CFD软件构造了一个有14个机架的数据中心，每个机架又分为四层。

典型数据中心模型中，机架之间正面距离为1.22m，机架与墙面距离1.22m。整个数据中心尺寸为6.71m×5.49m×3m，14个机架分成两列，在地板送风方式中，机架中间地板上布置有多孔砖作为冷空气入口，CRAC机组未被考虑进模型。多孔地板砖尺寸考虑采用标准型尺寸0.61m×0.61m，多孔率为0.25。机架选用标准的19寸机架，机架整体尺寸为0.61 m×1.016m×2.0m。模拟分别设置了地板送风方式和顶部送风方式，两个模型保证送风量相同，送风示意图见图3及图4。

图3 数据中心地板送风方式

图4 数据中心天花板送风方式

2.2 工况设置

本文主要关注的是利用空气侧自然冷却时对外界冷空气的温度要求，来确定空气侧自然冷却方式的可使用时长。故采用保持其他条件相同的情况下，改变入口冷空气的温度来进行模拟计算。根据《数据中心设计规范》以及ASHRAE对数据中心的环境温度要求，数据中心的环境温度推荐值为18～27℃，允许值为15～32℃。采用空气侧自然冷却方式时要考虑防止结露的问题，实际中可利用露点测试仪进行测试，由文献[6]可知防结露最低送风温度一般为10℃。虽然在室外环境温度低于10℃时，可以采用加热等方法让冷空气高于露点温度，但是这样加热的耗能远高于空调直接制冷，不利于节能，还会使得系统过于复杂，降低系统的可靠性。因此10℃即为判断某地区某时能否用空气侧自然冷却的最低温度。

考虑到数据中心环境温度推荐值最高为27℃，工况设置如表1以探究不同温度的冷空气对典型数据中心气流组织以及制冷效果的影响。一般单一机柜热密度低于8 kW的视作低密度数据中心，单一机柜在8 kW至30 kW之间的定义为高热密度数据中心，而高于30 kW的视为超高热密度数据中心。故本文中选择设置机架的功率为7 kW代表低热密度数据中心，工况数据如表1所示。

表1 工况设置

2.3 网格独立解

为保证数值模拟计算的结果不受网格质量的影响，计算之前必须要有网格独立解来验证。理论上来说，计算模型的网格划分得越细，计算结果将最准确。在计算资源有限的情况下，再加上浮点数舍入造成的误差，计算工作往往要在准确度和计算能力上找到一个折中点，做出取舍。虽然不可能完全做到是网格对计算结果无影响，但一般来说，当研究对象在不同网格下计算的误差达到一定可接受范围内时，即认为达到网格无关了。

本文建立了不同密度的网格，并分别计算了热负荷为7 kW时，送风温度为13℃的工况，得到计算结果如图5。

图5 不同网格下的对称面最高温度

3 模拟结果及分析

3.1 气流组织分析

图6为地板送风模式下的温度场分布图，送风温度为16℃，流线颜色随温度变化，机架内的温度并不高的原因是，本文由于研究重点在室内的气流组织分布，简化了机架模型，仅设置体热源，并在机架出风口做了动量修正，故机架内部并未完全模拟热空气滞留受阻的状态，故仅机架外部室内流场有参考意义。图7为顶部送风模式下的流场分布图，送风温度同样为16℃。由于进风口风速约为地板送风入口风速的两倍，可以看到很明显大部分冷空气从机架的底部进入进风侧，同样由于机架内部的简化，使得空气在机架内部换热时出现了小部分回流，大部分机架后部流出，并经由顶部排风口排出。

图6 地板送风模式温度场分布图

图7 顶部送风模式温度场分布图

对比图6、图7可以看出，在相同的送风温度下，两种送风模式产生的散热效果有明显的区别。地板送风模式下，热量分布均匀，冷空气从多孔地板送出来后迅速与热源进行热量交换，两种模式的最高温度都在机架内部，室内的气流组织明显是地板送风模式下的平均温度高。

图8是在地板送风模式下，送风温度为16℃工况下的速度场分布图，在室内1.5m左右高的位置达到了风速最大值，约为17.3m/s。在多孔地板砖上方出现速度大幅度提高是符合对地板砖进行动量修正的结果的。不同于大开口的进风口，冷空气从多孔地板砖的小孔流入后形成很多的小射流，并在一定高度上汇合成统一的流体，地板孔之间的空隙造成的卷吸效应使得相同通风量和有效通风面积下穿过多孔地板砖的空气中心流速远大于通过全开口的流速。

图8 地板送风模式速度分布图

图9是在顶部送风模式下，送风温度为16℃工况下的速度场分布图，入口风速为4.13m/s，最大风速出现在出口附近。由于垂直风速较大，冷空气迅速到达机架底部，并由进风侧进入机架进行热交换，后由机架后侧流出。同样的，由于机架并不是空无一物的方腔，空气通过机架时形同通过一个多孔介质，其等效的孔隙率为35%，由机架后部流出的空气动量增大。整个室内的气流组织平均风速不高，引起通过机架的通风量远低于地板送风模式下的通风量，这也是造成整体冷却效果不佳的原因。

图9 顶部送风模式速度分布图

3.2 数据中心温度检测

用空气侧自然冷却方式对数据中心进行冷却，检验其冷却效果的方式自然是检测数据中心的环境温度。根据ASHRAE美国制冷空调协会给出的数据中心运行热环境指导和中国国家标准《电子信息系统机房设计规范》主机房的环境温度推荐值都是在18～27℃。而选用的代表机房环境温度的测试点也有相关规定：当IT设备未采用冷热通道分离方式布置时，机房温度应以送风区域的分量参数为准。当机柜或机架采用冷热通道分离方式布置时，机房环境温度应以冷通道的测量参数为准。

本文对各工况的制冷效果进行评估选用的检测点水平方向以0.6m为间距，得到的数据如上图。图10所示为检测点最高温度随送风温度的变化，图（a）、（b）分别为地板送风模式和顶部送风模式下的情况。由图（a）可知，当随着送风温度的增大，检测点的最高温度成比例上升，并在送风温度为22℃时超出环境推荐温度28（a），而由图（b）可知顶部送风模式下送风温度与最高温度并不成线性关系，当送风温度为17℃时，检测点温度超过了环境推荐温度。

图10 不同送风温度下检测点最高温度

故地板送风方式下能够使用风侧自然冷却方式节能的环境温度为10℃至22℃，顶部送风方式下能够使用风侧自然冷却方式节能的环境温度为10℃至17℃。很明显，相同通风量下地板送风模式的制冷效果要优于顶部送风效果，在利用自然冷源节能上更推荐用地板送风的方式。

4 省会城市利用空气侧自然冷却节能潜能

我国南北跨纬度广，冬季南北温差大。综合考虑全国各地温度范围，可利用冷源资源丰富，非常适合推广自然冷却方式，为节能保护环境提供基础。

由上一节得到的结果可知，基于典型低热流密度数据中心，地板送风模式下可以达到机房环境温度推荐值的最佳环境温度为10℃～22℃（以下简称最佳环境温度），而顶部送风模式下最佳环境温度为10℃～17℃。数据中心对湿度的要求为35%～75%，如果室外空气的湿度高于75%时需要除湿，低于35%时则需要加湿。文献[6]总结，在低温地区，采用自然冷源制冷时，如果将湿度低高室外新风进行加湿处理，将产生采用自然冷却而节约的冷量的25倍耗能。而将低湿度室外空气进行除湿，则能耗能所节约冷量的2到4倍。因此，将湿度不符合要求的冷空气作为冷源直接引入很影响节能效果的。

基于典型低热流密度数据中心，本文找出了各个省会全年8760 h内，可以达到最佳环境温度这一要求的时间，制成的时间频数柱状图如图11所示。

图11 地板送风模式下累计时长频数及比例图

图11所示为各城市地板送风模式下，最佳环境温度时长累积柱状图，以及时长占全年比例折线图。由图可知，昆明、兰州、拉萨、乌鲁木齐分列最佳环境温度时间域最长的前四名。其中，昆明的最佳环境温度时间域有2481 h，占全年时长的28%。绝大部分地区在地板送风模式下最佳环境温度时长都在1000 h以上，而占比在0.2以上的有4个城市。在实际应用中，虽然拉萨的环境条件很适合自然冷却，但考虑到其海拔高度而造成的空气稀薄，使得空气换热能力差，需要很大程度提高通风量，影响节能效果。

图12 顶部送风模式时长频数及比例图

图12所示为各城市顶部送风模式下，最佳环境温度时长累积柱状图，以及时长占全年比例折线图。和图11相比，城市的排列顺序是一样的，很明显，在顶部送风模式下，时长变化并未随着城市排列顺序单调增长。兰州这个城市在地板送风模式下最佳环境温度时长远大于顶部送风模式下的，也就是说，在该城市环境状态下，更适合使用地板送风模式来达到节能的效果，同样的情况也发生在乌鲁木齐。两图对比也可以看出，无论是哪种送风模式，海口、长沙、合肥等这些城市都是非常不适合利用自然冷源节能制冷的。

5 结论

1）在相同的送风温度下，两种送风模式产生的散热效果有明显的区别。地板送风方式下，卷吸效应使得相同通风量和有效通风面积下穿过多孔地板砖的空气中心流速远大于通过全开口的流速，冷空气从多孔地板送出来后迅速与热源进行热量交换，热量分布均匀。而顶部送风方式下，冷空气垂直向下送入机架进风侧，由于垂直风速较大，冷空气迅速到达机架底部，并由进风侧进入机架进行热交换，后由机架后侧流出，换热效果不佳。最终模拟结果显示，顶部送风方式下环境温度要求为10℃～17℃，地板送风方式下环境温度要求为10～22℃。

2）省会城市中，地板送风方式下，昆明、兰州、拉萨、乌鲁木齐分列最佳环境温度时间域最长的前四名。其中，昆明的最佳环境温度时间域有2481 h，占全年时长的28%。绝大部分地区在地板送风模式下最佳环境温度时长都在1000 h以上，而占比在0.2以上的有4个城市。兰州这个城市在地板送风模式下最佳环境温度时长远大于顶部送风模式下的，也就是说，在该城市环境状态下，更适合使用地板送风模式来达到节能的效果，同样的情况也发生在乌鲁木齐。两图对比也可以看出，无论是哪种送风模式，海口、长沙、合肥等这些城市都是非常不适合利用自然冷源节能制冷的。昆明的最佳环境温度时长和其两种送风模式的时长差值都是最大的，也就是说全年逐时温度在两个温度上限之间的值占比很大，在当地使用顶部送风方式来实行自然冷却的数据中心，将送风方式改为地板送风，将会很大的改善数据中心的节能效果。而像西宁这样的城市，尽管时长也有差值，但是想通过改变送风方式来提高节能效果结果不会这么明显。

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[2] ASHRAD.ASHRAEF undamental Handbook[M].Atlanta:ASHRAE,2001.

[3] Paw lish M,Varde A S.Free cooling:A paradigm shift in data centers[C]//International Conferenceon Information and Automation for Sustainability.IEEE,2010:347-352.

[4] 刘杰,王景刚,康利改.通信机房应用自然冷源降温方式的比较与选用[J].制冷与空调(四川),2008,(5):61-66

[5] Caciolli R, Vio M. Air conditioning systems for information and communication technology[C]//24th annual International Telecommunications Energy Conference. Québec, Canada: 2002.

[6] Iyengar M, Schmidt R R, Hamann H, et al. Comparison between numerical and experimental temperature distributions in a small data center test cell[C]//ASME 2007 InterPACK Conference Collocated with the ASME/JSME 2007 Thermal Engineering Heat Transfer Summer Conference. American Society of Mechanical Engineers, 2007: 819-826.

[7] ASHRAE. ASHRAE Thermal Guidelines for Data Processing Environments[S]. Atlanta: ASHRAE, 2011.