数据机房冷热通道封闭方案对比分析

文_秦怡 广州城建开发设计院有限公司

1 物理模型与数值方法

1.1 模型建立

本文所研究的数据机房建筑面积约为630m2，横向跨距44m，纵向跨距14.3m，层高为6m。机房内共有9列列头柜，各通道宽度为1.2m，均采用冷热通道隔离，单机柜额定功率为4kW(以实际功率为准)。机房采用9台艾默生精密空调送风，额定风量为36000m3/h。送风方式为地板下送风，冷风经处理后送至架空地板下，整个架空地板作为一个送风静压腔，然后通过架空地板上设置的送风口将冷风送入各机柜内，冷风与机房机柜进行热交换后，回风通过隔墙回风风道回到空调机房进行循环冷却。

另外，在该机房设备属性不变的情况下，可将设备的主要散热面相对组成的热通道封闭。冷空气由空调中部送出，在地板平面流动，冷空气弥漫式分布在机柜的中部和下部，在机柜周围形成冷空气的“包围”。同时，服务器依靠本身的强制通风设备吸入冷空气进行换热，受热的空气由机柜上部排出。

两种方案的物理模型如图1所示。

1.2 控制方程

数据机房环境满足流动三大基本定律，且其流动处于湍流状态，应附加湍流输运方程，即湍动能k方程和湍流耗散率ε方程，故数据机房室内空气流动与换热的基本控制方程由质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、k方程以及ε方程一起构成。

1.3 模拟结果及分析

（1）平面温度云图对比（图2、图3）

图2、图3为距机柜底部0.5m高度的温度云图截面，可以很明显的看出，两种方案的冷池位置不同。冷通道封闭的地板出风区域为冷通道，温度基本为空调送风温度17℃；热通道封闭是（图3为隐藏回风天花的云图截图）空调冷风直接送到机房处的，所以机房整体呈现送风温度17℃。

在同样机房面积情况下，两种方案在该高度截面上平均温度分别为24.5℃、23.3℃。也就是极端情况冷却失效时，后者方案的“冷池”区域面积更大，且机房整体温度较低，可以为维护抢修争取更多时间。

（2）竖直温度云图对比

图3、图4为距机房右墙3m远竖直截面的温度云图。从图中可以看出，由于热通道封闭方案中机柜出风直接进入回风通道流入上方回风天花板，气流较为顺畅，故机柜处工作环境温度较低，其中冷通道方案中机柜工作区环境温度约为24.9℃，热通道放那种温度约为24.4℃。

同时，在冷通道封闭方案中，冷风依靠机柜自身散热设备将其排入通道外部，而热通道封闭方案中冷风是依靠机柜自身散热设备和天花板中排风设备共同作用才排出的，也就是后者方案在维护后期，热气有可能不是很快排出，所以需要增加排气风扇，这也给后期维护带来了很多的麻烦，风机是一直都在运行，不可能不会出现故障，那就需要更换排风风机，工作量也会增加。

（3）机房冷量利用对比

空调系统冷量利用系数η可在一定程度上表征机架热环境，又能反映空调冷量利用情况，可用于基于能量优化的角度来指导数据机房气流组织的合理优化和空调参数设置的综合评价。其计算公式为：

其中，tp、tn、to分别为回风温度、机柜工作区空气平均温度以及送风温度。调节前后，机房机柜工作区平均温度分别为24.9℃、24.4℃，根据表1计算得出，经过调节各个精密空调冷量系数均有所提升，升高范围在0.00～0.58。同时9台空调平均冷量利用系数从1.17上升至1.53，空调利用率提高，经济性也随之提高。

表1 两冷量利用系数对比

2 对比分析结论

在机房相同设施的情况下，封闭冷通道和封闭热通道的方案都可以达到气流遏制以及散热管理的效果。根据本文模拟结果以及以往工程经验具体对比分析如下：

2.1 机房热环境

在相同高度截面上冷通道封闭的机房平均温度一般高于热通道封闭的温度。同时由于热通道封闭方案中，机柜出风直接通过回风通道进入回风天花板，气流组织管理较好，机柜处工作环境也相对较低，相同情况下比冷通道封闭低0.5℃。

2.2 安全性

封闭冷通道后仅依靠冷通道内的冷池对服务器进行降温，冷量存储较小，安全性较差。而封闭热通道整个数据机房可作为一个“大冷池”，冷量存储更大，安全性较好。故封闭热通道更适用于机房面积较大，冷池面积大于设备封闭面积的情况。

2.3 可维护性

封闭冷通道方案中架空地板下维护难度大；且机房内风速较大，温度较高，运维环境舒适性较差；封闭热通道方案中无架空地板，运维较容易；机房风速较低，温度较低，运维环境舒适性较好，但是该方案又需要适当添加排风设备，在后期运维中也需要考虑到。

2.4 冷量利用率

由于热通道封闭将热回风集中收集在上方天花板中，各空调回风温度相对冷通道封闭方案较高，同时热通道封闭后机柜工作区环境温度相对偏低，实例计算得空调冷量利用率较冷通道封闭方案上升0.00～0.58。