数据中心列间空调气流组织分析与优化

邱玉英 ，邱琳祯

(1.福建船政交通职业学院，福建 福州 350007；2.福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建 福州 350108；3.福建省绿色建筑技术重点实验室，福建 福州 350108)

随着物联网的发展和5G技术的到来，数据机房的数量与日俱增，机房能耗高的问题也随之凸显，据统计空调设备在数据中心总耗能中占到了40.2%[1]，如何有效解决制冷节能问题成为了中心供配电系统重点解决的问题[2]。列间空调由于可靠性高、灵活性强的特点，目前在高热密度数据中心广泛使用。与传统的上送下回空调制冷方式相比，列间空调采用水平送风，送回风口距离缩短，减少沿程损耗，具有高效节能的特点[3-4]。

为了使设备达到高效率冷却、不产生局部过热现象，冷空气必须有组织地进入设备的内部进行热交换，因此合理的气流组织是节能的关键[5]。不少学者开展了相关研究，文献[6]利用了Fluent对某数据中心机房的具体情况进行模拟，提出建立冷热通道和改进冷热通道两种气流组织优化；文献[7]针对机房服务器散热量大的特点及传统封闭冷通道存在的问题，提出适合该机房的气流方案，通过模拟分析得出封闭热通道形式效果更佳；文献[8]通过CFD模拟软件6SigmaRoom对列间空调系统前送后回的气流组织形式以及室内热工环境进行模拟，根据模拟流线、速度分布、温度分布来检验室内是否存在局部热点问题；文献[9]以一个实测的典型数据中心为对象，针对机房气流混乱、冷热分布不均和局部热点问题提出3个气流组织优化措施，并进行模拟对比分析；文献[10]则提出，冷通道封闭技术可以优化机房气流组织，结果表明封闭后可以将空调送风温度由18℃提高至22℃，每年可节能约105kWh。

本课题以福州某数据中心服务机房为研究对象，结合列间空调的特点，利用PHOENICS软件对机房内的气流组织进行模拟计算，通过对比不同平面上的温度、风速计算结果，分析封闭冷通道前后机房内流场变化。RNG KE model是计算流体力学(CFD)中常用的经典数学模型，根据大量工程经验得知该模型较适合用于计算室内气流组织。本文采用的PHOENICS软件是一款常用于模拟风场的CFD软件，本次应用该软件模拟的结果都是以RNG KE model作为基础模型。

1 研究对象

选取福州某公司小型数据服务机房为研究对象，该机房面积65.6 m2，层高3 m，共22个机柜,配备4台列间空调，单台送风量为6 500 m3/h，制冷量为41.3 kW。机柜分两排布置，每排11个。列间空调放置于机柜之间，采用水平送风的送风方式向机柜间通道送风，前送后回，从而形成冷通道。由于机柜风扇和冷热压差的影响，气流向机柜与墙通道流入，形成热通道后汇入空调回风口。

2 模型建立

2.1 物理模型建立

将机房简化为11.7 m ×7.05 m×3.0 m的方形空间，机柜根据实际尺寸简化为605 mm(宽)×1 250 mm(深)× 2 150 mm(高)长方体，列间空调根据实际尺寸简化为600 mm(宽)×1 100 mm(深)×2 000 mm(高)长方体。机柜分两排布置，每排11个。列间空调共4台，分插在机柜中间。空调送风口向里，将冷空气送至两排机柜间通道，通道长7.855 m，两排机柜间隔1.2 m。简化后机房物理模型示意图如图1所示。

图1 机房布置示意图Fig.1 Layout scheme of the dara room

2.2 数学模型建立

机柜的热交换主要为对流换热，为了简化研究，忽略热辐射对温度场的影响。采用RNG KEmodel模型进行计算。RNG KE model是标准KE model的改造形式。机房气流的流动形式为湍流，湍流的瞬时值满足连续性方程。

为了简化计算，对流体做出假设如下：

(1)假设流动空气为不可压缩流体

(2)假定流体稳态定常流动

(3)流动空气为牛顿流体，并且忽略耗散项

因此，流体计算的主要方程可简化为：

连续性方程：

(1)

动量方程组：

(2)

能量守恒方程：

模型中κ代表湍流脉动动能，ε指的是湍流脉动动能耗散率。

湍动能κ方程：

(3)

动量方程：

(4)

2.3 边界条件设置

为了简化计算，将室外温度设定为35 ℃，维护结构传热系数为0.5 W/(m2·K)。机柜空调采用水平送风，送风口风速设定为2 m/s，送风温度为16.8 ℃。机房内主要发热源为数据机柜，单个数据机柜散热量为1.75 kW。

3 气流组织模拟与分析

列间空调是采用前送后回的方式进行送风，将冷风吹至冷通道内，由冷热通道间的压差及机柜内风扇迫使气流流经机柜内部至热通道，通过对流的方式带走机柜发热量。目前，绝大部分数据服务机房内都实现了冷、热通道隔离，但有部分机房内未对通道进行有效封闭。为了研究封闭通道对气流组织的影响，现对机房内两种布置方式进行对比分析：第一种布置方案中，两排列间空调面对面布置，空调采用水平送风方式，将冷风送至两列机柜间形成冷通道，通道敞开无封闭措施；第二种方案中，两排列间空调面对面布置，空调采用水平送风方式，冷风送至两列机柜间形成冷通道，冷通道上部及两端封闭。

利用PHOENICS软件对机房的两种布置方式进行气流组织模拟，着重分析离地面0.5、1.5 m及机柜顶面处的温度与风速。

3.1 温度场分析

从两个方案的温度场计算云图可见，冷通道未封闭前，离地0.5、1.5 m处，机房整体平均温度为26.3 ℃、26.1 ℃，房间西南角出现了局部温度过高的问题，部分区域温度高达29.5 ℃。东北角机柜与墙的通道中的部分区域平均温度仅为19.5 ℃左右，说明空调吹出的冷气没有充分带走机柜的发热量。对冷通道的上部和两端增加隔板进行封闭后，离地0.5 m及1.5 m处的温度场云图如图2、图3，可以发现，封闭后冷通道整体温度明显下降，其余通道温度上升，形成明显的“冷热隔离”。两处的机房整体平均温度为24.1 ℃、24.5 ℃，较封闭前略有降低，空调的制冷效果有所提升。并且封闭后温度整体呈规律性分布，未出现局部温度过高或过低的情况。图4是封闭后机柜顶面高度处的温度场云图，未封闭前该高度处平均温度约为25.5 ℃，封闭后约为26.2 ℃。由于冷通道顶部被封闭，冷气流必须绕过机柜才能流至外侧，与机柜表面进行了充分的换热。而敞开通道有部分冷气会直接越过机柜到外侧通道，使得该截面的平均温度低于封闭后，也说明敞开通道使得冷气换热不够充分。

图2 离地0.5 m处温度场云图Fig.2 Cloud map of temperature field at 0.5 m above the ground

图3 离地1.5 m处温度场云图Fig.3 Cloud map of temperature field at 1.5 m above the ground

图4 机柜顶面温度场云图Fig.4 Cloud map of temperature field on top of the cabinet

3.2 风场分析

从两个方案的气流速度矢量计算云图可以看出，封闭前气流整体流向紊乱，尤其在西南角出现了明显的涡旋流以及冷风短路的问题，导致该处热量集聚，形成局部热点。机柜顶面气流流速大，有涡旋流存在，流线混乱，不利于机柜的有效换热。封闭后离地0.5、1.5 m处及机柜顶面的风速场云图如图5-图7，气体流向明显规律化，从空调送风口吹出后经过机柜处，经过充分换热后回到空调回风口。整体没有出现明显的涡旋区，没有出现局部温度过高的现象。

图5 离地0.5 m处风速场云图Fig.5 Cloud map of wind speed field at 0.5 m above the ground

图6 离地1.5 m处风速场云图Fig.6 Cloud map of wind speed field at 1.5 m above the ground

图7 机柜顶面风速场云图Fig.7 Cloud map of temperature field on top of the cabinet

4 结论

本课题以数据服务机房为对象，对封闭冷通道前后的气流组织进行了计算分析，对比了3个不同高度处的温度场与风速场，发现：

1)通道封闭前房间内气流组织混乱，冷风与机柜换热不充分，热通道中冷热气流掺混，并出现局部热点。

2)冷通道封闭后机房内整体温度下降2 ℃左右，封闭后冷通道内整体温度下降，冷热通道温差明显，局部热点消失。

3)冷通道封闭后气流组织得到明显的优化，避免了气流短路，涡旋流消失，无效制冷减少。