数据中心机房封闭热通道模拟分析

田振武，王桂坤，陆晓宇

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

早期的数据中心机柜功耗不大，数据中心气流组织形式大多借鉴民用建筑中风管和风帽等送风形式。随着数据中心单机柜功率的不断提升以及人们对数据中心机房设备特性的深入理解，出现了越来越多个性化的机房送回风方式。目前，国内数据中心的项目中，单机柜功耗绝大多数还是在20 kW以下，采用空气冷却技术仍是主流冷却方式[1]。尽管目前出现了液冷、热管以及背板等新兴制冷技术，改变了数据中心气流组织形式，给数据中心节能降耗工作带来了新的方向，但是这些新技术所带来的设计难度、建设成本以及安装复杂度等问题也不小[2]。因此，综合考虑，现阶段采用房间级封闭冷热通道的气流组织形式仍是大多数机房建设过程的首选方案[3]。封闭冷通道与封闭热通道两种冷却方案各有优缺点，后者可提高制冷设备效率，而且机房运维环境较舒适，得到了诸多专家认可[4]。本文以天津某数据中心实际建设项目为例，对比房间级下送风、房间级风墙送风以及列间空调送风3种封闭热通道制冷方案的特点。

1 模型简介

天津某数据中心机房的面积约为500 m2，层高为5.5 m，主梁高度为0.8 m。其中共含172台机柜，单机柜功耗为8 kW，机房内共11列机柜，每列共16台机柜（其中立柱占用4台机柜），单机房发热量为1 376 kW。根据房间尺寸与机柜功率需求，设计使用弥漫式送风封闭热通道。冷通道间距为1.5 m，热通道间距为1.8 m，机房整体布局如图1所示。

图1 机房整体布局图

2 制冷方案

对比房间级下送风、房间级风墙送风以及列间空调送风3种气流组织形式。为了较为合理地反映3种制冷方案中气流组织因素对冷却机柜过程的影响，在模拟过程中，空调运行制冷量保持一致，均控制在1 500 kW。

2.1 房间级下送风

机房两端空调间内分别设置6台房间级精密空调，下送风上回风，每台空调显热制冷量为150 kW，额定风量为37 500 m3/h，空调送回风温度为23/35 ℃。每台空调下方架空1 m的高度，出风面与空调间隔墙送风孔洞平行，非出风面用盲板封堵，冷风从出风面经隔墙孔洞弥漫至机房内。热通道封闭至吊顶，热气流从热通道至吊顶上方，再通过吊顶风管至空调回风口。房间级下送风方式整体布局与模拟结果如图2所示。当机房空调采用冷备份时，空调在运行过程中控制两台精密空调关闭，其他10台空调满载运行。当机房空调采用热备份时，所有精密空调的开启程度均控制在83.4%。

图2 房间级下送风图

图2 （e）和图2（f）分别是机房精密空调在冷备份和热备份情况下机柜最大出风温度，最大出风温度均能满足设计要求的35 ℃之下，送风温度满足规范要求。两种冗余备份方案中靠近空调的机柜最大出风温度略微大于其他机柜，结合送风流可以看出靠近空调位置的送风动压较大，机柜吸入冷空气量较少。随着空调送风不断向机房内部扩散，进入机柜的风量较为均匀。图2（c）和图2（d）分别是机房精密空调在冷备份和热备份情况下空调使用冷量情况，冷备份时空调使用冷量在88.7%～93.3%，热备份时空调使用冷量在74%～78%，根据风机转速与功率的关系并将风量与制冷量视为线性关系，冷备份时所开启空调风机能耗是热备份的1.43倍[5]。

2.2 房间级风墙送风

机房两端空调间内分别设置6台房间级精密空调，正面送风背面回风，每台空调显热额定制冷量为150 kW，额定风量为37 500 m3/h，空调送回风温度为23/35 ℃。每台空调正面一侧均为送风口，与空调间隔墙送风孔洞贴合，冷风从出风面经隔墙孔洞弥漫送至机房内。热通道封闭至吊顶，热气流从热通道至吊顶上方，再通过吊顶风管至空调回风口。房间级风墙送风方式整体布局与模拟结果如图3所示。

图3 房间级风墙送风图

由于风墙送风过程中空调送风面积大，理论上要比一般房间级精密空调弥漫式送风效果好。但是在此项目的模拟过程中，靠近空调位置的一排机柜温度偏高，两个机柜最大出风温度为35.2 ℃，略微超过35 ℃的设计回风温度，送风温度满足规范要求。风墙空调使用量在73.3%～78%，精密空调风机能耗与房间级下送风热备份方案相当。

2.3 列间空调送风

机房两端空调间内分别设置55台列间精密空调，每台空调显热额定制冷量为35 kW，额定风量为8 750 m3/h，空调送回风温度为23/35 ℃。与房间级冷却方式相比，机柜数量与单机柜功率不变，在每列机柜中设置列间空调。每个机柜模块中，列间空调送风面开放，将冷风弥漫送至机房内，冷风经过列间空调附近机柜吸收其热量，热气流进入封闭热通道之后经列间空调回风面。列间空调采用热备份，所有精密空调的开启程度均控制在78%。列间空调送风方式整体布局与模拟结果如图4所示。

图4 列间空调送风图

列间空调送风方案采用空调热备份的方式，送风温度满足规范要求，机柜最大出风温度均在设计回风温度35 ℃之下，且回风相对比房间级空调送风均匀度较好。列间空调热备份下，空调使用冷量均在66.8%～73.7%，房间级空调热备份时空调风机能耗是列间空调热备份的1.05倍。

3 结 论

对于单机柜功率8 kW的机柜，封闭热通道房间级下送风、房间级风墙送风以及列间空调送风方式均能基本满足机房冷却设计要求。封闭热通道房间级弥漫式送风方式在机柜平面布置时，应重视机柜不能离空调出风口过近，否则将影响空调对机柜的冷却效果。房间级下送风冷备份方案空调风机能耗是热备份方案的1.43倍，房间级风墙送风方案空调风机能耗与房间级下送风热备份方案相当，房间级空调热备份时空调风机能耗是列间空调热备份的1.05倍。