高校网络机房空调送风方式及节能方法研究

张　明

(东北石油大学 电子科学学院,黑龙江 大庆 163318)



高校网络机房空调送风方式及节能方法研究

张明

(东北石油大学 电子科学学院,黑龙江 大庆 163318)

随着通讯行业的快速发展，网络机房空调的高能耗愈来愈受到人们的关注。减小机房空调耗能，保证机房安全运行具有重要意义。通过对网络机房常用的上送风和下送风2种方式的利弊进行对比分析，利用软件模拟和现场试验的方法从节能的角度对2种方式加以验证，结果表明：在条件相同的情况下，下送风方式机柜的平均温度更低，更有利于节能环保。

网络中心;空调;送风方式;节能

随着高校信息技术的快速发展，各个高校的计算机房、网络机房、数据中心等越来越多，机房设备的功耗和发热量也随之升高。控制这些机房尤其是机柜内的温度、湿度、洁净度对设备的正常运转至关重要。调查结果显示：机房能耗组成成分中，设备能耗占53%，空调能耗占47%，即使是在北方的冬季，空调的能耗也要占到35%左右[1-2]。然而目前我国高校网络中心机房的空调设计、空调设备的选用还没有完全成熟，在日常运行中，由于送风方式的不合理导致空调能耗增加，进而增加了运营成本。因此为了提高空调制冷利用率，减少空调能耗，保证机房内的通讯设备能够安全稳定运行，机房空调必须选择合理的送风方式。

1　机房空调送风方式

通过对大量机房送风方式进行调研分析，结果发现根据通讯工艺设备电缆走线方式设置的不同，目前网络机房按照送风方式的不同分为上送风空调系统和下送风空调系统2种[3]。

1.1上送风方式

1.1.1送风原理

上送风方式是把低温空气通过风管送到通讯设备上部进入工作区，低温空气与工作区的发热设备进行热交换，将机房和机柜内的热量带走，被加热的冷空气再回到空调机组内，进行冷却降温处理，从而循环使用[4]。上送风气流方式如图1 所示。

图1　上送风气流方式

1.1.2优缺点

1)由于机房内无需铺设活动地板，空调机组的给水管、排水管均为明管布线，方便检查维修，同时卫生打扫更彻底，从而可以延长空调机组过滤网的使用时间，节约运营成本[5]。

2)上送风的空调送风方式是将冷空气由机柜的上部送入，与通讯设备释放的热空气交换后，从机柜的下部回到空调机组内。这种送风方式符合冷热空气自然流动特性，但往往使机柜最下部温度偏高，影响通讯设备的正常运行。对于面积较大的网络机房，为了提高空调冷风的利用率，空调送风系统需要增加风管，但由于机房上部还有通讯线缆、照明灯具等布置，为了保持机房内的美观，必须在机房上部铺设活动吊顶，要求具有一定强度，但这不利于维修管理[6]。

1.2下送风方式

1.2.1送风原理

下送风方式需要在机房空调机组底部安放一支架，并与活动地板保持相同高度。低温空气从空调机组底部进入到活动地板内，形成一个静压箱。这样活动地板需要开设风口，然后冷空气通过风口地板、机柜底部进入机房和通讯设备内，与发热设备进行热量交换，并带走热量，热空气通过机房上部空间回到空调机组内，再一次被冷却降温处理，并循环使用[7]。下送风气流方式如图2 所示。

图2　下送风气流方式

1.2.2优缺点

1)下送风方式是将低温空气直接从机柜底部送到通讯设备内，与发热设备进行热量交换后，通过机房顶部回到空调机组。低温空气流动方向与空气特性相反，需要靠压力推动来循环送风，但热交换均匀，机柜内温度梯度较小。下送风方式不需送风风管和送风口，这有利于设计施工，同时空调设备的摆放可以更加灵活，从整体看机房比较美观[8]。

2)下送风方式由于地板是架空的，下面容易沉积灰尘，较难清理，如果灰尘随风进入通讯设备，可能产生静电，进而导致设备故障；下送风方式的给水管、排水管都必须布置在活动地板内，如果出现跑、冒、滴、漏等问题时不能及时发现，存在安全隐患[9]。

2　试验测试

虽然以上2种送风方式各有优缺点，但是对于数据中心来说，随着机房面积和设备发热量的逐渐增大，空调的能耗比例也越来越大，甚至超过了设备本身的能耗。这种情况下，哪种方式更有利于迅速降低机柜内的温度，进而节省电能是我们不得不考虑的问题。下面利用fluent软件模拟和现场试验分别对以上2种情况加以验证。

试验选用东北石油大学网络中心使用的标准机柜，其几何尺寸为800 mm×600 mm×2 000 mm，整个机柜由1.5 mm厚的钢板制作而成，上下都有200 mm×200 mm的活动开口，可以根据设备的发热量来控制开口的大小，以满足送风的要求。机柜内共有5台4 kW的服务器设备。空调采用艾默生Liebert.PEX系列机房专用空调，制冷量范围为20～100 kW，额定风量为4 300 m3/h，设定送风温度为15 ℃，风速为2 m/s。通过测量不同情况下出风口的温度来反映机柜内的温度变化情况。

2.1软件模拟

在模拟仿真之前，首先采用Gambit软件，根据单机柜模型空间形状及内部设备布置的具体数值，生成模拟计算模型的几何结构进行建模。模拟热源是服务器，利用三维模型来模拟，其模型实质上是一个长方体。关键区域(冷却壁面附近、热源附近、进出风口附近)的网格变化率单独设定。机柜体模型的总网格数约为101 689。机柜模型网格如图3所示。

图3　机柜模型网格

模型建立好之后，开始利用Fluent软件进行仿真，残差曲线的变化如图4所示，当收敛70次时，残差曲线趋于平稳，即机柜内温度达到平衡时，停止仿真，应用此时的数据分析出风口的温度情况，上送风出风口温度见图5,下送风出风口温度见图6。

将2种送风方式的出口温度进行对比，由图5及图6可以清晰看到当入口温度为288 k(15 ℃)、进口风速u=2 m/s时，根据对照尺颜色比对，发现上送风出风口中心点温度大约为21 ℃(294 k)，下送风出风口中心点温度大约为19 ℃(292 k)。模拟试验结果表明：下送风方式比上送风方式机柜出风口温度低，制冷效果好。

图4　残值曲线分析

图5　上送风出风口温度

图6　下送风出风口温度

2.2现场试验

利用PT100热电偶和数据采集系统测量和记录进风口和出风口中心位置的温度，利用热线风速仪记录送风口的风速。热线风速仪选用Testo425型热线风速仪，其测量范围为0～20 m/s，系统精度为±(0.03 m/s+5%测量值)，仪器的量程和系统精度完全可以满足测试需求。50 min后机柜内各测量点的温度趋于稳定，上送风和下送风2种情况下机柜出风口温度对比结果见表1。现场试验结果表明：下送风方式机柜出风口温度低，冷却效果好，同Fluent软件模拟结果一致。

表1　上送风和下送风2种情况下机柜出风口温度对比

2.3节能方法研究

针对下送风方式，在保持环境温度和机柜设备发热量不变的情况下，通过分别改变送风温度、送风速度和进风口尺寸，测量出风口温度变化，研究各个参数对出风口温度的影响。下送风改变风速、风口尺寸时机柜出风口温度对比结果见表2。结果表明，单独通过降低送风温度可以降低出风口温度；单独增加送风速度，提供给机柜的冷风量增大，表面传热系数较大，单位时间内带走的热量大，发热设备容易被冷却，因此温度较低；单独加大进风口尺寸，进入机柜内部的冷风量增大，所提供的冷量增加，能够降低出风口的温度。但是，由于工业空调机组的能耗主要来源于压缩机制冷，而鼓风机电机的能耗相对较小，如果通过降低送风温度来降低出风口的温度，会增加能耗。调查研究表明：空调设定温度每降低1 ℃，空调能耗会增加10%～15%，所以可以通过适当增加送风速度和加大进风口尺寸同时提高送风温度的方法来降低出风口温度，进而能够降低能耗。

表2　下送风改变风速、风口尺寸时机柜出风口温度对比

3　结论

通过软件模拟和现场试验得出结论：在相同送风温度和风速的情况下，下送风方式使机柜内的平均温度更低。现场试验的出风口温度和模拟仿真的误差是由于机柜周围散热孔隙产生的，属于正常现象。同时，下送风方式可以使冷气直接进入机柜内部，能够直接冷却发热设备，冷却效果更好。另一方面，地板下送风上走线方式避免了上送风上走线走线槽道挡风的问题，提高了空调的运行效率。至于安全问题，因为地板下为空的静压箱，如果防静电地板采用阻燃产品，且通讯电缆采用上走线，可消除原来下走线下送风方式的安全隐患。同时，通过试验得出，在保持出风口温度不变的情况下，通过增加送风速度、增大进风口尺寸和适当升高送风温度的方法能够达到节约能耗的目的。因此，采用地板下送风上走线的机房建设方式，并且送风速度约为3 m/s，送风口尺寸在300 mm×300 mm时有利于节能减排。此外，由于受机房结构、面积、资金以及自然环境等条件的限制，在空调能耗影响不大的情况下，也可以采用上送风方式建设。

[1]陈文博.典型通讯机房空调精确送风方式研究[D].广州：广州大学，2012.

[2]蒋雅靖,刘刚.数据机房不同下送风方式的模拟分析及对比[J].建筑节能,2011(1):18-20.

[3]吕爱华,梅胜,杨晚生.数据通信机房空调通风系统的实验测试分析[J].建筑节能,2010,38(2):29-31.

[4]周航.电信机房空调送风方式的选择与设计[J].制冷与空调,2009,23(3):69-71.

[5]李晨,李琳琳.通信机房的节能改造实例研究[J].硅谷,2013(1):72-73.

[6]冯红梅,刘蓉,沈念俊.通信机房空调常用节能技术及分析[J].安徽建筑,2012,19(1):217-218.

[7]乔栋.数据中心机房节能减排技术研究与实践[J].电信工程技术与标准化,2011,24(6):47-52.

[8]李红霞.通信机房空调上送风与下送风方式的利弊分析[J].邮电设计技术,2004(4):60-62.

[9]王昭俊,李春莹.工位空调不同送风方式的模拟分析[J].哈尔滨商业大学学报(自然科学版),2007,23(6):720-723.

(责任编辑吴鸿霞)

Research on Air Supplying Mode and Energy Saving of Air Conditioning in University Network Computer Room

Zhang Ming

(College of Electronic Science,Northeast Petroleum University,Daqing Heilongjiang 163318)

With the rapid development of the communication industry,the high energy consumption of the air conditioning in the network computer center has been paid more and more attention.Reducing the energy consumption of the air conditioning and ensuring the safe operation of the network center are of great significance.The disadvantages and advantages of common upper and down supply-air modes of network computer center have been compared and analyzed,using the method of software simulation and field tests to verify the two ways from the point of view of energy saving.The results show that under the same conditions,the average temperature of the air-conditioning is lower with down air supplying mode,which is more helpful for energy conservation and environmental protection.

network center；air conditioning；air supplying mode；energy conservation

2016-03-24

黑龙江省教育厅科研资助项目(项目编号：12541055)。

张明,助理研究员，硕士。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.04.003

TH-39

A

2095-4565(2016)04-0007-04