数据中心用列间空调的优化布局方案研究

（上海邮电设计咨询研究院有限公司，上海 200082）

数据中心用列间空调的优化布局方案研究

原世杰

（上海邮电设计咨询研究院有限公司，上海 200082）

为研究列间空调在机柜列内的合理位置布局以提高冷量利用率，本文对某工程实例基于实地查勘数据采用专业的CFD模拟软件建立起仿真模型进行了数值模拟研究，分析当前建设方案的可优化之处，进而研究了两种调整方案并与原方案展开了横向对比。综合3种建设方案的结果得出优化方案以对相关类似建设工程提供有益参考。

列间空调；数据中心；数值模拟；建设方案

通信业务和互联网数据业务发展使得数据中心等通信基础设施建设呈现出快速发展的趋势[1]。模块化数据中心作为一种快速部署、深度定制的全新解决方案而备受关注。列间空调机组前侧送风、冷空气直接靠近热源、送风距离大大缩短，减少了气流沿程损失，冷量利用率较高[2]。基于其独特的布局方案、高效的送回风路径以及高度集成的优势目前被广泛应用于模块化数据机房中来充分实现对模块化数据机房的设备安全、高效冷却的控制目标。实际上，列间空调的工作情况将对模块化数据中心整体运行产生影响，其合理布局即是其中的重要方面[3，4]。

目前，列间空调在实际的工程建设实践中的配置布局及送回风路径控制存在不同建设方案。由于工程建设中，只能选择其中一种方案进行建设，通常采用之前已经有实例应用的、认为是可靠的建设方案进行。实际上，我们可以在保障安全可靠的前提下追求更优化的解决方案，包括设备厂商等机构曾提议的更加针对性和高效建设布局方案，但实际运行效果就无法知晓。与此同时，业主更关心的是如何通过优化来提高机房整体的运行效率、便于运维管理和降低能耗。但各个不同的配置方案的运行效果差异无法在短期内通过实践来检验。为充分研究列间空调不同布局方案的冷却效果本文拟于采用数值模拟——这一方便快捷、高效准确的手段进行预测和探讨。

基于此，本文对某采用常规列间空调布局方案的工程项目实例利用针对数据中心专业成熟的CFD模拟软件建立数值模型进行数值模拟研究，分析其存在的不足之处，针对模拟结果所显现出的问题重新建立可采用的改进建设方案布局并进行模拟研究，对改进方案与原常规列间空调建设方案进行对比，分析计算的数据结果，对改进方案进行评价和处理。

1 工程概况

本文以某运营商的某数据机房为研究对象。该机房位于二层，面积134.5 m2，设有4列共计40台机柜，单机柜发热量4 kW。经计算设备发热量约为180 kW。机房采用列间空调加封闭冷池的建设方案，考虑20%富余量计算空调系统的负荷180×1.2=216 kW，设置28 kW×8台列间空调，每列2台，共计8台，按使在各列机柜尽量均匀分布的原则布置。

2 原方案模拟研究与分析

2.1 模型建立及数值计算

该工程项目采用列间空调正对排列同时封闭冷池的建设方案。具体地，列间空调正对排列且均布于机柜列中。列间空调作为一种采用新型冷量输运方式的空调系统，具有送风路径短、冷气流利用效率高、回风温度较高等优势。实际应用过程中，受到机柜布局数量和位置、各机柜内设备发热量情况差异、空调机组可摆放位置等多方面限制，部分工程中气流运行情况会偏差很大而影响冷量的利用，宜采用专业模拟软件进行预测和探讨来指导工程实践，以实现合理空调位置布局来充分保证对模块化数据机房的设备安全高效冷却的控制目标。

根据工程实例建立数值计算模型，数据机房门气密性良好，无外窗，机房内气流流动属于大空间流动问题，因此选用针对高雷诺数的湍流计算模型标准k-ε模型，该模型广泛应用于暖通空调领域，尤其是在室内热环境的数值模拟中得到大量的应用。

控制方程及湍流方程条件作为后续数值模拟研究的理论基础支撑。后续将全部基于该控制方程进行数值模型建立与计算求解。

按照机房实际布局及空调系统设置情况建立三维物理模型如图1(a)， 按照此图将机房内机柜列从左至右分别记为E、H、L、O列，每列10台机柜（包含一台列头柜），各列机柜依次标记为E3、E4、E5……，列间空调分别记为ACU01、ACU02、ACU03……ACU08。具体标注情况如图1(b) 常规建设方案的示意图。对建立起的数值模型进行网格划分、网格检查和计算求解，经计算机的数值模拟软件机进行大规模迭代计算，经过1 103步收敛，计算终止结束。后续进行计算模型的后处理并选择重要所需的研究云图和气流流线图进行输出。

2.2 模拟结果与问题分析

2.2.1 各机柜平均出口温度及机房温度云图结果

图1 建模三维图及各方案建设布局示意图

温度云图可直观展现机房部分平面位置的机房环境温度控制结果。为充分涵盖显示机房内不同层面的温度分布结果，本研究取平行于地面2个平面位置：（1）机柜半高平面（稍低于运维人员感官直接感受的高度位置）；（2）机柜顶部平面（距机柜顶面向下0.2 m），主要是为评测机房回风气流层面的温度场。综合分析机柜中部、机柜顶部平面位置温度场可在一定程度上呈现机房水平方向的热环境。根据计算输出结果可以发现：临近列间空调两侧的机柜平均出风温度相对较高，冷量利用效果不够好，各列中间部位排热效果不够理想，而临近列间空调位置的机柜也位于中部。

2.2.2 气流流线分布分析

为进一步研究出现上述现象的原因，重新对整个机房的气流组织进行数值计算，分析研究输出的气流流线的模拟结果，从机房整体气流运动情况上来考量上述建设方案潜在的问题之处。气流流线图能基于气流实际走向路径对气流流向、气流混合和耗散运动进行可视化呈现机房内送回风运动状态、温度等方面内容。

图2 各方案数值模拟结果示意图

常规建设方案的气流流线结果图可见图2中A-2，首先观察机房内气流组织的整体情况：各列冷通道内的中部位置出现气流不规则掺混和自涡旋现象，易于导致冷气流在涡旋过程中消耗掉风机动压产生的动能而无法进入机柜冷却设备导致的冷量损失比较突出。这也从机房内整体的温度云图结果可以看出。各列机柜中部位置机柜背面的冷风出风等温波动面较小，对比可知冷气流在冷通道内已经显现衰减，进而容易出现冷短路导致散热不畅，这一结果需要引起注意。若存在大功耗机柜尤其需要注意尽量不要安装在机柜中部位置处，因为从模拟结果中我们也可以看出中部本身热量有堆积需要向四周扩散并且气流运动受限极易于出现自涡旋而白白损失冷量和动能最终导致比较大的内耗。

2.3 主要问题归纳

综合上述分析可知列间空调均匀分布在机柜列中的排列方式对气流冷量导向性并不明确，跟源于各列机柜气流运动传热路径不同，虽然列间空调能够在送风路径上缩短，但是在机柜列中的位置布局在一定的情况下可能会对散热路径及热风运动造成干扰。若列间空调的布局能引导更加高效的气流运动以更加低的冷量内损耗来对冷量利用产生较好的促进作用。因此我们研究列间空调的最佳布局方案来最大限度的发挥其冷量传输优势。

3 改进方案模拟研究与对比

3.1 改进方案说明

为解决和缓解上述易于出现的问题，同时参考工程实践及相关厂商机构提出的列间空调布局建设方案，即试图通过调整列间空调排列布局来调控气流组织运动运动路径，进而控制冷气流能够全部或者绝大部分直接进入机柜带走热量散热冷却而减少不必要冷量损耗和能量内耗。为检验其效果如何，本研究提出两个改进的建设方案并进行理论分析和数值模拟研究来验证其是否有效及效果如何。具体地，方案B：将列间空调ACU03调到原机柜H4位置，将列间空调ACU04调整到原机柜位置H13位置，在原列间空调位置布置机柜；另外两列机柜按此原则进行调整位置重新调整布放；方案C：将列间空调ACU01调到原机柜E2位置，将列间空调ACU02调整到原机柜位置E13位置，在原列间空调位置布置机柜；将列间空调ACU03调到原机柜H2位置，将列间空调ACU04调整到原机柜位置H13位置，在原列间空调位置布置机柜；另外2列机柜均按此原则进行调整位置重新调整布放。调整后的建设方案如图1(c)、(d)所示。

方案总结如下：方案A（原建设方案）：列间空调基本均布（正对）；方案B列间空调交错（斜对）；方案C列间空调接近列头分布（正对）。数值模型的建立结果如图1所示。对重新建立起的数值计算模型进行模拟研究和计算求解。

3.2 结果对比研究

3.2.1 气流流线分布结果

为从气流组织及气流运动路径追踪角度来研究各列间空调建设方案的温度控制结果，对比各研究方案的差异与优势。现对常规方案及改进方案的气流模拟结果进行横向对比。重点关注气流运动轨迹、是否出现自涡旋、是否出现气流无规则掺混和涣散、气流径直溢出等不利于充分利用冷量的因素。

自涡旋是气流组织的一大禁忌，尤其是对于机房内气流运动这类大空间空气流动以及机柜冷却需求较高的建筑物，无法将冷量充分利用而造成极大的内耗是一种严重的损失。有效避免和减少冷量和风量的损耗，而最终大幅度提高制冷系统的效率，也是机房环境温度控制的重要方向。

方案B将列间空调调整为斜对排列，减弱了出风气流的对冲运动，导致气流路径不规则运动结果，比较突出的问题是在两组冷通道内出现了不少于4处的气流涡旋现象，这部分气流自循环没有进入机柜内冷却设备造成极大的内耗。方案C气流流线清晰，气流运动规律规则，进入机柜内气流流量均匀分布，出风流线颜色。综合对比上述3个建设方案，方案C能较好的充分利用气流运动。方案C比较接近理想状态，预计保障设备高效稳定运行的效果较好。

3.2.2 机柜出风温度及机房温度云图结果

作为机房整体温度控制结果的重要体现，现在对机房温度云图进行对比分析发现其中存在的问题。温度云图对比结果详见图2中左列云图，该图呈现了各列机柜出风温度结果情况。分析研究可以发现图2中C-1各列机柜出风测沿机柜列方向出风等温面呈现出接近正态分布的出风弧面，尤其对能够较好的满足各列机柜中部的散热需求保障该位置安全高效运行。并且前述已经分析到，相对于方案B方案C气流组织更加均匀，充分利用气流运动进入机柜内冷却设备，更加直接高效的冷却设备，但是前述分析气流组织情况还不够理想，有待于优化。

4 结束语

模块化数据中心建设方案正在受到运营商等建设单位越来越广泛的关注和重视。列间空调作为机房温控的基础设施其重要性也是不言而喻的。因此本文以列间空调在机柜列的排列布局为切入点研究其最佳的建设布局方案来充分发挥列间空调的优势和作用。通过数值模拟这一高效、准确的研究手段我们可以得出初步结论：对于列间空调结合封闭冷池这类基本建设方案，不同列间空调排列位置会对机柜出风温度控制结果、机房能热环境情况及气流运动气流组织产生一定的影响，模拟研究的结果呈现出采用方案C的机房气流流线清晰，气流运动规律规则，进入机柜内气流流量均匀分布，更有利于冷量充分利用；机房热环境均匀，是较高效的建设方案。本文研究结果可对相关工程实践及类似工程项目建设提供有益参考。

[1] 谷立静，周伏秋，孟辉. 我国数据中心能耗及能效水平研究[J].中国能源, 2010,32(11):42-45+29.

[2] 郭亮. 浅析微模块数据中心的关键技术[J]. 信息通信技术, 2013(2):33-37.

[3] 胡燕. 关于模块化数据中心发展的思考[J]. 电信科学, 2014 (5):156-159.

[4] 孙海玉, 刘东琦. 基于行间空调无架空地板冷箱的机房部署实践[J]. 电信技术, 2016(4):85-88.

Optimized program study of in-row air conditioning used in data center

YUAN Shi-jie(Shanghai Posts&Telecommunications Designing Consulting Institute Co., Ltd., Shanghai 200082, China)

To make sure the most reasonable position within the column between the air conditioning in the cabinet layout in order to improve the cooling effect and capacity utilization, this paper use a professional CFD simulation software to establish simulation model for the numerical simulation research based on field survey data of a real project example, analyzing the optimized program built on the current construction project, and two adjustment plans were studied and compared with the original plan for lateral comparison. Comprehensive results from above three construction scheme we can provide useful reference for similar construction project .

in-row air conditioning; data center; numerical simulation; construction scheme

TN915

A

1008-5599（2017）05-0082-05

2017-03-17