采用CFD仿真优化数据中心气流组织

杨超，黄赟，丁聪

(1 北京瑞思博创科技有限公司，北京 100036；2 中国移动通信集团上海有限公司，上海 200060；3 上海邮电设计咨询研究院有限公司，上海 200092)

1 引言

数据中心机房作为移动互联网业务蓬勃发展的基础设施，存放着大量的IT设备，机房内单位面积发热量大，传统的气流组织形式已经不能有效解决机房散热问题。同时空调制冷系统需要消耗大量的电能，据统计，平均每个通信机房中空调的电费支出约占总电费的45%左右。

空调系统的能耗成为运营商最关注的节能问题。如何保证机房IT设备的工作环境满足要求，最大程度节省电能，这对机房的热管理设计提出了严峻的挑战。目前数据中心均采用强迫风冷冷却IT设备，气流组织设计成为空调制冷系统节能的关键。国外针对气流组织做了大量的研究，CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）被广泛用来分析和优化机房和IT设备内部的气流组织和温度分布。

目前在数据中心机房设计中广泛采用由英国Future Facilities公司研发的数据中心气流组织仿真软件6SigmaDC。该软件含有丰富的模型库，可快速搭建数据中心机房，模拟、仿真、预测数据中心内的热环境，以动画、视频等多种方式显示温度场、气流场、压力场、湿度等。

本文采用6SigmaDC模拟了机柜摆放方向、高架地板高度、地板格栅布置、封闭通道等情况的热环境，仿真获得的速度场、温度场、流线图直观形象，方便评估改善措施对空调系统的影响，为机房的气流组织优化和布局设计以及节能改造提供指导。

2 机房气流组织CFD优化

2.1 机柜面对面摆放

目前数据中心机房相关标准都要求机柜摆放为面对面、背靠背，开孔地板布置在冷通道中，这样可减少空气混合，降低冷通道的温度，热风回流到精密空调，有较高的回风温度，制冷效率高。

这种摆放方式下实际气流组织如何，是否存在气流组织混乱，混乱的具体地方在哪儿，都不得而知。采用6SigmaDC软件进行CFD仿真，可用温度云图和气流流线图直观反应热环境。

从温度云图可知，机柜背靠背、面对面摆放，形成了十分明显的冷、热通道隔离，对于开孔地板所在的冷通道区域，没有热气流回流引起的明显的送风温度升高，在机柜两端和冷通道上方，还是存在一定区域的冷热气流混合。

2.2 优化高架地板配置

目前机房中常采用高架地板下送风的方式，因为高架地板下方充盈来自空调的冷空气，形成静压箱，然后冷空气根据压差流向地板格栅和其他开孔位置，从而为IT设备提供冷却所需空气。

根据《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008，活动地板的高度作为空调静压箱时，不宜小于400 mm。

2.2.1 优化地板格栅配置

以单机柜3kW热耗、面高500 mm活动地板、封闭冷通道配置的常规矩形机房为例，进行CFD模拟，在地板格栅开孔率为30%、40%、50%下分别仿真流量分布，发现距离空调越近，流出地板格栅的空气流量越小；距离空调越远，流出地板格栅的空气流量越大。当地板格栅开孔率越大时，阻力越小，相同静压差下流量越大，会导致地板格栅之间送风量严重的不均匀，50%的开孔面积的地板格栅尤为明显，距离空调最近的地板格栅出现了净流量为负值的情况。

地板格栅流量分配不均匀时，还会导致相邻机柜流量掠夺现象及机柜出风温度的差异。

利用地板格栅不同的开孔面积在不同位置的布局，来优化高架地板送风的流量，使其既能够让地板格栅风量一致，又能够减少送风阻力。静压高的地方，应采用开孔率小的地板格栅。

在CFD仿真中，将距离空调单元较近的地板格栅，采用高开孔面积的格栅，由近及远分别设置为70%、50%、40%，后面则逐渐降低开孔面积，直到25%。这样的布局在CFD仿真中，得到了较好的结果，地板格栅风量趋于一致，并且没有采用高阻力的地板格栅，降低了阻力，优化地板格栅开孔面积设置后的机柜平均出风温度明显降低。

2.2.2 高架地板的高度

根据规范，高架地板作为静压箱时，至少有400 mm高。原因是当高度较小的时候，静压箱内的气流速度更大，导致前后机柜对应的地板格栅静压差别更大，从而距离空调单元比较近的地板格栅出风量很小，甚至成为负值（负压把冷热通道的风带入地板格栅下面）。随着地板高度的增加，其静压箱内速度降低，则地板格栅的静压更趋于一致性。

在相同地板栅格情况下，高架地板越小，两端地板格栅的流量差异越大，其中0.4～0.6 m差异不太明显。实际工程中可根据机房高度及高架地板下方阻碍物情况，选择在0.4～0.6 m之间即可。

2.2.3 优化障碍物的位置

高架地板下面可能布置电缆布线或冷冻水管道，从而障碍气流流动。

当一个障碍物放置在前面的机柜下面时，本来较高流速的气流会变得速度更高，静压降低，可能导致负压严重，影响地板格栅的风量。当障碍物位于送风的后段时，其风速较低，静压较大，障碍物对于前后的地板格栅风量影响都较小。

因此，高架地板下方的障碍物尽可能布置在远离空调的地方。

2.2.4 优化空调与机柜的距离

高架地板下方，距离空调机柜越近，其风速越高，静压越小，则对应位置地板格栅风量越小。因此高热耗的机柜应该布置在风量相对比较充足的地方，而不是距离空调最近的位置。在实际工程中，在地板格栅送风口上宜安装调节阀，用来调节局部的静压和风量，根据CFD仿真结合机房的实际测试调整调节阀。通过CFD仿真得到地板格栅风量分布，如图1所示，距离1.2 m处的地板格栅与距离1.8 m处的地板格栅流量相差很大，因此建议空调单元和机柜最近的距离不少于三个地板砖（约1.8 m）。

2.3 隔离冷热气流

图1 空调单元距离机柜两个地板砖的地板格栅风量分布（30%开孔率）

如前文所述，采用简单的冷热通道布局可以缓解冷热气流混合的问题，但还是会存在一些气流混合的区域，影响制冷系统的效果。为了彻底消除冷热气流混合，必须将冷热通道进行物理封闭，有封闭冷通道或热通道。

对典型机房封闭冷通道进行CFD模拟，得到横剖面的温度截面云图，纵剖面的温度截面云图如图2所示。

图2 机柜方向温度截面图

从图2温度截面的云图可知，采用了冷通道封闭的结构以后，形成了十分明显的冷、热通道隔离，对于开孔地板所在的冷通道区域，没有热气流回流引起的送风温度升高，空调的制冷量得到了有效利用。

热通道或者冷通道封闭系统均可实现出色的效率，制冷系统可以被设置为较高的送回风温度，送风温度可以提高到20℃以上；同时，这种物理隔离很容易就将冷热气流混合短路的问题解决了，避免了制冷设备的过度规划以及制冷量的浪费。

2.4 缩短送风距离

通道封闭隔离解决了冷热气流混合、短路的问题，避免了局部热点的产生，提高了制冷系统效率。房间级空调系统距离机柜相对较远，风机需要消耗大量的能量。行级空调系统将制冷设备从机房内四周迁移到设备旁边紧靠热源，并配合封闭冷通道，因此避免了冷风远距离输送而造成的能源浪费及冷热气流混合，可以有效解决机房高密度散热问题，其优势如下。

（1）缩短空调送回风路径：将行级空调安装在机柜附近将会缩短送风和回风的路径。供回风过程中由于路径缩短导致风阻减少和保持压力的要求降低，可以大幅降低风机的功耗。

(2）减少冷风与热风混合：配合封闭冷通道，彻底消除冷热风混合。

(3）高显热比：行级空调具有很高的显热比。这是因为这种方案下送风温度提高，可以避免空调内的冷却盘管结露导致的被动除湿，从而将冷量更多地用于冷却IT 设备。制冷系统的显热比越高，系统就越节能。

对典型机房调整平面布局后进行CFD模拟，得到横剖面的温度截面云图如图3所示，纵剖面的温度截面云图如图4所示。

从图3的温度截面云图可以看出来，采用了行级空调和冷通道封闭的结构以后，形成了十分明显的冷、热通道隔离，没有热气流回流引起的送风温度升高，机柜的进风口温度和空调送风温度一致，空调的制冷量得到了有效利用。

图3 距离地面1.5 m处的温度截面云图

图4 气流流线图

从图4流线图可知，机房内部的气流得到了有效组织。在冷通道内，没有发生热气流的混入，并且冷气流以最短的输送距离直接送到了旁边的机柜进风口，不需要耗费大量的风机动力，从而可降低空调的能耗，同时热气流以最短的路径直接回到机柜旁边的行间空调回风口。

3 结束语

机柜的排列方式对机房气流组织的影响较大，采用机柜面对面、背靠背的排列方式，可使服务器的进风温度大幅下降，提高了空调能量利用。对于高架地板下送风，可调整地板格栅的开孔大小及位置，使流出的冷空气流量保持一致。对于冷热通道分区的方式，可通过封闭隔离冷或热通道，有效的避免气流短路，提高空调能量利用水平及制冷效率。采用行级冷却方案，可解决高密度机房散热问题，改善冷/热通道温度场的均匀性同时提高回风温度以及送风温度，提高了空调能量利用，缩短送回风距离，降低风机能耗。