数据中心热环境数值模拟影响因素分析

李婷婷,黄 翔,杨立然

(西安工程大学 城市规划与市政工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

数据中心是为集中放置的电子信息设备提供运行环境的建筑空间,具有发热量大，热环境要求严格，空调能耗高等特点,是一类特殊的空调环境[1-3].数据中心的热环境对设备的安全运行和空调系统的能耗至关重要．良好的气流组织需要前期的设计和规划,GB50174—2017《数据中心设计规范》[4]明确给出了设计要求.目前,已有学者对数据中心不同形式的气流组织进行了分析和评价,以此寻找设计和优化数据中心气流组织的有效方案[5].但是由于数据中心这类建筑的特殊性,许多学者只能借助传统的模拟软件对新建或改建的数据中心气流组织进行研究．例如,张恺等[6]利用CFD软件Airpak对地板送风机房空调系统进行数值模拟,并利用盒形图对影响系统气流组织的因素进行优化分析；范昕杰等[7]针对数据机房大风量高风速在冷通道内引起的气流不均现象,采用FLUENTv6.3模拟软件分析架空地板高度、送风孔板孔隙率、竖直挡板三者对冷通道内气流环境的影响．严瀚等[8]采用CFD仿真软件分析了3种不同的气流组织方案对空调系统温度场、气流场和能耗的影响．很多学者在建立地板送风系统的物理模型时,由于条件限制,模型中均忽略了高架地板漏风、地板下线缆和空调供回水管以及照明设备等对机房热环境的影响[9-10].本文以某一数据中心为模型,采用专用模拟软件,研究模拟数据中心气流组织时,对比分析考虑和忽略高架地板漏风、地板下线缆、空调供回水管以及照明设备时,机房气流组织的模拟结果,为今后研究数据中心气流组织数值模拟提供参考．

1 数值模拟

模拟机房的平面布局图如图1所示,该机房面积为115 m2,机柜布置4排,每排10个,单机柜发热量为3 kW,摆放方式为“面对面、背对背”,冷热通道分离,并采用架空地板下送风无组织上回风的气流组织形式,冷通道间距为1.2 m,热通道间距1.8 m．机房设有2台精密空调,单台制冷量为60 kW,地板下架高600 mm,机房铺设防静电地板．

图 1 数据中心平面布局示意图Fig.1 Schematic diagram of data center plane layout

采用英国Future Facilities公司开发的数据中心专用模拟软件6SigmaRoom进行数值模拟．该软件是为新机房设计或旧机房升级改造而特别设计的专业软件工具，可以完全模拟真实机房以及设备的配置，可以对机房的热流场进行预测,建立机房主要设备的精细化模型,具有极其强大的数值计算和数据输出模块[11].

考虑到机房的特点,门气密性良好，无外窗,机房内空气气流流动属于大空间流动,选用高雷诺数的湍流计算模型标准κ-ε模型．软件本身内置默认计算模型也是标准κ-ε模型[12-14].

保证其他条件一定(如,机房尺寸、热负荷、空调型号、制冷量、机柜负载等),分别建立忽略和考虑高架地板漏风、地板下线缆、空调供回水管以及照明设备时的物理模型,图2是忽略和考虑上述四因素时建立的机房物理模型三维图．

2 结果与分析

本文选取以下几个方面作为主要输出结果进行分析比较,探讨在数据中心气流组织数值模拟时,忽略和考虑高架地板漏风、地板下线缆、空调供回水管以及照明设备对机房热环境的影响．

2.1 机柜温度

图3～5给出了机柜在高度方向上的最大进口温度、通风口温度分布和机柜平均温度．从图中可以看出,忽略高架地板漏风、地板下线缆、空调供回水管以及照明设备时,机柜的最大进口空气温度在13.8 ℃～22.1 ℃之间,通风口空气温度在18.3 ℃～31.8 ℃．考虑高架地板漏风、地板下线缆、空调供回水管以及照明设备时,机柜的最大进口空气温度在13.9 ℃～26.8 ℃之间,基本满足GB50174—2017《数据中心设计规范》[14]对冷通道或机柜进风区域的温度要求.但是从机柜平均温度分布的图上可以看出,机柜的平均温度在18.3 ℃～36.8 ℃之间,部分机柜所处的温度已经高出机房对进风温度32 ℃的上限要求．

(a) 忽略四因素 (b) 考虑四因素图 2 数据中心物理模型三维图Fig.2 3D physical model of data center

(a) 忽略四因素 (b) 考虑四因素图 3 机柜在高度方向上的最大进口温度Fig.3 The maximum inlet temperature of cabinet in the height direction

图 4 忽略四因素时通风口温度 图 5 考虑四因素时机柜平均温度 Fig.4 Venting temperature distribution when ignoring the factors Fig.5 Cabinets average temperature distribution when considering the factors

2.2 气流量及局部热点

地板开孔处气流量的分布可以清楚地反映进入每个机柜的空气流量,发现局部热点,图6是地板开孔处气流量的分布图.从图6中可以看出,忽略上述因素时,地板开孔处的气流量分布较为均匀,只是在精密空调近端的第一个机柜比后面的机柜进风量少,但相差较小,而且第一个机柜以后的机柜进风量几乎很均匀．图7为热点机柜流线图.从图7中可以看出,考虑上述因素时,地板开孔处的气流分布不均匀,且从精密空调的近端到远端,进入机柜的气流量相差很大,尤其是精密空调近端的第一个机柜几乎是处于短路的状态,与空调远端的机柜相比,进入第一个机柜的流量还不足它的1/5,气流量分布很不均匀,这也是导致热点机柜的原因所在．

(a) 忽略四因素 (b) 考虑四因素图 6 地板开孔处气流量Fig.6 Airflow at the floor openings

(a) 忽略四因素 (b) 考虑四因素图 7 热点机柜流线图Fig.7 Streamlines of the hot cabinet

从图7还可以看出,由于静压作用,从精密空调出来的冷空气有向远端流动的趋势,因此进入空调近端机柜的空气流量较少.当考虑这些因素时,冷空气向空调远端流动的趋势更大,开孔地板的出风量差异更明显,导致进入各机柜的气流量分布较为不均．

2.3 空调流线

空调流线图可以清晰地反映机房内空气的流动情况和气流的流动趋势,帮助研究者找出机房温度场不均产生的原因.图8是空调流线图,从图8中可以看出,忽略高架地板漏风、地板下线缆、空调供回水管以及照明设备时,空调的气流走向相对较为清晰；当考虑这些因素时,空调的流线图明显出现混乱的情况,表明地板下线缆和空调供回水管的扰动作用对机房内的气流分布有很大的影响．

(a) 忽略四因素 (b) 考虑四因素图图 8 空调流线图Fig.8 Air conditioners streamline

2.4 机房环境温度云图

机房温度云图可以对机房的热环境以及气流组织进行直观的反映和说明,能够更加清晰地反映整个空调冷量利用情况及各个区域部位的温度情况．选取机房内不同高度处的温度分布,对比分析忽略和考虑高架地板漏风、地板下线缆、空调供回水管以及照明设备等因素时,机房内的热环境．

文中分别截取机柜底部房间温度分布(距地面0 m处)、机柜中部房间温度分布(距地面1 m处)和机柜顶部房间温度分布(距地面2 m处)，见图9～11．

(a) 忽略四因素 (b) 考虑四因素图 9 机柜底部房间温度分布Fig.9 Room temperature distribution at the bottom of the cabinet

(a) 忽略四因素 (b) 考虑四因素图 10 机柜中部房间温度分布Fig.10 Room temperature distribution at the center of the cabinet

(a) 忽略四因素 (b) 考虑四因素图 11 机柜顶部房间温度分布Fig.11 Room temperature distribution at the top of the cabinet

从机柜不同高度处机房温度云图可以看出,忽略上述因素对机房热环境的影响时,机房内的热环境较好,整个机房在各个层面上的温度较低且温度场更为均匀,气流组织趋于合理,机柜排风口的温度均在32℃以下．当考虑上述四个因素对机房热环境的影响时,整个机房在各个层面上的温度普遍增高,而且有些机柜排风口的温度甚至高达38.5℃,这在机柜的实际运行中存在很大的安全隐患．机柜出风温度过高一方面可能是冷量未充分利用导致气流短路,另一方面可能是由于高架地板漏风和地板下线缆发热以及地板下线缆、空调供回水管的扰流等作用使空气温度升高．

3 结论及建议

(1) 采用模拟软件对数据中心的气流组织进行模拟研究时,忽略高架地板漏风、地板下线缆、空调供回水管以及照明设备对机房热环境的影响,通常会出现机房热环境的模拟结果值低于实际测量值．

(2) 当模拟高标准数据中心的热环境时,若不能全面考虑高架地板漏风、地板下线缆、空调供回水管以及照明设备等影响机房热环境的因素,应尽量考虑高架地板漏风、地板下线缆、空调供回水管这三个因素,建立较为准确的机房模型,以便更好地模拟数据中心的真实情况,提供更加可靠的设计方案或改进措施．

(3) 模拟结果表明,无论是忽略还是考虑高架地板漏风、地板下线缆、空调供回水管以及照明设备等因素对机房气流组织的影响,机房内都存在热空气回流、冷空气短路和冷热气流掺混现象,致使机房内气流分布不均，机柜进风处温度升高,产生局部热点．因此建议在新建机房或改造机房时,尽量采用封闭通道方案,避免冷热气流掺混,提高冷量利用率,降低空调能耗,达到节能的目的．