数据中心地板送风方式对制冷系统运行的影响及优化

王 涛，杨 坤 ，张玉燕 ，郑竺凌 ，黄 璜 ，李冀伟 (.交通银行股份有限公司， 上海 000；.清华大学， 北京 0009；．上海建科建筑节能技术股份有限公司， 上海 000）

随着科技的发展，数据中心作为实现人工智能、互联网+、大数据等现代科学技术的基础，其发展已成为核心需求。数据中心拥有大量的计算机、服务器、网络及存储等重要硬件设备，且全年运行。长时间地运行使得机房局部过热会使得服务器设备故障率升高、可靠性下降，甚至造成设备宕机。制冷系统的有效运行可以减小机房局部过热，保障设备安全运行。因此提高制冷系统运行效率至关重要。

研究表明，影响制冷系统运行的因素有很多，而送风方式是值得关注的重要因素。经调查研究发现，在银行数据中心领域中，目前针对地板送风方式影响数据中心运行的细化分析不多，还需要结合实际情况进行深入分析和试验验证。

本文采用试验方式分析了地板送风对制冷系统运行的影响，并利用 CFD（ Computational Fluid Dynamics）数值模拟对研究结果进行了有效验证。

1 某数据中心概况

1.1 机房基础情况

机房面积约 456 m2，净层高约 3.20 m，共布置 122台机柜。该机房采用风冷形式为服务器降温，采用地板送风，同侧侧向回风。未设置冷热通道隔断，同时机柜也未加装盲板。

1.2 研究对象情况

以机房中 A、B 两列机柜为研究对象，每列各有 19 台机柜，且每台机柜的尺寸为 0.66 m × 1.00 m × 2.00 m。在机柜的前方约 20 cm 处，配置有孔板型地板送风口，送风口尺寸为 60 cm × 60 cm，有效送风面积占 20%，其位置如图 1 所示。

图 1 两列机柜空调送风口布置平面图

1.3 测试目标

采用风量罩测定每个地板出风口的风量，同时测量典型机柜 B 01 和 B 19 的散热风扇出风总风量。利用温湿度自计仪测定每个机柜在进出风面上的温度分布情况，主要测定了距地面 0.30 m、0.60 m、1.00 m、1.30 m 和 1.60 m 高度处的温度。

2 测试结果分析

2.1 风 量

两列机柜地板送风实测风量分布情况见图 2。由图 2 可知，A 列和 B 列的地板送风口均呈现出距离精密空调越近风量越大的特点。A 列机柜前的地板送风口提供的总风量为15 260 m3/h，其中风口风量最大达到 1 518 m3/h，最小为872 m3/h，风量的不均匀性达到 19.4%。B 列机柜前的地板风口总风量为 16 544 m3/h，风量的不均匀性约 14.7%。对于上述各风口风量的不均匀性可从精密空调下送风和地板静压的特点方面进行分析。当精密空调向地板下方送风时受沿程阻力和局部阻力的影响，在气流传输方向上全压逐渐下降，使得地板送风口离精密空调越近，其风量越大，从而导致各风口风量分布不均匀。

图 2 A、B 列机柜地板送风实测风量

此外，通过测量可知，B 01 和 B 19 机柜的散热风扇总出风量分别为 619 m3/h 和 774 m3/h。B 01 和 B 19 机柜前的地板送风口的风量分别为 1 469 m3/h 和 1 017 m3/h，因此 B 01 和 B 19 两机柜前的地板送风量可以满足这两个机柜散热风扇的风量需求。若以最大散热风量来计算该列机柜的总散热风量，同样可以得出地板送风口总风量（即空调送风总量）仍可以满足机柜散热风扇风量总量的需求这一结论。由此可知，机房地板送风量能够满足机柜散热风扇的需求。

2.2 温 度

图 3 反映了所有机柜进出风面上的温度分布情况。由图3 可以看出，所有机柜的进出风温度呈散点分布，各散点主要集聚在 I、II、III 3 个区域内，且在每个集聚区域中进出风温度呈线性关系。此现象主要由服务器功率不相同导致的。当服务器运行功率较高时，机柜进出风温度落在 I 范围中；服务器运行功率较低时落在 II 范围中；服务器待机或者没有服务器时，温度点则落在 III 范围中。同时发现，机柜进风温度几乎均在 16 °C 以上，出风口温度均在 20 °C 以上。通过测试可知地板平均送风温度约在 14.0 °C，由此可知，机柜进风温度与空调送风温度间相差很大。但两者间差值是送风气流组织设计的重要指标，减小该差值不仅可以增加空调送风的利用效率，同时在进风温度一定情况下，减小该差值还可提升制冷系统运行效率。因此，机柜进风面温度是影响空调系统运行的重要因素。

图 3 实测所有机柜进出风温度关系图

为了更加直观反映机柜进风面温度，本文采用红外温度测温仪对机柜不同高度的进风面温度进行了测量，详细情况见图 4。

由图 4 可知，机柜进风面温度呈上下高、中间低的特点，且机柜下部的温度普遍比其他区域温度高 2～3 K 以上，而机柜上部的温度则比中间区域高 1～2 K。

图 4 机柜进风面温度分布图

综上可知，数据中心地板送风使得机柜进风面温度存在垂直分布不均、与空调送风温度间差值较大等问题，从而导致空调送风利用率不高，影响制冷系统运行效率。

3 机房存在的问题分析

针对上文所述问题，可从地板送风口位置和有无盲板两方面进行分析。由于一些机柜前未有送风口，使得其获得的空调送风小于其散热风扇所需要的风量。又由于机柜自身未设置盲板，机房中也未设置冷热通道的隔断，从而导致很大一部分送风量来自热通道向冷通道的空气流动，即机柜上、下方空间。最终使得机柜进风面温度垂直分布不均，即上、下位置进风温度较高，而中部区域由于冷热掺混使其温度较上、下区域偏低。

对于配置有地板送风口的机柜而言，其送风量大于散热风扇所需的风量，故进风面上、下区域的温度偏高不是由送风量不足导致的。此时，机柜进风面下部区域的温度偏高可能是由于出风面一侧的空气受到地板送风口送风的卷吸作用，而通过机柜下部无盲板的区域流动导致的。但机柜进风面上部区域的温度偏高则是由于送风速度的衰减，使其未能阻挡热通道向冷通道的掺混而引起的。

为了进一步验证上述解释的合理性，本文利用 CFD 数值模拟了单个机柜周边的气流组织状况。同时，以 B 01 机柜为原型，采用大尺度模拟与小尺度模拟相结合的模拟方法，详细刻画了机柜附近的气流组织情况，模型如图 5 所示。

图 5 用 Airpark 软件建立的计算模型

表 1 反映了模拟结果与实测结果的对比。由表 1 可知，模拟结果与实测结果吻合较好，相对偏差均在 15% 以内，甚至大部分在 10% 以内。由此说明了 CFD 数值模型设置和求解过程的准确性。

表 1 CFD 数值模拟结果与实测结果的对比

图 6 展示了不同机柜下部区域的空气流动。由图 6 可知，受到射流的卷吸作用，下部区域的气流整体由出风面一侧流向进风面一侧，使得机柜进风面下部区域温度偏高。同理，机柜上部区域的空气流动情况也与此类似。

根据 CFD 数值模拟验证可知，对机柜进风面温度偏高、分布不均的原因推测是正确的。即进风面温度分布不均是由机柜未设置盲板及冷热通道隔断，使得机柜出风面一侧的热空气通过机柜上、下部的空置区域，被卷吸至机柜的进风面一侧而造成的。

图 6 不同机柜下部区域的空气流动

4 优化方式讨论

4.1 机柜的上、下空置区域增设盲板

图 7 展示了增设盲板前后，机柜周围垂直截面上的温度分布情况。从图 7 (a) 和 (b) 的对比中可以看出，增设盲板后，机柜的上、下部区域温度明显降低，进风面的温度也因此得到显著降低。

图 7 增设盲板对机柜周围温度分布的影响

4.2 斜向上送风形式

在增设盲板的基础上，图 8 展示了采用与孔板型送风口相同有效面积的条缝型地板风口，以斜向上与水平夹角 70°的相同风速送风时，机柜周围的空气流动与温度分布情况。从图中可以看出，采用倾斜送风的方式，使得机柜的进风面处于送风射流的区域内，提升了地板送风的利用率，并有效抑制了机柜上部区域的冷热掺混。

图 8 斜向上送风时机柜周围的空气流动和温度分布

图 9 从定量上反映了不同改进措施前后机柜进风面温度分布情况。观察图 9 发现，增设盲板可使机柜送风面温度比现状降低 2～3 K，尤其是下部区域受益更为明显。在此基础上，采用斜向上送风的形式，可使机柜送风面温度比现状降低 3～5 K，机柜的下部区域由于距离送风口更近且处于射流区域内，其温度已经十分接近空调送风温度 14.0 ℃。这对于在同样负荷下，提升空调送风温度、提高制冷系统运行效率有很大的帮助。

图 9 不同改进措施前后机柜进风面温度分布的区别

5 结 语

本文从机柜进风面温度分布角度分析了地板送风方式对空调系统运行的影响，并讨论了机房存在的问题，进而提出了优化措施。主要获得以下几点结论。

（1）地板送风方式使得机柜进风面温度分布不均，严重阻碍了制冷系统运行效率的提高。

（2）对于地板送风方式的数据中心机房，在机柜上、下空置区域增设盲板或采用斜向上送风形式可以有效降低机柜上、下部区域温度，缓解进风面垂直温度分布不均情况，从而提高地板送风率和制冷系统运行效率。