机房空调对数据中心热环境影响的模拟研究

傅珏忻 白雪莲* 金超强

重庆大学土木工程学院

数据中心空调系统节能技术的研究主要包括气流组织优化，空 调参数设定和自然冷源利用[1]。其中，气流组织是连接机房热环境和空调系统能耗的枢纽。由于机房内服务器功率分布不均匀，各空调独立运行，容 易导致气流分布不均匀，产 生热点[2]。群控使所有末端空调在安全可靠的前提下进行联合控制，在 协同一致的状态下运行，改 善机房气流组织，因 此值得更深入的研究[3]。另一方面，温 度是重要的空调参数，在空调回风控制中，不 合理的回风温度会造成风机能耗浪费，还 会影响机房气流组织和 IT 设备散热效果[4-5]。本文以重庆市某数据中心为研究对象，利用6SigmaRoom 软件模拟空调群控前后和不同回风温度下的机房热环境，分 析群控和回风温度对气流组织和能耗的影响。

1 机房现状及现存问题

1.1 机房概况

重庆市某数据中心的机房采用地板送风、吊 顶回风的气流组织形式，冷通道封闭。机房尺寸为22.8 m（长）× 1 7.4 m（宽）× 6 .9 m（高），架 空地板高1.1 m。机柜编号为 A～J 列，机 柜尺寸为 1.2 m（长）× 0 .6 m（宽）× 2.2 m（高），机 柜内所有服务器的实际功率为291.5 kW，占机房设计功率的41%，负载主要集中在A～D 列。空调间设有6 台机房精密空调，5 用1 备，额 定制冷量为150 kW，额 定风量为9000 l/s。机 房平面布局如图1 所示。

图1 机房平面布局

1.2 现场实测

对机房进行现场测试，将 其结果用于分析机房运行状况。通过测试空调送回风温度、地 板送风温度等参数，可 以判断气流组织是否合理、空 调运行是否正常、控 制模式是否合理。使用 HOBO 温湿度记录仪测试空调送风口温度，在 每台空调的地板下送风口中心布置一个测点，如图2 所示。空调回风温度从该数据中心环控系统中获取。用 Testo 风量罩对机房的开孔地板进行逐个风量测试，同时读取对应的温度数据，得到整个机房的地板送风量和地板送风温度。测试的仪器性能参数如表1 所示。

图2 空调送风口测点

表1 测试仪器性能参数

1.3 现存问题

1）空调运行参数不一致，机 房热环境不佳。该数据中心的空调均采用回风控制，设 定回风温度为25 ℃，空 调的实测结果如表 2 所示，不 同位置的空调实际送回风温度、送 风量有较大的差别，地 板送风温度在16.4～20.5 ℃波动，机 房内气流分布不均匀。经过分析，这 是因为虽然回风温度设定值一致，但 机房内服务器分布不均匀，形成 IT 负载高密度区和低密度区，且机房空调采用单台独立控制模式，各 空调处于不同负载下运行，导 致冷热气流存在一定的掺混，既 浪费冷量，又 不利于热环境的营造。

为了解决空调独立控制下无序竞争、能 耗浪费的问题，提 出末端空调群控的方法，采 用优化的控制手段对空调设备进行监控和管理，优化机房气流组织。该数据中心依据设备运行时长来轮班启停空调，因 此采取主从控制的群控策略，通 过模拟分析群控对机房热环境的改善作用。

2）空 调的回风温度设定值不合理。由 表2 还可知，空调平均送回风温差为6.7 ℃，低 于《数据中心设计规范》G B50174-2017 要求的8～15 ℃。又 因为实测得到的地板平均送风温度为18 ℃，在 规范的冷通道推荐温度范围内，如 表 3 所示，可 知回风温度低导致温差过小，空调送风量大，风 机能耗浪费。

为了节约风机能耗，需 要提高空调回风温度设定值。通过模拟确定不同回风温度对气流组织的影响，在保证良好热环境的前提下尽量提高空调回风温度。

表2 空调实测参数

表3 数据中心推荐环境参数

2 数值模拟及结果分析

2.1 模拟参数设定

使用 CFD 模拟软件 6SigmaRoom 建立的机房物理模型如图3。该机房实际情况下只有C、D 列机柜安装盲板，并 且负载集中在 A～D 列，其 他列以空机柜为主，服 务器上架率低。为了减小其他因素的干扰，在 机房的理想情况下研究群控和回风温度对热环境的影响，模 拟中机房的空机柜全部安装盲板，且 空机柜前对应的孔板关闭。根据《实用供热空调设计手册》，地 板漏风量取最小值10%。不同空调回风温度下对应的参数如表4 所示，群控模拟时空调回风的温度都设定为25 ℃。

图3 机房物理模型

表4 空调不同回风温度下的参数

2.2 空调群控热环境分析

机房空调采取主/从控制策略，即 靠近 IT 设备密集区的空调为主空调，其 余空调为从空调，通 过主空调控制器同时控制若干台从空调的冷量输出。机房空调为N+1 冗余，在 运行过程中，至 少有一台处于备用状态。为保证设备的安全运行，空 调轮换工作，各 空调摆放位置、送 回风位置不同，会 影响机房的气流场、温度场。因此，1#到6#空调在模拟时轮流关闭，作 为冗余空调。不同空调之间的主从关系如表5 所示。

表5 空调群控策略

图4 群控前后地板送风温度

图4 为 6# 空调关闭时，群控前后的地板送风温度。未群控时，地 板送风温度分布不均，远 离空调端的地板送风温度偏低。这是因为各空调独立运行，虽 然回风温度设定值一致，远 离 IT 设备密集区的空调冷量需求小，实 际送风温度偏低。又由于靠近 IT 设备密集区的空调送风距离有限，不 能送至远离空调端的地板，那么远离空调端的地板送风量需由远离 IT 设备密集区的空调来提供，从 而使得其送风温度偏低。群控后，各地板送风温度基本相同，均 为 18 ℃，这 说明由主空调决定从空调输出参数的群控策略可以有效地统一空调的运行参数，提 高地板送风温度的均匀性。

空调未群控和群控后机房在0.2 m，1.1 m 和2.0 m高度的温度分布如图5、图 6 所示。由图 5 可知，未 群控下，空 调备用情况对气流组织有一定的影响。不同位置的空调开启和关闭时，机 房的热环境有较大的差异。3#，4#和6#空调关闭，对 A、B 列机柜附近的热环境的影响较大。3# 空调关闭时最高环境温度为34.1 ℃，热 点主要出现在1.1 m 和2.0 m 处。最高环境温度在32.3 ℃～34.1 ℃范围内，差值为1.8 ℃。由图 6可知，群 控后，哪 台空调关闭对整体温度分布影响并不大，最 高环境温度在 29.3 ℃～30.6 ℃范围内，差 值只有1.3 ℃。因 此，群 控后空调的启停选择更多。机 房的温度差值由未群控的 14 ℃～34.1 ℃变为群控后的 18 ℃～30.6 ℃，最 低环境温度提高 4 ℃，最 高环境温度降低3.5 ℃，机 房整体的温度分布均匀性提高。

图5 空调未群控时机房0.2 m，1.1 m 和2.0 m 处温度分布图

图6 空调群控后机房0.2 m，1.1 m 和2.0 m 处温度分布图

利用气流组织评价指标 SHI 评价机房的气流组织。供热指数SHI 是评价冷送风和热回风混合程度的指标，标 准值为 0，S HI 值越小说明冷送风和热回风的混合程度越小，计 算见式（1）：

式中：Tini,j r、Touti,j r为第i行第j列机柜进出风平均温度，℃ ；TsupC为空调送风温度，℃ 。

表6 为群控前后的机房 SHI 值，6# 空调关闭时，SHI 值最大，说 明6#空调对机房整体气流组织的影响最大。各空调轮流关闭，未群控下的 SHI 平均值为0.036，群 控后的 SHI 平均值为 0.005，S HI 值大幅度减小。因此，群 控使空调冷送风与IT 设备热排风混合程度减小，机 房的气流组织得到优化，有 利于营造良好的机房热环境。

表6 群控前后机房SHI 值

2.3 空调不同回风温度下热环境分析

在采取主从控制的群控策略基础上，对 送风温度为 18 ℃时，回 风温度设定值为 25 ℃、26 ℃、27 ℃、28 ℃的四种工况进行了模拟，6#空调关闭则作为冗余空调。

通过图 7 的不同回风温度下机房温度分布图可知，回风温度设定为25 ℃，26 ℃，27 ℃和28 ℃时，机房的最高环境温度分别为 29.3 ℃，30.2 ℃，31.2 ℃，33.5 ℃。回风温度为28 ℃时，A、B 列机柜的近空调端开始出现明显的热点。从图7 还可知，无论回风温度设定为多少，对 于IT 设备密集的A～D 列热通道，靠 近空调区域的温度普遍要高于远离空调区域的温度。说明近空调端地板下的冷空气流速大，静 压小，冷 通道内的空气容易向下倒流，导致供给 IT 设备的风量不足，机 柜的出口温度升高。

图7 空调不同回风温度下机房0.2 m，1.1 m 和2.0 m 处温度分布图

为了更好地评估回风温度对热环境的影响，引 入回风温度指数 RTI 评价机架周围气流组织的良好程度。R TI 标准值为100%，小 于100%说明存在冷空气旁通的现象，大 于 100%说明存在热空气再循环的情况，RTI 值偏离100%越大说明问题越严重。旁 通和再循环的问题往往同时存在，因 此RTI 反映的是旁通和再循环的相对严重程度。计算见式（2）：

式中：TsupC、TretC为空调送回风温度，℃ ；Tinr、Toutr为机柜进出风温度，℃ 。

不同回风温度下的机房 SHI 和 RTI 值如表 7 所示。回风温度越高，S HI 值越大，回 风温度达到28 ℃时为0.079，超 过未群控下的初始值0.052。R TI 值先接近再远离100%，在 回风温度27 ℃时达到最佳值 98.8%。回风温度越高，空调送风量和风机需求越低。综合考虑机房热环境和风机能耗，回 风温度设定为 27 ℃较为合理，机房的最高环境温度从29.3 ℃提高到 31.2 ℃，根据风机需求计算出理想情况下可节约风机能耗39.5%。因此，适 当提高空调回风温度，能 在均匀的机房热环境下减小空调送风量，实 现节能。

表7 不同回风温度下机房SHI 和RTI 值

3 结论

针对重庆某实测数据中心各空调运行参数不一致，回 风温度设定值不合理的问题，提 出对机房空调进行群控，提 高空调回风温度设定值的措施，通 过模拟机房热环境得出以下结论：

1）针 对目前机房内服务器分布不均、上 架率不高的情况，对 空调采取主从控制的群控策略，由 主空调计算出冷量需求，其 余从空调与主空调的冷量需求相同。这种群控策略能有效地统一空调实际回风温度，使 机房的最高环境温度降低3.5 ℃，S HI 值从 0.036 下降到0.005，机 房气流组织和温度分布更加均匀，改 善机房热环境，提 高冷量利用率。

2）在 群控的基础上，参 考气流组织评价指标和机房环境温度，在 保证机房热环境良好的前提下尽可能提高空调回风温度设定值，可以节省风机能耗。该数据中心的空调推荐设定回风温度为27 ℃，空 调风机能耗节约39.5%。