某模块化数据中心机房热工环境的模拟研究

王汉青 蔡攸婵

1 中南林业科技大学

2 南华大学土木工程学院

3 建筑环境控制技术湖南省工程实验室

0 引言

随着国内数据中心市场的快速发展，模块化数据中心以其高可靠、高效节能和整体快速部署的优势受到了市场的青睐，模块化已成为中小型数据中心发展的主流趋势，在大型数据中心的高密度场景也已大量应用。然而，随着全球计算机容量的快速增长，近年来，我国数据中心机房的数量也在与日俱增，这直接导致了单机架容量也越来越大，进而整个模块化数据中心的功耗显著增大[1]。机柜所要求的散热能力也越来越高，相比传统的架空地板送风方式，列间空调在降温效率方面具有相当大的优势[2]。

本文通过比较两种列间空调的布局方式，分析其对室内热工环境和气流组织的影响，并以考虑房间温度标准研究了列间空调所能负担的最高单机架功耗。

1 机房介绍

本文以某模块化数据中心机房为研究对象，对机房进行房间级的气流组织和温度分布模拟及相应的优化分析。机房尺寸6.0 m×6.0 m×3.5 m（长×宽×高），面积为36 m2。单机柜功耗6 kW，机柜数量12 个，单边6 个，设备热密度为174 kW/m2，机房配置列间空调4台，空调机组的显冷量为21.7 kW，设计风量为11000 m3/h。

该模块化数据中心采用机柜面对面布置的方式，冷通道封闭，可减少机房内冷热气流的掺混，该数据机房的气流组织形式为：前送后回，水平送风。数据机房的数据中心设备布局平面图如图1 所示。

图1 数据中心设备布局平面图

2 模拟研究

2.1 物理模型

本文采用CFD 模拟软件Fluent 进行模拟，通过Autocad 软件建立三维数据中心模型，对机房的热工特性进行模拟分析。根据以下工程资料，建模如图2所示：

图2 数据中心设备布局建模三维视图

1）建模尺寸按照机房实际面积36 m2（6 m×6 m），机房高度为3.5 m，冷通道宽1.2 m，高2.4 m。

2）选用600 mm（宽）×1200 mm（深）×2000 mm（高）的46U 标准机柜，单机柜内放置服务器，服务器之间的间隙以及服务器与机柜之间的间隙添加盲板以防止热空气回流。

3）设定空调的出风温度20 ℃。

4）机房环境温度设置为24 ℃。

为了便于进行接下来的数值模拟，对以上物理模型作了如下假设[3]：

1）一般来说，机架内服务器的热流密度受其影响会随时间发生变化，模型将热流密度简化为恒定值。

2）机房内空气视为不可压缩的，流动为稳态湍流流动。

3）假设除服务器热源表面以外，其他表面均为绝热壁面，不考虑其任何形式的传热。

2.2 数学模型

针对本文所建立的三维物理传热模型，由于计算涉及流体流动和传热传质等问题，Fluent 中主要利用三大控制方程进行求解，即质量守恒方程，动量方程和能量守恒方程。

由于方程种类较多，为便于对各控制方程进行高效统一分析，采用一种程序对各类方程进行计算求解，可建立各种形式控制方程的通用方程，如果用φ 表示通用变量，式（1）则是上述各控制方程的通用形式及其组成部分：

式中：φ 为通用变量，可代表各控制方程式中的因变量，包括u、v、w、T、k、ε 等；Γ 为广义扩散系数；S 为广义源项。

2.3 边界条件

1）壁面边界条件：模型中所有壁面设置为无滑移条件，壁面热流按绝热处理。

2）进、出风口设定：进风口设置为“velocity inlet”边界条件，进风速度为4 m/s，进风温度为20 ℃。出风口设置为outflow 边界条件。

3）热源：根据资料中所提供的功耗数据，设置设备表面的平均热流密度为174 W/m2。

网格采用非结构化网格，并对进、出风口和机架内服务器进行细致的加密，速度和压力耦合采用SIMPLE 算法。

2.3 模拟结果与分析

本文采用了Fluent 软件对数据机房内气流组织情况和热工特性进行模拟，考察达到稳定状态后，室内流场和温度场的分布情况。

2.3.1 温度场分析

因主要考虑机组运行时对室内温度场的影响，故这里截取机房内工作人员一般生活高度1.6 m 的水平面来进行模拟结果分析，图3 为Z=1.6 m 处的水平面温度分布图，图4 为机房中心垂直面X=1.5 m 处的温度分布云图。

图3 Z=1.6 m 处的水平面温度分布图

图4 X=1.5 m 处的温度分布图

由温度云图可知，在环境温度为24 ℃时，模块化数据中心内列间空调不断进行水平侧送风，因冷通道封闭，稳态条件下，冷通道温度恒定，为20 ℃（送风温度），有效地避免了冷量损失的问题。冷风由冷通道进入服务器，再进入机房，温升为3 ℃，机柜背面出风温度大约在26 ℃左右，热空气主要集中在房间上部，在人员主要活动范围，机房平均温度为24.68 ℃,规范GB50174-2008《电子信息机房设计标准》[4]中对A/B 级机房的环境运行工况要求为23±1 ℃，故需对该模型的气流组织进一步优化。

将该工况下机房、服务器、机柜的最高温度和平均温度整理得表1。

表1 房间内典型温度值

2.3.2 速度场分析

图5 是机房Z=1.6 m 处的水平截面流线图，由图可以得知，机房内气流流动具有对称性，与空调相邻的机柜排出的热空气相比两边机柜的热空气更容易被空调回风口吸入，再次进行冷却循环。然而，由此流线图也可以看到，此工况下房间和冷通道内都出现了自涡旋的情况，这是气流组织的一大禁忌，尤其是对于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[5]。故接下来，本文将调整数据中心的列间空调的布局，考虑其对房间和机柜热工特性及气流组织的影响，并将其与前者的模拟情况进行对比。

图5 Z=1.6 m 处的水平面流线图

2.3.3 主要问题归纳

综合上述分析可知房间温度波动不大，但是人员活动主要范围内的室平均温度稍高于规范中规定的温度，且每隔两台布置列间空调的方式对气流冷量导向性并不明确，这是由于各列机柜气流运动传热路径不同，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。因此，调整列间空调的布局，最大程度地发挥冷量运输优势，并考虑其布局方式对室内热工特性的影响十分必要。

3 改进方案的模拟研究与对比

3.1 模型改进说明

为缓解上述模拟中出现的问题，本研究在上述模型的基础上进行了相关调整。具体的进方案：将列间空调AC1 和机柜A2、AC2 和A5、AC3 和B2 及AC4和B5 分别进行位置交换，其他机柜位置保持不变。如图6 所示。

图6 改进后的设备布局平面图

3.2 改进方案模拟结果与对比

3.2.1 温度场分析

图7 为经过调整列间空调布局后Z=1.6 m 水平面上的温度分布图，由图可得知，将列间空调摆放在接近列头的位置会使得机柜周围温度分布更加均匀，波动较之前的布局方式要小，室内的温度也较之前的要更低。

图7 改进方案Z=1.6 m 的温度分布图

将两种列间空调布局方式的典型温度的模拟结果整理如表2，进行对比分析。由模拟结果得到在人员活动范围内，房间平均温度为23.43 ℃，较前一种布局方式下降了1～2 ℃，并在规范要求之内。同时，服务器的散热效果也得到了一定程度的提升，在服务器热量被有效带走的同时，室内温度没有上升，这说明排走的热量及时地被空调风扇吸入，室内热环境得到一定程度的优化，接下来对该布局下速度场进行分析，进一步证明室内热环境优化的主要原因。

表2 房间内典型温度对比

3.2.2 速度场分析

图8 为Z=1.6 m 水平截面的流线图，由图中可以明显看到，相比第一种方案，改进方案的气流组织更加均匀，充分利用了气流运动进入机柜冷却设备，自涡旋现象得到减少，这也是服务器温度得以降低，房间温度分布均匀的主要原因。

图8 改进方案Z=1.6 m 处的水平面流线图

3.3 能耗分析

通过改变模拟的边界条件，得出了本机房列间空调列头布置方式所能处理的最大的单机架功耗，图9为不同单机架功耗下的室内环境最高温度与室内环境平均温度。由图9 可知，在环境温度为24 ℃，列间空调送风温度为20 ℃的工况下，以28 ℃作为机房环境温度的上限，单机架功耗在12 kW 以下均能满足室内环境温度的要求，大约在13 kW 时，室内开始有局部温度大于28 ℃，但平均温度仍然满足要求，当功耗达到17 kW 时，室内平均温度大于28 ℃，该型号列间空调已完全不适用于该机房数据中心的制冷工作。

图9 不同单机架功耗下的室内环境温度

因随着时代的发展，数据处理容量要求越来越高，功耗也随之增大，而模块化数据中心造价昂贵，故在最初进行数据机房的设备安装之前应该对设备功耗进行预估，避免日后要重新更换设备，浪费人力物力。

4 结束语

模块化数据中心的应用在现阶段的数据信息时代越来越广泛，列间空调作为机房设备制冷的基础设施其重要性不言而喻，本文对两种列间空调布局方式在相同的工况下进行了模拟，对比了两者流线与温度分布情况，最终得出以下结论：

1）当列间空调在机柜间均匀布置时，气流组织较为紊乱，冷量未充分利用而造成极大的内耗，从而导致制冷系统的效率降低。

2）当列间空调采用列头布置的方式时，机柜背面出风口处的温度分布较为均匀，且服务器、机柜及房间温度都有所下降，自涡旋现象减少，制冷效率提高。

3）对采用列头布置方式的数据中心进行能耗分析，本研究采用的列间空调型号在处理单机柜功耗为13 kW 以下的设备时，室内温度满足规范要求，在功耗高于13 kW 时，温度不满足要求，应考虑更换设备。故在最初进行数据机房的设备安装之前应该对设备功耗进行预估，避免日后重新安装。