数据中心机房气流组织优化分析

牛婷婷，盖东兴*，李振财

（1-武汉工程大学光电信息与能源工程学院、数理学院，湖北武汉 430205；2-北京云泰数通互联网科技有限公司，北京 101102）

0 引言

随着信息技术的磅礴发展和信息化进程的不断深入，数据中心的建设和发展也面临着新的机遇和挑战。伴随着全球每年产生的数据量的成倍增长，数据中心的规模在不断扩大，所需要的能耗也在不断上升[1-2]。数据中心能耗问题日益严峻[3]，如何降低数据中心能耗，尤其是冷却系统的能耗，实现数据中心的绿色发展，已成为业界关注和突破的焦点[4-5]。

数据中心的能耗主要由信息技术（Information Technology，IT）设备、配电系统和空调系统三部分构成[6]，其中除IT 设备外，空调系统的能耗占比最高[7]，约占数据中心总能耗的40%[8-9]。数据中心IT 设备运行时会产生大量的热能使机房温度升高，因此需要一直供冷，既要选择合适的空调系统，使机房能耗不至于过高[10]，又要保持适宜的室内温度使设备安全稳定运行[11]。而气流组织是影响热环境的主要因素[12]，合理的气流组织形式不仅可以最大效率的利用冷空气，避免冷热空气混合造成的能耗浪费，还可以避免机房内局部过热而影响设备的正常运行[13]。因此，优化机房的气流组织具有较大的节能潜力，并且能够有效消除局部热点[14]。

CFD 数值模拟被广泛应用于数据中心气流组织的模拟分析优化[14-18]，通过CFD 模拟软件对数据中心机房进行模拟，可以预测分析机房内的热环境和气流组织情况，根据模拟结果设计合理的优化方案，以提高空调系统冷量利用率，避免设计不合理而引起的局部热点等问题，对数据中心的节能减排有重要的意义。

1 机房模型建立

1.1 模型可靠性验证

为了验证模型的准确性，在机房冷热通道内选取30 个点进行了温度测量，测点的位置距离架空地板的高度为1.5 m。图1 所示为测量值与模拟值的温度对比，总体而言测量值与模拟值有相同的变化趋势，不同位置服务器之间的出口温差较大，原因是实际机房内各机柜功率差别较大，在送风温度基本相同时，机柜出口温度由机柜功率主导。

图1 模拟值与实测值温度对比

由图1 可知：模拟结果与测量结果有一致的变化趋势，且在数值上最大偏差温度为6 ℃，在正常偏差范围20%以内，因此可认为本文所建立的数据中心CFD 模型具有一定的准确性和可靠性，可以用于实际工程的模拟分析。

1.2 模型建立

本文研究的数据中心机房面积为 304.7 m2（20.45 m×14.9 m），机房层高5.3 m，机房空调间内布置6 台制冷量为160.8 kW 的冷冻水型精密精密空调，采用4 用2 备的运行方式，每台空调最大送风量为35 400 m3/h，送风温度设置为21 ℃。机房内选用600 mm（宽）×1 100 mm（深）×2 200 mm（高）的47U 标准机柜，为减少冷热气流掺混，机柜采用背对背、面对面摆放形式，机柜内放置IT设备。机柜总数量为131 个，单机柜电力限额4 kW。机房采用机架下送风，下送上回的送风方式，架空地板高度为800 mm，尺寸为600 mm×600 mm。3种气流组织如图2 所示。

图2 机房气流组织

冷通道封闭已被证实是改善机房热环境的有效措施[20]，因此，利用冷通道封闭技术，可以将机房中的冷热空气进行隔离，减少冷热空气的掺杂，让冷空气能够有效的对设备进行降温，提高冷量利用率。数据中心原机房采用机架下送风模式，针对原机房气流组织形式，设计了机架下送风+冷通道封闭和地板送风+冷通道封闭的气流组织形式，模拟研究3 种不同气流组织形式对环境温度的影响。

本次模拟计算方法选用标准的k-ε模型，数值模拟基于连续性方程、能量方程、动量方程。模拟软件采用残差值为1，当残差接近于1 且没有震荡的趋势时，表明收敛效果较好，温度、压力、速度等物理量计算值趋于稳定。

2 模拟结果与分析

本次模拟分别对3 种不同气流组织形式下的机房室内温度场、流场进行分析。

2.1 温度场分析

机房内适宜的温度环境是保证服务器设备正常运行及数据中心节能的关键，通过对机房温度分布的分析，可以指导机房气流组织的优化[21]。根据模拟结果分别选取距地板0.2、1.0 和1.8 m 三个不同高度的机柜顶部截面进行对比分析。三个高度截面的温度分布云图如图3～图5 所示。

图3 距地面0.2 m 高度截面温度分布

图4 距地面1 m 高度截面温度分布

图5 距地面1.8 m 高度截面温度分布

由图3～图5 可知：在距地板0.2、1.0 和1.8 m三个不同高度上，地板下送风＋冷通道封闭方案的气流组织相比较另外两种气流组织而言，低温区域稍多，高温区域略少，同时冷通道内温度分布均匀且都在24 ℃左右，整体送风效果较好。

同时获取了不同截面温度最大值、平均值如表1 所示。其中A 代表机柜下送风方案、B 代表机柜下送风+封闭冷通道方案、C 代表地板下送风+封闭冷通道方案。由表1 可知：在0.2 m 和1.0 m 高度截面上3 个方案机房内平均温度差异比较明显，地板下送风＋封闭方案最低、原机房方案最高，在1.8 m 高度截面上机架下送风+封闭平均温度最低，另外2 个方案平均温度差异不大。在0.2 m 高度截面上3 个方案的机房内最高温度差异不大，在1 m和1.8 m 高度截面上，地板下送风＋冷通道封闭方案的最高温度均是最低。由此可以得出，地板下送风＋冷通道封闭方案相较于其它两种方案，降低了机房内最高温度值，有利于消除局部热点。

表1 不同截面温度平均值、最大值

机房内各机柜的温度分布如图6 所示。由图6可知：在原机房气流组织情况下，出现的热点机柜较多，出现了9 个过热机柜，机架下送风+封闭方案则出现了8 个，而地板送风+封闭方案没有热点机柜。说明地板送风+冷通道封闭方案能使机柜进风温度更均匀，有利于消除热点机柜。

图6 各机柜温度分布

2.2 流场分析

分别截取3 种送风方式的机房流场分布图，分为俯视图和主视图，如图7 和图8 所示。

由图7 俯视图可以看到三种方案都会产生不同程度的涡流，但图7(c)的地板送风+冷通道封闭方案所产生涡流和另外两种方案比更少，且涡流范围更小，气流分布相对均匀一些，流线也更加密集。机架下送风方案由于某些机柜无法吸收到其它送风口的冷风而导致热点，而机架下送风+冷通道封闭和地板送风+冷通道封闭方案由于可以吸收冷通道内的冷风而消除热点。由图8 侧视图可知：机架下送风和机架下送风+冷通道封闭方案机房上部存在冷热风掺混的现象，且回风温度较高；而地板下送风+冷通道封闭方案下，机房上部回风温度较低，机柜上部基本不存在冷热气流掺混的情况，对于冷风的利用率较高。

3 结论

本文利用CFD 模拟软件研究了机柜下送风、机柜下送风+冷通道封闭和地板下送风+冷通道封闭3 种封闭方案下的机房气流组织，分析了机房内温度场、机柜温度分布、机房内流场来比较这3 种封闭方案的机房热环境及气流组织的合理性，得到如下结论：

1）地板送风+冷通道封闭方案下，机房低温区域较多，高温区域很少，同时冷通道内温度分布均匀且都在24 ℃左右，整体送风效果较好，机房在不同高度的温度截面图上最大温度只有36.4 ℃，而另外两种送风方式的温度最大值分布达到了40.6 ℃和40.7 ℃；

2）地板送风+冷通道封闭方案可有效解决局部热点问题，原机房气流组织情况下出现了9 个过热机柜，机架下送风+冷通道封闭方案则出现了8个，而地板送风+冷通道封闭方案没有热点机柜；

3）地板送风+冷通道封闭方案下所产生的气流相对均匀一些，涡流范围较小，流线也比其他两种方案密集，且回风温度明显降低，机柜上部基本不存在冷热气流掺混的情况。