淺談數(shù)據(jù)機(jī)房的氣流組織形式

劉潤宇 趙昌新

摘要：本文闡述了數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)的氣流組織對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房制冷效率的重要性，并以某銀行數(shù)據(jù)機(jī)房的氣流組織形式設(shè)計(jì)為例，通過CFD模擬對(duì)機(jī)房空調(diào)現(xiàn)有常見的氣流組織形式進(jìn)行對(duì)比與分析。

關(guān)鍵詞：機(jī)房空調(diào)；氣流組織；能耗

中圖分類號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674—3024（2016）05—164—03

1概述

電子信息系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、處理設(shè)備、控制設(shè)備及其相關(guān)的配套設(shè)施構(gòu)成，按照一定的應(yīng)用目的和規(guī)則，對(duì)信息進(jìn)行采集、加工、存儲(chǔ)、傳輸、檢索等處理的人機(jī)系統(tǒng)。主要為其提供運(yùn)行環(huán)境的場所叫做電子信息系統(tǒng)機(jī)房，包括主機(jī)房、輔助區(qū)、支持區(qū)和行政管理區(qū)等。主機(jī)房內(nèi)置大量網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、服務(wù)器及存儲(chǔ)器等用于電子信息處理、存儲(chǔ)、交換及傳輸?shù)腎T設(shè)備，可以比喻為數(shù)據(jù)中心的大腦。

機(jī)房內(nèi)的氣候環(huán)境尤為重要，會(huì)直接或間接地對(duì)IT設(shè)備產(chǎn)生不良影響。如溫度偏高會(huì)導(dǎo)致電子元器件的性能劣化、使用壽命降低，改變材料的膨脹系數(shù)，加速絕緣材料老化變形等。而溫度偏低會(huì)造成電容器、電感器和電阻器的參數(shù)改變，直接影響到計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定工作。可能使?jié)櫥蜐櫥湍虄鼋Y(jié)。還會(huì)引起金屬和塑料絕緣部分因收縮系數(shù)不同而接觸不良，材料變脆，個(gè)別密封處理的電子部件開裂等。濕度偏高會(huì)使金屬材料氧化腐蝕、造成磁帶運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)打滑影響磁帶機(jī)工作的穩(wěn)定性等，濕度過高還會(huì)產(chǎn)生微薄的凝結(jié)水，容易引起漏電以致?lián)舸p壞電子元器件。而濕度偏低會(huì)使機(jī)房內(nèi)容易產(chǎn)生靜電，靜電容易吸附灰塵，如被粘在磁盤、磁帶的讀、寫頭上，輕則出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差，嚴(yán)重的會(huì)劃傷盤片，損壞磁頭。故機(jī)房環(huán)境的穩(wěn)定是決定IT設(shè)備能否全年每天24小時(shí)不間斷安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。

2數(shù)據(jù)中心的能耗

目前，隨著我國信息化事業(yè)的大力發(fā)展，數(shù)據(jù)中心機(jī)房的數(shù)量也隨之劇增。據(jù)研究顯示，IT/電信目前相關(guān)的碳排放已經(jīng)成為最大的溫室氣體排放源之一，而該領(lǐng)域的排放勢(shì)頭還在隨著全球?qū)τ?jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信技術(shù)需求的增長快速上升，解決設(shè)備散熱及機(jī)房散熱量日漸趨高的現(xiàn)象開始受到了各界強(qiáng)烈關(guān)注。

圖1給出了數(shù)據(jù)中心機(jī)房用電分布圖，服務(wù)器占15%、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備占15%、存儲(chǔ)設(shè)備占8%、空調(diào)主機(jī)占20%、空調(diào)末端占20%、UPS電源系統(tǒng)占15%、Ac轉(zhuǎn)換以及機(jī)房照明占7%；即大約有38%的電力（服務(wù)器15%、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備15%、存儲(chǔ)設(shè)備8%）真正用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備消耗，而其余的電力則用于改善設(shè)備運(yùn)行環(huán)境。可見，空調(diào)占到了40%的用電量，是機(jī)房中的主要用電設(shè)備。目前造成空調(diào)系統(tǒng)能耗過高的原因主要為以下幾點(diǎn)：

（1）企業(yè)需求增大，功率密度升高；

（2）設(shè)備集中布置，熱源越加集中；

（3）機(jī)架布置隨意，熱點(diǎn)分布不均；

（4）機(jī)架布置緊湊，氣流空間受限。

所以，合理設(shè)計(jì)氣流組織可減少空調(diào)冷量的損失，從而提高制冷效率，是降低空調(diào)系統(tǒng)能耗的途徑之一。

3氣流組織的常見種類及分析

近年來大中型數(shù)據(jù)中心機(jī)房的數(shù)據(jù)機(jī)柜功率繼續(xù)增長，且布置越來越密，從而使數(shù)據(jù)中心的熱管理成為一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。數(shù)據(jù)機(jī)房的氣流組織方式主要有上送下回（側(cè)回）、下送上回等。

由于機(jī)房空調(diào)送出的低溫空氣由地板送風(fēng)口送出后從機(jī)柜一側(cè)進(jìn)入，迅速冷卻機(jī)柜后從另一側(cè)排出，利用熱空氣密度小、輕，上升后被機(jī)房空調(diào)從機(jī)房上部抽回，從而達(dá)到最佳冷卻效果，故而數(shù)據(jù)中心架空地板下板送風(fēng)、上回風(fēng)的氣流組織形式成為數(shù)據(jù)中心送風(fēng)方式的主流，如圖2。在此基礎(chǔ)上，通過冷熱通道的封閉可以進(jìn)一步提高制冷效率，降低能耗。

現(xiàn)以某銀行數(shù)據(jù)中心機(jī)房（見圖3）為例，本工程機(jī)房由網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、主機(jī)房及二期機(jī)房組成，因上述機(jī)房區(qū)域溫濕度要求嚴(yán)格，全年需要恒溫恒濕，為保證室內(nèi)的溫度及相對(duì)濕度全年每天24小時(shí)都滿足使用要求，采用自帶冷源的機(jī)房專用空調(diào)，根據(jù)《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2008附錄A中對(duì)于機(jī)房專用空調(diào)設(shè)備數(shù)量的要求為N+X（X取1～N）臺(tái)。

網(wǎng)絡(luò)機(jī)房為一個(gè)精密空調(diào)分區(qū)，單臺(tái)機(jī)柜散熱量為2kW，共34臺(tái)，配置精密空調(diào)兩臺(tái)（顯冷量≥72kW/臺(tái)，一用一備）；主機(jī)房為一個(gè)精密空調(diào)分區(qū)，其中高密區(qū)單臺(tái)機(jī)柜散熱量為12kW，共28臺(tái)，測(cè)試區(qū)及普通機(jī)柜區(qū)單臺(tái)機(jī)柜散熱量為5kW，共63臺(tái)，配置精密空調(diào)十二臺(tái)（顯冷量≥84kw/臺(tái)，八用四備）；二期機(jī)房為一個(gè)精密空調(diào)分區(qū)，單臺(tái)機(jī)柜散熱量為5kW，共68臺(tái)，配置精密空調(diào)七臺(tái)（顯冷量≥72kW/臺(tái)，五用兩備）。

以二期機(jī)房為研究對(duì)象，機(jī)房面積185平米，長19.7米，寬11.7米，高5.4米，利用FluentAirpak軟件對(duì)其進(jìn)行模擬。為了研究二期機(jī)房的氣流組織情況，將房間簡化成19.7×11.7×5.4m的長方體結(jié)構(gòu)，由于二期機(jī)房內(nèi)設(shè)置了七臺(tái)精密空調(diào)（五用兩備），故僅設(shè)置五臺(tái)精密空調(diào)作為實(shí)物模型，還依據(jù)實(shí)際情況設(shè)置了68臺(tái)機(jī)柜模型，保持以上設(shè)備的尺寸、風(fēng)量、散熱量等實(shí)際參數(shù)不變，僅改變房間的氣流組織方式，分別采用以下送風(fēng)、上回風(fēng)的氣流組織方式（如圖4），下送風(fēng)、上回風(fēng)且冷通道封閉的氣流組織方式（如圖5），下送風(fēng)、上回風(fēng)且熱通道封閉的氣流組織方式（如圖6）進(jìn)行模擬，根據(jù)3種CFD（Computational Fluid Dynamics）模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

傳統(tǒng)的地板下送風(fēng)、上回風(fēng)方式，容易造成氣流短路，導(dǎo)致送風(fēng)量不足，降低空調(diào)的制冷效率。從CFD模擬結(jié)果中可以看出，低溫空氣從地板送風(fēng)口送出后，由于冷通道完全不密封，一部分冷空氣進(jìn)入機(jī)柜，另一部分穿過冷通道，在機(jī)柜上方與經(jīng)過機(jī)柜的冷空氣混合，造成浪費(fèi)，導(dǎo)致機(jī)房整體的環(huán)境溫度偏高，由圖4可以看出，機(jī)柜出風(fēng)側(cè)溫度已經(jīng)達(dá)到29℃以上。通過采用冷熱通道封閉的方式，將冷熱空氣相互隔離開來，防止氣流短路及冷熱風(fēng)相混合，可以大大提高空調(diào)機(jī)的制冷效率，在能夠滿足機(jī)房設(shè)備正常散熱的情況下，可以降低空調(diào)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，達(dá)到節(jié)能的效果。從封閉冷通道（圖5）及封閉熱通道（圖6）的CFD模擬結(jié)果的中可以看出，封閉冷通道后，機(jī)柜出風(fēng)側(cè)溫度降到26℃左右，而封閉熱通道后，機(jī)柜出風(fēng)側(cè)溫度則降到將近28℃，故采用冷通道封閉的制冷效果優(yōu)于封閉熱通道的制冷效果。

根據(jù)CFD模擬得到的結(jié)果作為依據(jù)，通過對(duì)比本工程最終采用地板下送風(fēng)、冷通道封閉、室內(nèi)上回風(fēng)的氣流組織形式。

2007年，綠色網(wǎng)絡(luò)組織（The Rreen Grid）制定了數(shù)據(jù)中心的能源效率指標(biāo)PUE（Power Usage Effectiveness）值，該值是數(shù)據(jù)中心年總耗電量與IT設(shè)備用年耗電量的比值，它代表了數(shù)據(jù)中心的電能利用率，比值越小，表明其利用率越高。該值是目前國際上較為通用的對(duì)數(shù)據(jù)中心的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。其公式為：

PLF——0.108～0.114，供配電損耗與IT設(shè)備總能耗的比值。

通過公式可以計(jì)算得到本文中某銀行的數(shù)據(jù)中心機(jī)房PUE值為：

PUE=0.345+（0.108～0.114）+1=1.453～1.459。

4結(jié)論

通過CFD模擬結(jié)果對(duì)三種氣流組織方式進(jìn)行分析，在實(shí)現(xiàn)相同制冷效果的前提下，封閉冷、熱通道的方式都可以有效的優(yōu)化機(jī)房內(nèi)氣流組織，通過減少機(jī)房空調(diào)室內(nèi)風(fēng)機(jī)送風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能，從模擬結(jié)果上看下送風(fēng)、上回風(fēng)且封閉冷通道的制冷效果最好。