RBC數據機房的熱設計優化分析

張義芳

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

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RBC數據機房的熱設計優化分析

張義芳

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

以某無線閉塞中心（RBC）數據機房為基礎，利用ANSYS Icepak熱分析軟件分別對數據機房的上送風方式和下送風方式進行模擬計算，得到機房內機柜的溫度、速度及壓力分布，對二者進行詳細比較；在下送風方式的基礎上，封閉RBC機柜之間的冷通道，改善優化氣流的組織形式，計算得到機房內各個變量。對比不同的送風方式，可以得到下送風方式，封閉冷通道，可以使得RBC機柜溫度最低，提高機房內各個RBC機柜的熱可靠性。

數據機房；送風方式；熱設計優化；RBC

1　概述

近年來，我國已建設將近20條高速鐵路，CTCS-3（簡稱“C3”）級列車運行控制系統是中國鐵路時速300～350km客運專線的重要技術設備，是中國鐵路技術體系和設備現代化的重要組成部分。無線閉塞中心（RBC）是C3列控系統的地面核心設備，根據C3車載設備提供的列車位置，聯鎖提供的聯鎖進路狀態、災害防護（落物）信息，臨時限速服務器（TSRS）提供的臨時限速命令，生成針對所控列車的行車許可（MA），通過GSM-R網絡傳輸給C3車載。因此，RBC設備的正常運行是保證高速列車運行安全、可靠、高效的核心技術之一。

RBC服務器24 h不間斷工作，持續時間長，散熱量大，造成機房熱負荷明顯增大。據統計，55%的電子設備失效是由于溫度過高引起的，過熱損壞已成為電子設備的主要故障形式［1］。而在機房的能耗構成中，空調系統的能耗已占到總能耗的37%，并有不斷增加的趨勢［2］。

使用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）方法可以有效預測模擬數據機房內的風速、壓力及溫度分布。利用ANSYS Icepak對機房內不同的布置進行模擬計算，比較優化機房的送風方式，可以改善氣流組織形式，降低RBC機柜內服務器的溫度分布，提高RBC的熱可靠性。

2　物理模型及方案說明

本文以某RBC數據機房為實例，機房尺寸為6 m（長）×3.5 m（高）×7 m（寬），共放置10個RBC機柜，機柜面對面、背靠背進行排列。每個RBC機柜的尺寸為1.105 m（長）×2.02 m（高）×0.648 m（寬），RBC機柜的位置、編號及空調的布置如圖1所示。機房內空調尺寸為2.0 m（長）×2.8 m（高）×0.85 m（寬），送風口尺寸為2 m×0.4 m，其送風量為4.952 kg/s，送風口空氣溫度為12.8 ℃。

RBC機柜內主要布置了11個服務器和4個交換機，其示意如圖2（a）所示，單個服務器熱耗為220 W，單個交換機熱耗為70 W，單個RBC機柜總熱耗為2 700 W。此RBC數據機房內總熱耗為27 000 W。

由于RBC內服務器和交換機的真實模型比較復雜，為了減少CFD模擬的計算量，可以使用ANSYS Icepak的參數化計算功能，計算得到單個真實服務器、交換機的系統阻力曲線。根據阻力曲線，可以計算得到服務器和交換機的簡化阻尼模型。建立機柜機架、機柜前后門（開孔率約為0.8）的熱模型，將簡化后的服務器和交換機模型放置于機柜內，最終建立每個RBC機柜的熱仿真模型，如圖2（b）所示。整個機房內的熱仿真模型如圖1所示。

目前，RBC機房常見的送風方式主要有兩種，一種為上送風方式，如圖3（a）所示；另一種為下送風方式，即架空地板，使得機房內的冷通道和熱通道分離，送風口布置于空調底端，空調回風口位于空調頂端。冷空氣通過通風地板（開孔率0.8）進入機柜之間的冷通道，然后在壓力差作用下，流入機柜冷卻服務器及交換機，機柜排出的熱空氣回流至空調回風口，其示意如圖3（b）所示。在下送風方式中，空調高度減小為2 m，進風口位于空調底端，回風口位于空調頂端，其他條件不變。

3　計算結果比較

在ANSYS Icepak中分別對機房的上送風方式和下送風方式進行了模擬計算，得到了機房的溫度、速度分布。

在上送風方式下，兩列機柜最中間切面的溫度分布如圖4所示，可以看出，按照機柜的排列順序，最高溫度出現在1號、2號、6號、7號RBC機柜之間，勢必導致機柜進風的溫度非常不均勻。切面的最高溫度為25.32 ℃。

在上送風方式下，兩列機柜最中間切面的速度矢量圖分布如圖5所示，在壓力差作用下，空調送風口的冷空氣大部分先流入阻力較小的機房上部區域，然后在右側墻體的阻擋下，在兩排機柜之間形成很大的渦流區域。在服務器和交換機內風機的作用下，一部分冷空氣會流入RBC機柜，冷卻IT（RBC機柜內的所有電子設備）設備；同時，另一部分冷空氣會與熱空氣一起，流入空調回風口，造成了嚴重的氣流短路現象。

在上送風方式下，兩列機柜的溫度分布云如圖6所示，沿著排列順序，RBC機柜的溫度逐漸升高，10個機柜溫度分布非常不均勻，最高溫度為34.108 ℃。

在下送風方式下，兩列機柜最中間切面的溫度分布如圖7所示，冷空氣經過地板的出風口，直接流入兩列機柜中間的冷通道內。與上送風方式相比，各個機柜的進風溫度相對比較均勻。冷熱空氣混合后，造成1號、6號RBC機柜進風溫度高于其他機柜，在1號、6號RBC機柜與空調之間，存在熱點區域。切面的最高溫度為21.444 ℃，與上送風方式相比，降低了3.876 ℃。

在下送風方式下，兩列機柜最中間切面的速度矢量圖分布如圖8所示，大部分冷空氣先流入冷通道，但是由于空調及機柜的布局，導致1號RBC機柜與6號RBC機柜之間形成一個小的渦流區域，渦流區域使得冷熱空氣混合，因此造成1號、6號RBC機柜進風的溫度高于其他機柜。氣流短路現象雖然減弱，但是仍然存在，局部冷空氣氣流會直接和機房頂部的熱空氣混合，然后流入空調，重新進行換熱循環。冷熱空氣的區域仍然未分開。

在下送風方式下，兩列機柜的溫度分布如圖9所示，1號、6號RBC機柜的溫度相對較高，最高溫度為27.409 ℃。與上送風方式相比，RBC機柜進風口溫度稍微均勻，最高溫度降低了6.7 ℃。

4　機房風道優化

由于下送風方式存在氣流短路現象，導致RBC機柜進風的溫度不均勻。為了破壞氣流短路區域，將兩列RBC機柜面對面之間形成的冷通道區域進行封閉，將機房內的冷熱通道完全隔開，有效地優化了機房內的氣流組織形式。機房封閉冷通道的散熱示意如圖10所示。

封閉冷通道后，兩列機柜最中間切面的溫度云圖分布如圖11所示，各個機柜的進風溫度基本均勻，機房內的冷熱通道完全隔開。冷通道內的冷空氣只能流入RBC機柜，冷卻了IT設備后流出機柜，進入熱通道。最高溫度出現封閉的冷通道與空調之間，因此空調與機柜之間的距離仍然需要優化，以破壞熱點區域。

封閉冷卻通道內，兩列機柜最中間切面的速度矢量圖分布如圖12所示，流入封閉通道的冷空氣，受頂部隔板的阻擋，只能流入RBC機柜，有效地破壞了氣流短路現象。

封閉冷通道后，兩列機柜的溫度分布如圖13所示。與圖9相比，可以看出，各個RBC機柜的溫度分布比較均勻，最高溫度降低了1.54 ℃。

在3種不同送風方式下，10個RBC機柜正面最高溫度曲線如圖14所示；在3種不同送風方式下，10個RBC機柜背面最高溫度曲線如圖15所示，采用下送風方式可以明顯降低RBC機柜的正面溫度；在下送風方式的基礎上，封閉冷通道，可以進一步降低RBC機柜的正面溫度，提高了RBC機柜的熱可靠性。

5　結論

1）利用ANSYS Icepak軟件分別對RBC數據機房的上送風方式和下送風方式進行模擬計算，可以得到，數據機房采用下送風方式比上送風方式更能有效地降低機柜內IT設備的溫度，各個機柜溫度分布相對均勻。RBC機柜最高溫度采用下送風方式較上送風方式降低了6.7 ℃；而且氣流組織趨于合理。

2）在下送風方式的基礎上，封閉了兩列機柜之間的冷通道，將冷熱空氣區域完全隔開，有效地破壞了氣流短路現象，優化改善了氣流的組織形式，降低了各個RBC機柜的溫度，而且各個RBC機柜的溫度分布更加均勻，大大提高了RBC機柜的熱可靠性。

3）空調與RBC機柜之間的距離需要優化，以破壞機房內存在的熱點區域。

［1］于慈遠.計算機輔助電子設備熱分析、熱設計及熱測量技術的研究［D］.北京：北京航空航天大學，2000.

［2］呂愛華，梅勝，楊晚生.數據通信機房空調通風系統的實驗測試分析［J］.建筑節能，2010，288（2）：29-31.

Taking a Radio Block Center （RBC） room as an example， the paper introduces the simulation calculation of the upper and lower air supply modes in the machine room by using ANSYS Icepak thermal analysis software to get the temperature， velocity and pressure distribution of equipment cabinets and gives comparison between the two modes. In the lower air supply mode， all variables of the engine are calculated by closing the cooling channels of RBC cabinet and optimizing the airfl ow organization form. Through comparison of different air supply modes， it is concluded that the lower air supply mode and closed cooling channels can make the RBC cabinet lowest temperature and improve the thermal reliability of each RBC cabinet in the room.

machine room； air supply way； optimized thermal design； RBC

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.02.006

2015-05-20）