通信機房節能設計探索和氣流組織研究

駱玉海　韓延中　王常程　劉正順　賈永浩

摘 要：結合某通信大樓的工程實例，提出了一系列在機房空調系統設計中所采用的節能措施，包括：下送上回的送風方式、地板下送風冷通道封閉技術、熱通道封閉技術、引入新風式空調系統，降低空調系統能耗，提高機房內的氣流組織合理性。根據室外空氣參數，提出了引入新風式空調系統的調控方案。使用CFD軟件對綜合通信機房的溫度場、速度場進行模擬。

關鍵詞：機房空調；節能設計；調控方案：CFD

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.059

1 工程概況

該通信大樓建筑面積12065.01m2，共十二層。地上一至二層為營業用房，三至五層為通信設備用房，其中包括電池室、數據機房、綜合通信機房、電力室，六至十二層為辦公會議用房。

2 通信機房節能設計

通信機房里放置有大量的通信設備，通信設備在處理數據的同時會產生大量的廢熱，因此需要空調系統每天不間斷的為通信設備降溫。通信機房和相同面積的辦公室相比，耗電量會大的多[1]。近些年來隨著處理器的不斷優化以及超級計算機的推廣使用，通信設備的性能不斷地提高，體積不斷朝著微型化方向發展，這就使得機房內可以容納更多的設備，機房的耗電量也會進一步加大。巨大的耗電量最終幾乎都轉化成了熱能，導致室內產生大量的余熱，如果沒有有效的降溫措施，就會造成機房的溫度過高。為了降低機房的溫度，空調系統就要每天持續運轉，空調系統的耗電量不斷增加[2]。因此，在通信機房內，如果采用常規的空調形式，不僅會造成房間溫度偏高，還會使得機房的耗電量在較高的水平。

考慮到建筑特性和當地的環境氣候特征，在對三至五層通信設備用房空調系統設計中，采用一些節能技術，不僅能夠在很大程度上解決通信設備用房消耗過大的問題，并且可以有效的降低運行成本，無論對于社會還是對于企業都有著積極的意義。

2.1 下送上回的送風方式

將機房地板架空，形成一個靜壓箱，經過空調系統處理后的冷空氣送入架空地板內，冷空氣從機柜下面的架空地板出風口排出，來冷卻通信設備。冷空氣中因攜帶有大量的通信設備產生的余熱而被加熱，由于氣流組織的原因上升至房間上部，經房間上部的回風口再次送入到空調機組。這種下送上回的送風方式其主要優點有以下三點：

（1）節能效果明顯。

（2）自下而上的氣流組織可以提高房間的潔凈度。

（3）在地板下送風口安裝閥門后，可控制氣流大小。

2.2 地板下送風冷通道封閉節能技術

機柜采用特殊的“面對面、背對背”的方式擺放[3]，兩排機柜為一個送風單元，在兩個送風單元之間設置長條狀的送風口，這樣就形成了冷通道。在兩個送風單元的上方安裝鋼化玻璃，對整個冷通道進行封閉處理。這樣可以將冷空氣全部用于通信設備的冷卻，減少了冷熱量混合導致的能源浪費，提高了冷卻效率。

傳統的通信機房空調系統設計由于存在冷熱空氣混合以及冷空氣短路等缺陷，會在部分通信設備的機柜頂端出現熱空氣聚集的現象。通過冷通道封閉技術，使得房間的氣流組織得以優化，避免局部熱點問題的出現。

2.3 熱通道封閉節能技術

空調系統的回風口布置在熱通道的上方，這樣可以將熱氣流就近送入機房空調系統排風口中，減少了熱氣流的無規則擴散，避免了冷空氣直接進入回風口造成的冷空氣短路的情況發生，將熱空氣與冷空氣有效的隔離出來。圖1為機房冷熱通道示意圖。

2.4 引入新風式空調系統

在冬季及過度季節以及夏季夜晚的室外空氣低溫的時段，將室外新風引入機房為通信設備降溫，這樣會減少空調機組開啟的時間，降低能耗[4]。利用室外新風免費供冷是引入新風式空調系統的特點，同時在機房內布置溫度探頭，當室外新風低于某一數值時（該數值隨著區域和季節的不同會發生變化），常規空調系統關閉，引入新風式空調系統打開，新風經簡單處理后，由機房的地板送風口送入室內，達到通信設備降溫的效果。

3 引入新風式空調系統的調控

3.1 室內參數的確定

根據當地的相關氣候及設計規范可以確定[5]，通信機房夏季設計溫度為25℃，冬季設計溫度為20℃。機房空調的全年送風溫度為16℃，回風溫度為23℃。

3.2 空調設備的選擇

以四層西側綜合通信機房為例，該機房長16.6m，寬15.4m，面積255.64m2，設備“背靠背、面對面”擺放，共126臺，每臺設備功率設定為4KW。將機房的地板架空，架空高度為500mm，處理后的空氣經送風管送入到架空地板內，再由地板下送風口排出，進入室內，通信設備布置在地板送風口的兩側。相鄰的熱通道間隔1m，冷通道之間的距離為1.5m。地板送風口的單個有效面積為0.17m2，具體尺寸為450mm×450mm，共計126個地板送風口。

機房室內布置4臺精密空調機組（型號為MAD040），其中一臺為備用，機組詳細參數如下表1。

3.3 調控方案的確定

通信機房的空調系統送風量是不變的，在使用引入新風式空調系統后，通過調節新回風比，來滿足室內溫濕度要求。通信機房的設定溫度為22-24℃，濕度為40%-55%。

以室外溫度為16℃作為引入新風式空調系統與常規空調系統的切換溫度值。

選取符合條件的室外溫度較高的3月，通過焓濕圖進行新風與回風的混合計算，發現由于室外相對濕度較高，若通過新風回風混合將通信機房相對濕度控制在40%-55%，新風量就會很大。因此，我們對臨界點進行一些調整。

將3月和11月的臨界溫度設定為10℃。我們可以得到下表3：

因此我們的調控方案為：

引入新風式空調系統與常規空調系統的轉換溫度為16℃，在過渡季或冬季，室外空氣溫度低于16℃（11月或3月室外空氣溫度小于10℃）時，引入新風式空調系統打開，常規空調系統關閉。室內的回風與處理過的新風相混合至送風溫度16℃，來承擔室內負荷。新風和回風的風量隨著室外溫度的變化而進行調整。其余的回風由排風機排出機房。

在夏季的夜晚或過渡季的其他季節，室外空氣溫度高于16℃（11月或3月室外空氣溫度大于10℃）時，常規空調系統打開，新風引入式空調系統關閉，室內的新風需求由室外空氣的滲透來滿足。

引入新風式空調系統的具體調控方案，需要結合當地的實際情況，來確定引入新風式空調系統的開啟時間點和新風量的大小。四層西側綜合通信機房空調系統調控方案見表4。

4 通信機房CFD模擬

4.1 總體概況

采用FLUENT軟件模擬該通信大樓一個綜合通信機房，該通信機房，長16.6m，寬15.4m，高3.6m，機房的西墻和南墻與內走廊相接，走廊的另一端是具有類似功能的機房。機房的北墻和東墻是外墻。機房內共設置了6排機架，機架的擺放位置符合冷熱通道的要求。機房設備“背對背、面對面”擺放，共126臺。相鄰的熱通道間隔1m，冷通道之間的距離為1.5m。

4.2 數值模擬結果及分析

模擬所需的參數為：室外空氣環境溫度23℃，空調送風溫度16℃，送風量36792m3/h，。選取兩個最具有代表的截面，分別為：截面A（Z—1.0）、B截面（Y—4.2），截面A是距離地板送風口1.0m的水平截面，截面B垂直于x軸，距離北面外墻4.2m。

根據模擬結果得出，A截面平均溫度為24.3℃，風速為0.114 m/s，B截面平均溫度為22.9℃，風速為0.146 m/s。從冷通道到熱通道流場趨于穩定，與設計流場基本符合，均為從冷通道均勻過渡到熱通道。

5 總結

在通信機房內使用下送上回的送風方式、地板下送風冷通道封閉技術、熱通道封閉技術、引入新風式空調系統，降低空調系統能耗，提高機房內的氣流組織合理性。本文通過對機房進行CFD模擬，有效驗證了這四種節能措施的可行性，提出引入式新風系統的調控方案，為實際工程的應用提供幫助。

參考文獻：

[1]中華人民共和國工業和信息化部.GB 50174— 2008電子信息系統機房設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[2]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].2版.北京：中國建筑工業出版社，2008.

[3]王恕清，孫立強，張為民.機房專用恒溫恒濕空調機組的相關熱點問題[J].暖通空調，2008，38（12）：84-92

[4]高東媛.新風直接引入式數據中心空調輔助系統研究[D].邯鄲：河北工程大學，2009.

[5]安真.數據中心空調系統可靠性研究[J].暖通空調，2013，43（10）：35-38

作者簡介：駱玉海（1983-），男，山東煙臺人，本科，工程師，項目經理，主要從事：機電工程施工項目管理工作。