數(shù)據(jù)機房冷熱通道封閉方案對比分析

文_秦怡 廣州城建開發(fā)設(shè)計院有限公司

1 物理模型與數(shù)值方法

1.1 模型建立

本文所研究的數(shù)據(jù)機房建筑面積約為630m2，橫向跨距44m，縱向跨距14.3m，層高為6m。機房內(nèi)共有9列列頭柜，各通道寬度為1.2m，均采用冷熱通道隔離，單機柜額定功率為4kW(以實際功率為準(zhǔn))。機房采用9臺艾默生精密空調(diào)送風(fēng)，額定風(fēng)量為36000m3/h。送風(fēng)方式為地板下送風(fēng)，冷風(fēng)經(jīng)處理后送至架空地板下，整個架空地板作為一個送風(fēng)靜壓腔，然后通過架空地板上設(shè)置的送風(fēng)口將冷風(fēng)送入各機柜內(nèi)，冷風(fēng)與機房機柜進行熱交換后，回風(fēng)通過隔墻回風(fēng)風(fēng)道回到空調(diào)機房進行循環(huán)冷卻。

另外，在該機房設(shè)備屬性不變的情況下，可將設(shè)備的主要散熱面相對組成的熱通道封閉。冷空氣由空調(diào)中部送出，在地板平面流動，冷空氣彌漫式分布在機柜的中部和下部，在機柜周圍形成冷空氣的“包圍”。同時，服務(wù)器依靠本身的強制通風(fēng)設(shè)備吸入冷空氣進行換熱，受熱的空氣由機柜上部排出。

兩種方案的物理模型如圖1所示。

1.2 控制方程

數(shù)據(jù)機房環(huán)境滿足流動三大基本定律，且其流動處于湍流狀態(tài)，應(yīng)附加湍流輸運方程，即湍動能k方程和湍流耗散率ε方程，故數(shù)據(jù)機房室內(nèi)空氣流動與換熱的基本控制方程由質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、k方程以及ε方程一起構(gòu)成。

1.3 模擬結(jié)果及分析

（1）平面溫度云圖對比（圖2、圖3）

圖2、圖3為距機柜底部0.5m高度的溫度云圖截面，可以很明顯的看出，兩種方案的冷池位置不同。冷通道封閉的地板出風(fēng)區(qū)域為冷通道，溫度基本為空調(diào)送風(fēng)溫度17℃；熱通道封閉是（圖3為隱藏回風(fēng)天花的云圖截圖）空調(diào)冷風(fēng)直接送到機房處的，所以機房整體呈現(xiàn)送風(fēng)溫度17℃。

在同樣機房面積情況下，兩種方案在該高度截面上平均溫度分別為24.5℃、23.3℃。也就是極端情況冷卻失效時，后者方案的“冷池”區(qū)域面積更大，且機房整體溫度較低，可以為維護搶修爭取更多時間。

（2）豎直溫度云圖對比

圖3、圖4為距機房右墻3m遠豎直截面的溫度云圖。從圖中可以看出，由于熱通道封閉方案中機柜出風(fēng)直接進入回風(fēng)通道流入上方回風(fēng)天花板，氣流較為順暢，故機柜處工作環(huán)境溫度較低，其中冷通道方案中機柜工作區(qū)環(huán)境溫度約為24.9℃，熱通道放那種溫度約為24.4℃。

同時，在冷通道封閉方案中，冷風(fēng)依靠機柜自身散熱設(shè)備將其排入通道外部，而熱通道封閉方案中冷風(fēng)是依靠機柜自身散熱設(shè)備和天花板中排風(fēng)設(shè)備共同作用才排出的，也就是后者方案在維護后期，熱氣有可能不是很快排出，所以需要增加排氣風(fēng)扇，這也給后期維護帶來了很多的麻煩，風(fēng)機是一直都在運行，不可能不會出現(xiàn)故障，那就需要更換排風(fēng)風(fēng)機，工作量也會增加。

（3）機房冷量利用對比

空調(diào)系統(tǒng)冷量利用系數(shù)η可在一定程度上表征機架熱環(huán)境，又能反映空調(diào)冷量利用情況，可用于基于能量優(yōu)化的角度來指導(dǎo)數(shù)據(jù)機房氣流組織的合理優(yōu)化和空調(diào)參數(shù)設(shè)置的綜合評價。其計算公式為：

其中，tp、tn、to分別為回風(fēng)溫度、機柜工作區(qū)空氣平均溫度以及送風(fēng)溫度。調(diào)節(jié)前后，機房機柜工作區(qū)平均溫度分別為24.9℃、24.4℃，根據(jù)表1計算得出，經(jīng)過調(diào)節(jié)各個精密空調(diào)冷量系數(shù)均有所提升，升高范圍在0.00～0.58。同時9臺空調(diào)平均冷量利用系數(shù)從1.17上升至1.53，空調(diào)利用率提高，經(jīng)濟性也隨之提高。

表1 兩冷量利用系數(shù)對比

2 對比分析結(jié)論

在機房相同設(shè)施的情況下，封閉冷通道和封閉熱通道的方案都可以達到氣流遏制以及散熱管理的效果。根據(jù)本文模擬結(jié)果以及以往工程經(jīng)驗具體對比分析如下：

2.1 機房熱環(huán)境

在相同高度截面上冷通道封閉的機房平均溫度一般高于熱通道封閉的溫度。同時由于熱通道封閉方案中，機柜出風(fēng)直接通過回風(fēng)通道進入回風(fēng)天花板，氣流組織管理較好，機柜處工作環(huán)境也相對較低，相同情況下比冷通道封閉低0.5℃。

2.2 安全性

封閉冷通道后僅依靠冷通道內(nèi)的冷池對服務(wù)器進行降溫，冷量存儲較小，安全性較差。而封閉熱通道整個數(shù)據(jù)機房可作為一個“大冷池”，冷量存儲更大，安全性較好。故封閉熱通道更適用于機房面積較大，冷池面積大于設(shè)備封閉面積的情況。

2.3 可維護性

封閉冷通道方案中架空地板下維護難度大；且機房內(nèi)風(fēng)速較大，溫度較高，運維環(huán)境舒適性較差；封閉熱通道方案中無架空地板，運維較容易；機房風(fēng)速較低，溫度較低，運維環(huán)境舒適性較好，但是該方案又需要適當(dāng)添加排風(fēng)設(shè)備，在后期運維中也需要考慮到。

2.4 冷量利用率

由于熱通道封閉將熱回風(fēng)集中收集在上方天花板中，各空調(diào)回風(fēng)溫度相對冷通道封閉方案較高，同時熱通道封閉后機柜工作區(qū)環(huán)境溫度相對偏低，實例計算得空調(diào)冷量利用率較冷通道封閉方案上升0.00～0.58。