綠色數據中心分析及設計優化

蘇龍梅

摘要： 數據中心由于其內部發熱量大，因此對室內環境要求較高，合理地設計氣流組織才能確保設備長久穩定的運行，通過選擇合適的圍護結構、照明功率及空調系統，盡量使數據中心的總PUE值達到最優；通過CFD模擬對不同方案氣流組織條件下，比較分析機房的溫度場和速度場，得出較合理的氣流組織形式；通過eQUEST能耗模擬，將設計模型與基準模型相比較，通過調整建筑的各種參數，不斷優化數據機房的PUE值，達到綠色節能的目的。

關鍵詞：數據中心；CFD模擬；能耗模擬；設計優化

數據中心擁有大量計算機設備、服務器設備、網絡設備及存儲設備等關鍵設備，并且設備都是發熱量大的設備，根據英國政府環境調查報告顯示，到2020年，辦公設備能耗占全社會總能耗30%，其中65%來自IT設備。數據中心50%-60%的功耗用于冷卻數據機房環境和IT設備，因此降低數據中心能耗是我們如今面臨的一個新的挑戰 [1]。

由于數據機房內部環境溫度不均一，同一時間測定的不同區域溫差有時可達5℃以上，且機房內部風速場也不均勻，有時會出現局部區域風速過小，甚至出現漩渦現象，也就造成了機房空調能耗高、效率低的現狀。因此如何合理設計室內氣流組織來充分有效地利用空調設備冷卻服務器，從而提高其使用壽命也是值得關注的一個問題 [2]。

本文通過CFD軟件模擬分析設計方案及兩個對比方案的速度場及溫度場的分布情況，為數據機房的綠色節能提供建議。此外，采用能耗模擬軟件eQUEST對建筑進行全年8760小時動態模擬，得出設計模型相對于基準建筑的節能率，其中基準建筑模型與參照ASHRAE 90.1-2007 中相關要求來設定；本文模擬分析還將計算數據中心的PUE值，通過調整建筑的各種參數，不斷優化PUE值，達到綠色節能的目的。

1 項目簡介

灃西（未來大數據產業園數據中心總建筑面積21034.36㎡，地上4層，設計內容主要包括有數據機房、變配電/UPS/蓄電池用房、空調機房等。

本工程作為高耗能建筑物，應從建筑工藝、空調、電力等幾個方面進行了重點策劃設計，確保本工程成為數據機房中的綠色節能數據中心。

2 設計分析

數據中心因安裝的均為發熱量大的服務器設備，熱負荷構成主要為設備的顯熱負荷，相比而言，圍護結構的負荷占總負荷的比例不足20%。數據中心因服務器設備發熱量較大，傳統上送風氣流組織方式很難解決設備的散熱問題，因此采取下送風的方式以解決設備的散熱問題，地面為防靜電架空地板 [3]。

數據中心及動力中心均為工業建筑，滿足相關《綠色工業建筑評價標準》、《綠色工業建筑評價導則》、《綠色工業建筑評價技術細則（試行）》要求。

本工程設計按照《民用建筑熱工設計規范》等有關規范要求，采取一定節能措施設計建筑單體，達到建筑節能設計標準。

3 CFD模擬與優化

3.1 模型建立

本模型主要參數包括：

* 氣流組織形式：下送側回。

* 地板送風口尺寸：空調送風溫度為18℃，風口數量為264個，每個風口的風速是1.96m/s，送風量是890m？/h，風口面積是0.18㎡，遮擋系數是0.7。

* 墻壁回風口：風口下沿據地板3m，風口尺寸為7.5m（1m，風口前后壓差5Pa左右。

* 機房外部環境溫度：25℃

* 機柜布置：機柜陣列面對面鏡像布置；機柜數264（以2kW計，等效3kW*180） ；

* 機柜模塊尺寸：1100 x 600 x 2000 mm（L x W x H）；

* 機柜結構：兩側為孔板，單元發熱功率為2kW；機柜背面出風口有排風機（形成加速面），風速約為40m3/h（背面折算的面速約900 m2/h），機柜前后面（通風面）孔隙率為80%。

3.2 數值模擬

利用CFD數值模擬軟件進行模擬，送風口設置為速度邊界條件，送風溫度為18℃，出風口采用自由出流邊界條件，機柜內設備發熱量平均分配到設備表面，設置設備表面的平均熱流密度。

因為涉及到典型的流速和特征尺寸，流動為湍流，所以采用雙方程模型對數據機房進行模擬。

3.2 方案對比

設計方案： 冷熱通道設計

數據中心機房采用下送風恒溫恒濕風柜直接向架空地板送風，采用EC節能風機并下沉安裝，空調機房回風百葉側回風的送回風方式，回風速度控制在1.8m/s，以達到節能的目的。

對比方案1：側送側回通道設計

對高密度機柜可以采用一側下送風另一側上回風的方式，這種方式可以有效緩解冷熱通道溫度出現冷熱分區現象。

對比方案2：封閉冷通道設計

對高密度機柜可以采用冷氣通道全封閉的方式，這種方式將空調冷風直接輸送每個機柜，可以有效防止冷熱空氣混合，提高制冷效率，達到徹底解決機房過熱和降低空調能耗的問題。

3.3 結果及分析

從圖3可以看出，機組內部最高溫度為26 ℃，風速在0.2m/s-0.8m/s之間；同一時間不同區域溫差最高為8℃。

從圖4可以看出，機組內部最高溫度為22 ℃，風速在0.4m/s-1.8m/s之間；同一時間不同區域溫差最高為4℃。

從圖5可以看出，機組內部最高溫度為21 ℃，風速在0.5m/s-2.1m/s之間；同一時間不同區域溫差最高為3℃。

對比分析圖3、圖4及圖5，封閉冷通道設計最優，具有較好的溫度均勻性分布和速度均勻性分布。

4 能耗模擬與優化

4.1 建筑模型

根據eQUEST能耗模擬建模需求，對該數據中心進行建模，模型效果圖如圖所示：

4.2 參數設置

天氣參數：西安咸陽市為寒冷地區，表1為西安地區氣候參數。

暖通空調系統：

設計模型空調冷熱源：動力中心的制冷機房為本數據中心提供12/18℃空調冷水作為空調冷源，辦公區域及走廊設計水環熱泵，夏季進出水溫為32/37℃，冬季進出水溫為18/12℃.。

設計模型空調末端：辦公及走廊區域采用整體式水環熱泵機組，由動力中心直接將經過閉式冷卻塔的冷卻水送至末端，新風有位于走廊的整體式水環熱泵新風自己提供。

基準模型的冷源為冷水機組，熱源為電加熱，空調末端為VAV系統。

基準模型和設計模型的空調系統的參數對比如表5所示。

4.3 結果與分析

由設計模型輸出各部分年耗電量如下圖所示：

由模擬結果可以得出，建筑的節能率為14%。

4.4 PUE值計算

PUE （Power Usage Effectiveness， 電力使用效率） 值已經成為國際上比較通行的數據中心電力使用效率的衡量指標。PUE值越接近于1，表示一個數據中心的綠色化程度越高 [4]。

數據中心一般含有數據機房和辦公區域，辦公區域的能耗應該排除在數據中心效率計算之外。通常有些辦公區域和數據機房消耗電力的設備是共用的，如冷水機組，冷卻水泵等，單獨測量出這些共用設備給數據機房的耗電量是不現實的。本項目PUE值的計算中通過計算出數據機房和其他區域的冷負荷百分比，然后通過比例將共用設備的耗電量的一部分分配給數據機房 [5]。

通過設計模型模擬結果機房冷負荷占整個數據中心冷負荷的百分比為：86.2%

數據機房制冷設備耗電量：0.862*（1.17+3.41+6.51） *106= 9.56*106Kwh

數據機房照明設備耗電量：211977Kwh

數據機房IT設備耗電量：59.65*106Kwh

5 設計優化總結

通過CFD模擬對比分析可以看出，無論是機房還是機柜內部溫度分布的均勻性還是室內氣流組織的合理性，封閉冷通道設計優于冷熱通道設計和側送側回設計，封閉冷熱通道設計能夠保證機房環境保持在合適的范圍內，并且冷氣流完全用于冷卻熱源，而且能夠充分利用冷源的能量達到最佳冷卻效果，能夠保證設備長久穩定的運行。

PUE （Power Usage Effectiveness，電力使用效率） 值已經成為國際上比較通行的數據中心電力使用效率的衡量指標。通過不斷地調整建筑參數，本項目設計模型節能率為14%，PUE值為1.2，PUE值越接近于1，表示一個數據中心的綠色化程度越高，表明該數據中心的綠色化程度已很高了，達到了綠色節能的目的。

參考文獻：

[1]黎振華.綠色建筑中暖通空調設計方法探析[J].綠色環保建材，2019（06）：72.

[2]王劍平.某數據機房熱環境改善及節能措施研究[J].科技創新與應用，2019（14）：124-125.

[3]曾夙.對綠色建筑節能設計的研究[J].湖北農機化，2019（09）：66.

[4]張梁鐘.暖通空調設計中綠色建筑技術的應用[J].居舍，2019（13）：70.

[5]丁雪芹.建筑節能措施在建筑設計中的分析[J].綠色環保建材，2019（06）：51+54.

（作者單位：上海中建建筑工程咨詢有限公司）