機房空調(diào)對數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境影響的模擬研究

傅玨忻 白雪蓮* 金超強

重慶大學土木工程學院

數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術的研究主要包括氣流組織優(yōu)化，空 調(diào)參數(shù)設定和自然冷源利用[1]。其中，氣流組織是連接機房熱環(huán)境和空調(diào)系統(tǒng)能耗的樞紐。由于機房內(nèi)服務器功率分布不均勻，各空調(diào)獨立運行，容 易導致氣流分布不均勻，產(chǎn) 生熱點[2]。群控使所有末端空調(diào)在安全可靠的前提下進行聯(lián)合控制，在 協(xié)同一致的狀態(tài)下運行，改 善機房氣流組織，因 此值得更深入的研究[3]。另一方面，溫 度是重要的空調(diào)參數(shù)，在空調(diào)回風控制中，不 合理的回風溫度會造成風機能耗浪費，還 會影響機房氣流組織和 IT 設備散熱效果[4-5]。本文以重慶市某數(shù)據(jù)中心為研究對象，利用6SigmaRoom 軟件模擬空調(diào)群控前后和不同回風溫度下的機房熱環(huán)境，分 析群控和回風溫度對氣流組織和能耗的影響。

1 機房現(xiàn)狀及現(xiàn)存問題

1.1 機房概況

重慶市某數(shù)據(jù)中心的機房采用地板送風、吊 頂回風的氣流組織形式，冷通道封閉。機房尺寸為22.8 m（長）× 1 7.4 m（寬）× 6 .9 m（高），架 空地板高1.1 m。機柜編號為 A～J 列，機 柜尺寸為 1.2 m（長）× 0 .6 m（寬）× 2.2 m（高），機 柜內(nèi)所有服務器的實際功率為291.5 kW，占機房設計功率的41%，負載主要集中在A～D 列。空調(diào)間設有6 臺機房精密空調(diào)，5 用1 備，額 定制冷量為150 kW，額 定風量為9000 l/s。機 房平面布局如圖1 所示。

圖1 機房平面布局

1.2 現(xiàn)場實測

對機房進行現(xiàn)場測試，將 其結(jié)果用于分析機房運行狀況。通過測試空調(diào)送回風溫度、地 板送風溫度等參數(shù)，可 以判斷氣流組織是否合理、空 調(diào)運行是否正常、控 制模式是否合理。使用 HOBO 溫濕度記錄儀測試空調(diào)送風口溫度，在 每臺空調(diào)的地板下送風口中心布置一個測點，如圖2 所示。空調(diào)回風溫度從該數(shù)據(jù)中心環(huán)控系統(tǒng)中獲取。用 Testo 風量罩對機房的開孔地板進行逐個風量測試，同時讀取對應的溫度數(shù)據(jù)，得到整個機房的地板送風量和地板送風溫度。測試的儀器性能參數(shù)如表1 所示。

圖2 空調(diào)送風口測點

表1 測試儀器性能參數(shù)

1.3 現(xiàn)存問題

1）空調(diào)運行參數(shù)不一致，機 房熱環(huán)境不佳。該數(shù)據(jù)中心的空調(diào)均采用回風控制，設 定回風溫度為25 ℃，空 調(diào)的實測結(jié)果如表 2 所示，不 同位置的空調(diào)實際送回風溫度、送 風量有較大的差別，地 板送風溫度在16.4～20.5 ℃波動，機 房內(nèi)氣流分布不均勻。經(jīng)過分析，這 是因為雖然回風溫度設定值一致，但 機房內(nèi)服務器分布不均勻，形成 IT 負載高密度區(qū)和低密度區(qū)，且機房空調(diào)采用單臺獨立控制模式，各 空調(diào)處于不同負載下運行，導 致冷熱氣流存在一定的摻混，既 浪費冷量，又 不利于熱環(huán)境的營造。

為了解決空調(diào)獨立控制下無序競爭、能 耗浪費的問題，提 出末端空調(diào)群控的方法，采 用優(yōu)化的控制手段對空調(diào)設備進行監(jiān)控和管理，優(yōu)化機房氣流組織。該數(shù)據(jù)中心依據(jù)設備運行時長來輪班啟停空調(diào)，因 此采取主從控制的群控策略，通 過模擬分析群控對機房熱環(huán)境的改善作用。

2）空 調(diào)的回風溫度設定值不合理。由 表2 還可知，空調(diào)平均送回風溫差為6.7 ℃，低 于《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》G B50174-2017 要求的8～15 ℃。又 因為實測得到的地板平均送風溫度為18 ℃，在 規(guī)范的冷通道推薦溫度范圍內(nèi)，如 表 3 所示，可 知回風溫度低導致溫差過小，空調(diào)送風量大，風 機能耗浪費。

為了節(jié)約風機能耗，需 要提高空調(diào)回風溫度設定值。通過模擬確定不同回風溫度對氣流組織的影響，在保證良好熱環(huán)境的前提下盡量提高空調(diào)回風溫度。

表2 空調(diào)實測參數(shù)

表3 數(shù)據(jù)中心推薦環(huán)境參數(shù)

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 模擬參數(shù)設定

使用 CFD 模擬軟件 6SigmaRoom 建立的機房物理模型如圖3。該機房實際情況下只有C、D 列機柜安裝盲板，并 且負載集中在 A～D 列，其 他列以空機柜為主，服 務器上架率低。為了減小其他因素的干擾，在 機房的理想情況下研究群控和回風溫度對熱環(huán)境的影響，模 擬中機房的空機柜全部安裝盲板，且 空機柜前對應的孔板關閉。根據(jù)《實用供熱空調(diào)設計手冊》，地 板漏風量取最小值10%。不同空調(diào)回風溫度下對應的參數(shù)如表4 所示，群控模擬時空調(diào)回風的溫度都設定為25 ℃。

圖3 機房物理模型

表4 空調(diào)不同回風溫度下的參數(shù)

2.2 空調(diào)群控熱環(huán)境分析

機房空調(diào)采取主/從控制策略，即 靠近 IT 設備密集區(qū)的空調(diào)為主空調(diào)，其 余空調(diào)為從空調(diào)，通 過主空調(diào)控制器同時控制若干臺從空調(diào)的冷量輸出。機房空調(diào)為N+1 冗余，在 運行過程中，至 少有一臺處于備用狀態(tài)。為保證設備的安全運行，空 調(diào)輪換工作，各 空調(diào)擺放位置、送 回風位置不同，會 影響機房的氣流場、溫度場。因此，1#到6#空調(diào)在模擬時輪流關閉，作 為冗余空調(diào)。不同空調(diào)之間的主從關系如表5 所示。

表5 空調(diào)群控策略

圖4 群控前后地板送風溫度

圖4 為 6# 空調(diào)關閉時，群控前后的地板送風溫度。未群控時，地 板送風溫度分布不均，遠 離空調(diào)端的地板送風溫度偏低。這是因為各空調(diào)獨立運行，雖 然回風溫度設定值一致，遠 離 IT 設備密集區(qū)的空調(diào)冷量需求小，實 際送風溫度偏低。又由于靠近 IT 設備密集區(qū)的空調(diào)送風距離有限，不 能送至遠離空調(diào)端的地板，那么遠離空調(diào)端的地板送風量需由遠離 IT 設備密集區(qū)的空調(diào)來提供，從 而使得其送風溫度偏低。群控后，各地板送風溫度基本相同，均 為 18 ℃，這 說明由主空調(diào)決定從空調(diào)輸出參數(shù)的群控策略可以有效地統(tǒng)一空調(diào)的運行參數(shù)，提 高地板送風溫度的均勻性。

空調(diào)未群控和群控后機房在0.2 m，1.1 m 和2.0 m高度的溫度分布如圖5、圖 6 所示。由圖 5 可知，未 群控下，空 調(diào)備用情況對氣流組織有一定的影響。不同位置的空調(diào)開啟和關閉時，機 房的熱環(huán)境有較大的差異。3#，4#和6#空調(diào)關閉，對 A、B 列機柜附近的熱環(huán)境的影響較大。3# 空調(diào)關閉時最高環(huán)境溫度為34.1 ℃，熱 點主要出現(xiàn)在1.1 m 和2.0 m 處。最高環(huán)境溫度在32.3 ℃～34.1 ℃范圍內(nèi)，差值為1.8 ℃。由圖 6可知，群 控后，哪 臺空調(diào)關閉對整體溫度分布影響并不大，最 高環(huán)境溫度在 29.3 ℃～30.6 ℃范圍內(nèi)，差 值只有1.3 ℃。因 此，群 控后空調(diào)的啟停選擇更多。機 房的溫度差值由未群控的 14 ℃～34.1 ℃變?yōu)槿嚎睾蟮?18 ℃～30.6 ℃，最 低環(huán)境溫度提高 4 ℃，最 高環(huán)境溫度降低3.5 ℃，機 房整體的溫度分布均勻性提高。

圖5 空調(diào)未群控時機房0.2 m，1.1 m 和2.0 m 處溫度分布圖

圖6 空調(diào)群控后機房0.2 m，1.1 m 和2.0 m 處溫度分布圖

利用氣流組織評價指標 SHI 評價機房的氣流組織。供熱指數(shù)SHI 是評價冷送風和熱回風混合程度的指標，標 準值為 0，S HI 值越小說明冷送風和熱回風的混合程度越小，計 算見式（1）：

式中：Tini,j r、Touti,j r為第i行第j列機柜進出風平均溫度，℃ ；TsupC為空調(diào)送風溫度，℃ 。

表6 為群控前后的機房 SHI 值，6# 空調(diào)關閉時，SHI 值最大，說 明6#空調(diào)對機房整體氣流組織的影響最大。各空調(diào)輪流關閉，未群控下的 SHI 平均值為0.036，群 控后的 SHI 平均值為 0.005，S HI 值大幅度減小。因此，群 控使空調(diào)冷送風與IT 設備熱排風混合程度減小，機 房的氣流組織得到優(yōu)化，有 利于營造良好的機房熱環(huán)境。

表6 群控前后機房SHI 值

2.3 空調(diào)不同回風溫度下熱環(huán)境分析

在采取主從控制的群控策略基礎上，對 送風溫度為 18 ℃時，回 風溫度設定值為 25 ℃、26 ℃、27 ℃、28 ℃的四種工況進行了模擬，6#空調(diào)關閉則作為冗余空調(diào)。

通過圖 7 的不同回風溫度下機房溫度分布圖可知，回風溫度設定為25 ℃，26 ℃，27 ℃和28 ℃時，機房的最高環(huán)境溫度分別為 29.3 ℃，30.2 ℃，31.2 ℃，33.5 ℃。回風溫度為28 ℃時，A、B 列機柜的近空調(diào)端開始出現(xiàn)明顯的熱點。從圖7 還可知，無論回風溫度設定為多少，對 于IT 設備密集的A～D 列熱通道，靠 近空調(diào)區(qū)域的溫度普遍要高于遠離空調(diào)區(qū)域的溫度。說明近空調(diào)端地板下的冷空氣流速大，靜 壓小，冷 通道內(nèi)的空氣容易向下倒流，導致供給 IT 設備的風量不足，機 柜的出口溫度升高。

圖7 空調(diào)不同回風溫度下機房0.2 m，1.1 m 和2.0 m 處溫度分布圖

為了更好地評估回風溫度對熱環(huán)境的影響，引 入回風溫度指數(shù) RTI 評價機架周圍氣流組織的良好程度。R TI 標準值為100%，小 于100%說明存在冷空氣旁通的現(xiàn)象，大 于 100%說明存在熱空氣再循環(huán)的情況，RTI 值偏離100%越大說明問題越嚴重。旁 通和再循環(huán)的問題往往同時存在，因 此RTI 反映的是旁通和再循環(huán)的相對嚴重程度。計算見式（2）：

式中：TsupC、TretC為空調(diào)送回風溫度，℃ ；Tinr、Toutr為機柜進出風溫度，℃ 。

不同回風溫度下的機房 SHI 和 RTI 值如表 7 所示。回風溫度越高，S HI 值越大，回 風溫度達到28 ℃時為0.079，超 過未群控下的初始值0.052。R TI 值先接近再遠離100%，在 回風溫度27 ℃時達到最佳值 98.8%。回風溫度越高，空調(diào)送風量和風機需求越低。綜合考慮機房熱環(huán)境和風機能耗，回 風溫度設定為 27 ℃較為合理，機房的最高環(huán)境溫度從29.3 ℃提高到 31.2 ℃，根據(jù)風機需求計算出理想情況下可節(jié)約風機能耗39.5%。因此，適 當提高空調(diào)回風溫度，能 在均勻的機房熱環(huán)境下減小空調(diào)送風量，實 現(xiàn)節(jié)能。

表7 不同回風溫度下機房SHI 和RTI 值

3 結(jié)論

針對重慶某實測數(shù)據(jù)中心各空調(diào)運行參數(shù)不一致，回 風溫度設定值不合理的問題，提 出對機房空調(diào)進行群控，提 高空調(diào)回風溫度設定值的措施，通 過模擬機房熱環(huán)境得出以下結(jié)論：

1）針 對目前機房內(nèi)服務器分布不均、上 架率不高的情況，對 空調(diào)采取主從控制的群控策略，由 主空調(diào)計算出冷量需求，其 余從空調(diào)與主空調(diào)的冷量需求相同。這種群控策略能有效地統(tǒng)一空調(diào)實際回風溫度，使 機房的最高環(huán)境溫度降低3.5 ℃，S HI 值從 0.036 下降到0.005，機 房氣流組織和溫度分布更加均勻，改 善機房熱環(huán)境，提 高冷量利用率。

2）在 群控的基礎上，參 考氣流組織評價指標和機房環(huán)境溫度，在 保證機房熱環(huán)境良好的前提下盡可能提高空調(diào)回風溫度設定值，可以節(jié)省風機能耗。該數(shù)據(jù)中心的空調(diào)推薦設定回風溫度為27 ℃，空 調(diào)風機能耗節(jié)約39.5%。