某數據中心機房方案優化及機柜進風溫度分析

蘇志

同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司

0 引言

隨著我國數據中心建設的迅猛發展，為貫徹落實我國節約資源、保護環境的要求，有關部門于 2015 年發布了 《綠色數據中心建筑評價技術細則》（下稱 《細則》），作為國家標準《綠色建筑評價標準》 GB/T 50378-2014 的補充，旨在推進綠色數據中心的建設。

在數據機房的運行過程中，信息設備的進風溫度與空調送風溫度的差值反映了空調送風與室內熱空氣的摻混程度，同時也反映了冷空氣送到各信息設備的均勻程度。因此 《細則》 中將信息設備的最高進風溫度與空調送風溫度差值列為評分項，作為評價主機房內氣流組織是否合理的依據[1]。《細則》 中 8.2.2 條規定，信息設備最高進風溫度與空調送風溫度之差小于 8 ℃、6 ℃、4 ℃時，分別得6 分、9 分、12 分。

目前國內外已有大量的專家學者對數據機房氣流組織進行了研究，但主要集中在機房的整體環境溫度分布上，對信息設備的最高進風溫度進行評價的文獻較少。本文以上海某銀行新建數據中心為研究對象，通過 6SigmaDC 軟件對其數據機房進行數值模擬，6SigmaDC 軟件主要用于數據中心內部熱環境的 CFD 模擬分析，由于該軟件可對機柜參數進行具體設置，便于對機柜內部氣流狀況進行分析。本文對設計工況下的信息設備的最高進風溫度情況進行了分析，旨在為類似項目的綠色數據中心設計評分提供參考依據。

1 數據機房模型

本文的研究對象為某銀行新建數據中心，項目位于上海市浦東新區。該項目包括數據中心及辦公大樓 兩棟單體建筑，其中數據中心大樓為 4 層建筑，在 2～4 層共設有7 間標準數據機房。每間標準數據機房均為矩形平面，面寬 17.00 m，進深 30.20 m，位于建筑的中心區域，各數據機房均為內區房間。項目按國家 A 級數據機房標準設計[2]。根據A 級數據機房設計標準以及銀行對數據機房的可靠性要求，本項目按冷通道送風溫度18 ℃、相對濕度50%設計。

由于本項目單個數據機房面積較大，該尺度的數據機房較常見的布置形式為雙側布置空調設備，但設計時發現該方案難以避免在數據機房區域出現結構立柱，如圖1 所示。結構立柱不但影響機柜布置，也容易在架空地板中產生局部繞流，影響空調的氣流組織。因此為了確保主機房區域無結構立柱，與土建專業協作優化了柱網間距，改為采取單側縱向設置空調機房的形式，通過本次模擬驗證同時也可以驗證該跨度下單側送風的可靠性。最終的數據機房平面如圖 2 所示。由于所有機房布置相同或鏡像布置，因此僅選取二層西側數據機房為例進行模擬分析。

圖1 數據機房方案平面圖

圖2 數據機房優化后平面圖

每個標準機房內共有10 排機柜，每排由 14 個機柜組成，共 140 個服務器機柜。根據銀行數據中心機柜主要為服務器機柜的特點，機柜均按 1U 服務器設計，單個 1U 服務器功率100 W，每個機柜功率按限額 4 kW 設置，每個機柜的尺寸為深 1.2 m×寬 0.6 m×高 2 m。根據機房負荷，每個機房設置7 臺冷凍水型恒溫恒濕精密空調（6 用 1 備），單臺空調制冷量 100 kW，風機送風量25000 m3/h，輸入功率10.2 kW。

數據機房采用下送上回的送風方式。送風經架空地板進入冷通道，從設備正面進風，后出風。房間無吊頂，熱氣流自由回流到空調回風口。冷通道的寬度是 1.8 m，相對的兩臺機架之間為 3 塊穿孔地板拼接而成，每塊地板的尺寸為 0.6 m×0.6 m，熱通道的寬度是 1.2 m，架空地板的高度是0.8 m。冷通道封閉已被證實是改善機房熱環境的有效手段[3]，因此本次模擬考慮冷通道封閉以及冷通道不封閉兩種情況，比較兩種氣流組織對信息設備進風溫度的影響。兩種情況下數據機房內的氣流組織形式如圖3 所示。

圖3 機房氣流組織示意圖

最終建立的模擬模型如圖4 所示。根據數據機房及模型的特點，本次模擬計算方法采用標準的k-ε雙方程模型。

圖4 數據機房模型

2 模擬結果與分析

本次模擬分別對冷通道封閉以及冷通道不封閉兩種情況的室內溫度場、速度場、信息設備進風溫度進行分析。

2.1 冷通道不封閉情況

圖5 和圖6 所示分別為冷通道不封閉情況下，距離架空地板1 m 高處的水平溫度場和速度場云圖。圖 7 和圖8 所示為數據機房縱向剖面的溫度場和速度場云圖。從模擬結果可以看出，在送風溫度為 18 ℃的條件下，不封閉冷通道時，冷通道溫度在 18～21 ℃區間內，熱通道距離地面1 m 以下的溫度在24 ℃左右，距地面1 m 以上的溫度在27～30 ℃，冷通道上部有冷空氣溢流的情況。架空地板下風速1～2 m/s，冷通道的氣流速度在 0.5～1 m/s 區間內，熱通道氣流速度約在 0.3～0.6 m/s 區間內，上部回風區速度最大處可達 1 m/s。

圖5 距地1 m 高度處溫度分布圖（冷通道不封閉）

圖6 距地1 m 高度處速度分布圖（冷通道不封閉）

圖7 數據機房剖面溫度分布云圖（冷通道不封閉）

圖8 數據機房剖面速度分布云圖（冷通道不封閉）

分析溫度場和速度場可以得到，室內無結構立柱時，即使不封閉冷通道，單側空調送風在 17 m 跨度時仍可以保持較為均勻的送風速度，并獲得良好的溫度場，且該工況下冷通道溫度可以滿足國家A 級數據機房對冷通道溫度的要求18～27 ℃[2]。

對各設備機柜的進風溫度進行分析，根據軟件統計，進口溫度最高的機柜位于數據機房南側第一排，圖 9 所示為第一排機柜的設備進口溫度剖面圖。從圖中可以看出，雖然機柜的大部分區域進風溫度與冷通道溫度接近，但部分機柜的上部進風溫度較高，溫度最高的設備位于機柜最上兩層，進口溫度最高為 29.1 ℃。圖10 為進口溫度最高機柜的示意圖，可看出設備機柜進風溫度。根據統計結果，無封閉冷通道的情況下，機柜最大進口溫度 29.1 ℃與送風溫度 18 ℃溫差為 11.1 ℃，大于 8 ℃，因此不能滿足 《細則》 中 8.2.2 評分項的得分要求。

圖9 第一排機柜進口溫度剖面圖（冷通道不封閉）

圖10 進口溫度最高機柜示意圖（冷通道不封閉）

分析上部區域信息設備進風溫度過高的原因，在冷通道未封閉時，冷通道上部存在冷空氣溢流的情況，導致信息設備上部冷空氣的進風量不足，同時，機柜上部靠近熱空氣回流區，部分熱空氣倒被吸入機柜，導致部分信息設備進風溫度升高。

2.2 冷通道有封閉情況

圖11 和圖 12 所示分別為冷通道封閉情況下，距離架空地板1 m 高處的水平溫度場和速度場云圖。圖 13 和圖14 所示為數據機房縱向剖面的溫度場和速度場云圖。從模擬結果可以看出，在送風溫度為 18 ℃的條件下，封閉冷通道時，冷通道溫度在 18～19 ℃區間內，熱通道距離地面1 m 以下的溫度在24 ℃左右，距地面1 m 以上的溫度在27～30 ℃區間內，冷通道的氣流速度在 0.5 m/s 左右，熱通道氣流速度約在 0.4～ 0.6 m/s 區間內。

圖11 距地1 m 高度處溫度分布圖（冷通道封閉）

圖12 距地1 m 高度處速度分布圖（冷通道封閉）

圖13 數據機房剖面溫度分布云圖（冷通道封閉）

圖14 數據機房剖面速度分布云圖（冷通道封閉）

分析溫度場和速度場可以得到，封閉冷通道后，數據機房的室內溫度場相比較冷通道不封閉時更均勻，冷通道內的溫升幾乎可以忽略，冷通道內平均溫度及平均速度均低于未封閉冷通道的情況。冷通道封閉的情況冷通道內送風溫度同樣滿足國家 A 級數據機房的要求。

對各設備機柜的進風溫度進行分析，根據軟件統計，進口溫度最高的機柜位于數據機房南側第二排，圖 15 所示為第二排機柜的設備進口溫度剖面圖。從圖中可以看出，除端部的兩臺設備外，其余所有機柜的進風溫度都與冷通道溫度接近，端部兩臺設備的最高進風溫度位于機柜最上兩層，進口溫度最高為 18.6 ℃。圖 16 為進口溫度最高機柜的示意圖，可看出設備機柜進風溫度。可以看出在封閉冷通道的情況下，機柜最大進口溫度18.6 ℃與送風溫度 18 ℃溫差僅為0.6 ℃，小于4 ℃，按 《細則》 中 8.2.2 評分項的得分要求，在綠色數據中心建設中可得12 分。

圖15 第一排機柜進口溫度剖面圖（冷通道封閉）

圖16 進口溫度最高機柜示意圖（冷通道封閉）

分析端部兩臺設備進風溫度略微升高的原因，主要是端部設備的上方處于冷通道封閉結構的角落，氣流組織容易產生渦流，導致設備進風量受到影響。但冷通道的封閉杜絕了冷空氣溢流和熱空氣摻混的問題，有效的解決了設備進風溫度上部過高的問題。

3 結論及展望

根據 《細則》 中 8.2.2 評分項，需要對信息設備的最高進風溫度與空調送風溫度之差進行評價。上海某銀行新建數據中心單個機房面寬 17.00 m，進深 30.20 m，采用單側空調送風的形式。本文采用CFD 模擬軟件對該項目進行了數值模擬，從模擬的結果可以看出：

1）數據機房采用單側空調下送風在 17 m 跨度時可以保持較為均勻的送風速度，并獲得良好溫度場。

2）在冷通道送風溫度 18 ℃、相對濕度 50%的設計參數下，冷通道不封閉時也可滿足國家 A 級數據機房對冷通道溫度的要求，但大部分機柜存在上部兩層服務器進風溫度過高的情況，信息設備最高進風溫度與送風溫度之差大于 8 ℃，無法滿足 《細則》 8.2.2 的評分標準，不利于綠色數據中心的綜合評分。

3）在冷通道送風溫度 18 ℃、相對濕度 50%的設計參數下，冷通道封閉可有效減少空調送風與室內熱氣流的摻混，使空調送出的冷空氣更直接有效的到達設備進風口處，所有設備均不存在服務器進風溫度過高的情況，冷通道封閉時信息設備最高進風溫度與送風溫度之差小于4 ℃，可滿足 《細則》 8.2.2 的最高評分標準，有利于綠色數據中心的綜合評分。

基于上述分析，在綠色數據機房的建設中，冷通道封閉可以作為獲得評分的有效手段，也有利于機房服務器運行時散熱。本項目由于銀行數據中心對于設備運行可靠性提出了較高的要求，送風溫度按 18 ℃設計，但從模擬結果可以看出在冷通道封閉時，設備最高進風溫度僅為19 ℃，適當提高送風也可確保設備的溫度運行，具備提高送風溫度以實現節能的可行性，后續研究中可研究提高送風溫度對《細則》 8.2.2 評分項的影響，以推進綠色數據機房的建設。