某模塊化數據中心機房熱工環境的模擬研究

王漢青 蔡攸嬋

1 中南林業科技大學

2 南華大學土木工程學院

3 建筑環境控制技術湖南省工程實驗室

0 引言

隨著國內數據中心市場的快速發展，模塊化數據中心以其高可靠、高效節能和整體快速部署的優勢受到了市場的青睞，模塊化已成為中小型數據中心發展的主流趨勢，在大型數據中心的高密度場景也已大量應用。然而，隨著全球計算機容量的快速增長，近年來，我國數據中心機房的數量也在與日俱增，這直接導致了單機架容量也越來越大，進而整個模塊化數據中心的功耗顯著增大[1]。機柜所要求的散熱能力也越來越高，相比傳統的架空地板送風方式，列間空調在降溫效率方面具有相當大的優勢[2]。

本文通過比較兩種列間空調的布局方式，分析其對室內熱工環境和氣流組織的影響，并以考慮房間溫度標準研究了列間空調所能負擔的最高單機架功耗。

1 機房介紹

本文以某模塊化數據中心機房為研究對象，對機房進行房間級的氣流組織和溫度分布模擬及相應的優化分析。機房尺寸6.0 m×6.0 m×3.5 m（長×寬×高），面積為36 m2。單機柜功耗6 kW，機柜數量12 個，單邊6 個，設備熱密度為174 kW/m2，機房配置列間空調4臺，空調機組的顯冷量為21.7 kW，設計風量為11000 m3/h。

該模塊化數據中心采用機柜面對面布置的方式，冷通道封閉，可減少機房內冷熱氣流的摻混，該數據機房的氣流組織形式為：前送后回，水平送風。數據機房的數據中心設備布局平面圖如圖1 所示。

圖1 數據中心設備布局平面圖

2 模擬研究

2.1 物理模型

本文采用CFD 模擬軟件Fluent 進行模擬，通過Autocad 軟件建立三維數據中心模型，對機房的熱工特性進行模擬分析。根據以下工程資料，建模如圖2所示：

圖2 數據中心設備布局建模三維視圖

1）建模尺寸按照機房實際面積36 m2（6 m×6 m），機房高度為3.5 m，冷通道寬1.2 m，高2.4 m。

2）選用600 mm（寬）×1200 mm（深）×2000 mm（高）的46U 標準機柜，單機柜內放置服務器，服務器之間的間隙以及服務器與機柜之間的間隙添加盲板以防止熱空氣回流。

3）設定空調的出風溫度20 ℃。

4）機房環境溫度設置為24 ℃。

為了便于進行接下來的數值模擬，對以上物理模型作了如下假設[3]：

1）一般來說，機架內服務器的熱流密度受其影響會隨時間發生變化，模型將熱流密度簡化為恒定值。

2）機房內空氣視為不可壓縮的，流動為穩態湍流流動。

3）假設除服務器熱源表面以外，其他表面均為絕熱壁面，不考慮其任何形式的傳熱。

2.2 數學模型

針對本文所建立的三維物理傳熱模型，由于計算涉及流體流動和傳熱傳質等問題，Fluent 中主要利用三大控制方程進行求解，即質量守恒方程，動量方程和能量守恒方程。

由于方程種類較多，為便于對各控制方程進行高效統一分析，采用一種程序對各類方程進行計算求解，可建立各種形式控制方程的通用方程，如果用φ 表示通用變量，式（1）則是上述各控制方程的通用形式及其組成部分：

式中：φ 為通用變量，可代表各控制方程式中的因變量，包括u、v、w、T、k、ε 等；Γ 為廣義擴散系數；S 為廣義源項。

2.3 邊界條件

1）壁面邊界條件：模型中所有壁面設置為無滑移條件，壁面熱流按絕熱處理。

2）進、出風口設定：進風口設置為“velocity inlet”邊界條件，進風速度為4 m/s，進風溫度為20 ℃。出風口設置為outflow 邊界條件。

3）熱源：根據資料中所提供的功耗數據，設置設備表面的平均熱流密度為174 W/m2。

網格采用非結構化網格，并對進、出風口和機架內服務器進行細致的加密，速度和壓力耦合采用SIMPLE 算法。

2.3 模擬結果與分析

本文采用了Fluent 軟件對數據機房內氣流組織情況和熱工特性進行模擬，考察達到穩定狀態后，室內流場和溫度場的分布情況。

2.3.1 溫度場分析

因主要考慮機組運行時對室內溫度場的影響，故這里截取機房內工作人員一般生活高度1.6 m 的水平面來進行模擬結果分析，圖3 為Z=1.6 m 處的水平面溫度分布圖，圖4 為機房中心垂直面X=1.5 m 處的溫度分布云圖。

圖3 Z=1.6 m 處的水平面溫度分布圖

圖4 X=1.5 m 處的溫度分布圖

由溫度云圖可知，在環境溫度為24 ℃時，模塊化數據中心內列間空調不斷進行水平側送風，因冷通道封閉，穩態條件下，冷通道溫度恒定，為20 ℃（送風溫度），有效地避免了冷量損失的問題。冷風由冷通道進入服務器，再進入機房，溫升為3 ℃，機柜背面出風溫度大約在26 ℃左右，熱空氣主要集中在房間上部，在人員主要活動范圍，機房平均溫度為24.68 ℃,規范GB50174-2008《電子信息機房設計標準》[4]中對A/B 級機房的環境運行工況要求為23±1 ℃，故需對該模型的氣流組織進一步優化。

將該工況下機房、服務器、機柜的最高溫度和平均溫度整理得表1。

表1 房間內典型溫度值

2.3.2 速度場分析

圖5 是機房Z=1.6 m 處的水平截面流線圖，由圖可以得知，機房內氣流流動具有對稱性，與空調相鄰的機柜排出的熱空氣相比兩邊機柜的熱空氣更容易被空調回風口吸入，再次進行冷卻循環。然而，由此流線圖也可以看到，此工況下房間和冷通道內都出現了自渦旋的情況，這是氣流組織的一大禁忌，尤其是對于機柜冷卻需求較高的建筑物，無法將冷量充分利用而造成極大的內耗是一種嚴重的損失[5]。故接下來，本文將調整數據中心的列間空調的布局，考慮其對房間和機柜熱工特性及氣流組織的影響，并將其與前者的模擬情況進行對比。

圖5 Z=1.6 m 處的水平面流線圖

2.3.3 主要問題歸納

綜合上述分析可知房間溫度波動不大，但是人員活動主要范圍內的室平均溫度稍高于規范中規定的溫度，且每隔兩臺布置列間空調的方式對氣流冷量導向性并不明確，這是由于各列機柜氣流運動傳熱路徑不同，機柜列中的位置布局在一定的情況下可能會對散熱路徑及熱風運動造成干擾。因此，調整列間空調的布局，最大程度地發揮冷量運輸優勢，并考慮其布局方式對室內熱工特性的影響十分必要。

3 改進方案的模擬研究與對比

3.1 模型改進說明

為緩解上述模擬中出現的問題，本研究在上述模型的基礎上進行了相關調整。具體的進方案：將列間空調AC1 和機柜A2、AC2 和A5、AC3 和B2 及AC4和B5 分別進行位置交換，其他機柜位置保持不變。如圖6 所示。

圖6 改進后的設備布局平面圖

3.2 改進方案模擬結果與對比

3.2.1 溫度場分析

圖7 為經過調整列間空調布局后Z=1.6 m 水平面上的溫度分布圖，由圖可得知，將列間空調擺放在接近列頭的位置會使得機柜周圍溫度分布更加均勻，波動較之前的布局方式要小，室內的溫度也較之前的要更低。

圖7 改進方案Z=1.6 m 的溫度分布圖

將兩種列間空調布局方式的典型溫度的模擬結果整理如表2，進行對比分析。由模擬結果得到在人員活動范圍內，房間平均溫度為23.43 ℃，較前一種布局方式下降了1～2 ℃，并在規范要求之內。同時，服務器的散熱效果也得到了一定程度的提升，在服務器熱量被有效帶走的同時，室內溫度沒有上升，這說明排走的熱量及時地被空調風扇吸入，室內熱環境得到一定程度的優化，接下來對該布局下速度場進行分析，進一步證明室內熱環境優化的主要原因。

表2 房間內典型溫度對比

3.2.2 速度場分析

圖8 為Z=1.6 m 水平截面的流線圖，由圖中可以明顯看到，相比第一種方案，改進方案的氣流組織更加均勻，充分利用了氣流運動進入機柜冷卻設備，自渦旋現象得到減少，這也是服務器溫度得以降低，房間溫度分布均勻的主要原因。

圖8 改進方案Z=1.6 m 處的水平面流線圖

3.3 能耗分析

通過改變模擬的邊界條件，得出了本機房列間空調列頭布置方式所能處理的最大的單機架功耗，圖9為不同單機架功耗下的室內環境最高溫度與室內環境平均溫度。由圖9 可知，在環境溫度為24 ℃，列間空調送風溫度為20 ℃的工況下，以28 ℃作為機房環境溫度的上限，單機架功耗在12 kW 以下均能滿足室內環境溫度的要求，大約在13 kW 時，室內開始有局部溫度大于28 ℃，但平均溫度仍然滿足要求，當功耗達到17 kW 時，室內平均溫度大于28 ℃，該型號列間空調已完全不適用于該機房數據中心的制冷工作。

圖9 不同單機架功耗下的室內環境溫度

因隨著時代的發展，數據處理容量要求越來越高，功耗也隨之增大，而模塊化數據中心造價昂貴，故在最初進行數據機房的設備安裝之前應該對設備功耗進行預估，避免日后要重新更換設備，浪費人力物力。

4 結束語

模塊化數據中心的應用在現階段的數據信息時代越來越廣泛，列間空調作為機房設備制冷的基礎設施其重要性不言而喻，本文對兩種列間空調布局方式在相同的工況下進行了模擬，對比了兩者流線與溫度分布情況，最終得出以下結論：

1）當列間空調在機柜間均勻布置時，氣流組織較為紊亂，冷量未充分利用而造成極大的內耗，從而導致制冷系統的效率降低。

2）當列間空調采用列頭布置的方式時，機柜背面出風口處的溫度分布較為均勻，且服務器、機柜及房間溫度都有所下降，自渦旋現象減少，制冷效率提高。

3）對采用列頭布置方式的數據中心進行能耗分析，本研究采用的列間空調型號在處理單機柜功耗為13 kW 以下的設備時，室內溫度滿足規范要求，在功耗高于13 kW 時，溫度不滿足要求，應考慮更換設備。故在最初進行數據機房的設備安裝之前應該對設備功耗進行預估，避免日后重新安裝。