數據中心機房封閉熱通道模擬分析

田振武，王桂坤，陸曉宇

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

早期的數據中心機柜功耗不大，數據中心氣流組織形式大多借鑒民用建筑中風管和風帽等送風形式。隨著數據中心單機柜功率的不斷提升以及人們對數據中心機房設備特性的深入理解，出現了越來越多個性化的機房送回風方式。目前，國內數據中心的項目中，單機柜功耗絕大多數還是在20 kW以下，采用空氣冷卻技術仍是主流冷卻方式[1]。盡管目前出現了液冷、熱管以及背板等新興制冷技術，改變了數據中心氣流組織形式，給數據中心節能降耗工作帶來了新的方向，但是這些新技術所帶來的設計難度、建設成本以及安裝復雜度等問題也不小[2]。因此，綜合考慮，現階段采用房間級封閉冷熱通道的氣流組織形式仍是大多數機房建設過程的首選方案[3]。封閉冷通道與封閉熱通道兩種冷卻方案各有優缺點，后者可提高制冷設備效率，而且機房運維環境較舒適，得到了諸多專家認可[4]。本文以天津某數據中心實際建設項目為例，對比房間級下送風、房間級風墻送風以及列間空調送風3種封閉熱通道制冷方案的特點。

1 模型簡介

天津某數據中心機房的面積約為500 m2，層高為5.5 m，主梁高度為0.8 m。其中共含172臺機柜，單機柜功耗為8 kW，機房內共11列機柜，每列共16臺機柜（其中立柱占用4臺機柜），單機房發熱量為1 376 kW。根據房間尺寸與機柜功率需求，設計使用彌漫式送風封閉熱通道。冷通道間距為1.5 m，熱通道間距為1.8 m，機房整體布局如圖1所示。

圖1 機房整體布局圖

2 制冷方案

對比房間級下送風、房間級風墻送風以及列間空調送風3種氣流組織形式。為了較為合理地反映3種制冷方案中氣流組織因素對冷卻機柜過程的影響，在模擬過程中，空調運行制冷量保持一致，均控制在1 500 kW。

2.1 房間級下送風

機房兩端空調間內分別設置6臺房間級精密空調，下送風上回風，每臺空調顯熱制冷量為150 kW，額定風量為37 500 m3/h，空調送回風溫度為23/35 ℃。每臺空調下方架空1 m的高度，出風面與空調間隔墻送風孔洞平行，非出風面用盲板封堵，冷風從出風面經隔墻孔洞彌漫至機房內。熱通道封閉至吊頂，熱氣流從熱通道至吊頂上方，再通過吊頂風管至空調回風口。房間級下送風方式整體布局與模擬結果如圖2所示。當機房空調采用冷備份時，空調在運行過程中控制兩臺精密空調關閉，其他10臺空調滿載運行。當機房空調采用熱備份時，所有精密空調的開啟程度均控制在83.4%。

圖2 房間級下送風圖

圖2 （e）和圖2（f）分別是機房精密空調在冷備份和熱備份情況下機柜最大出風溫度，最大出風溫度均能滿足設計要求的35 ℃之下，送風溫度滿足規范要求。兩種冗余備份方案中靠近空調的機柜最大出風溫度略微大于其他機柜，結合送風流可以看出靠近空調位置的送風動壓較大，機柜吸入冷空氣量較少。隨著空調送風不斷向機房內部擴散，進入機柜的風量較為均勻。圖2（c）和圖2（d）分別是機房精密空調在冷備份和熱備份情況下空調使用冷量情況，冷備份時空調使用冷量在88.7%～93.3%，熱備份時空調使用冷量在74%～78%，根據風機轉速與功率的關系并將風量與制冷量視為線性關系，冷備份時所開啟空調風機能耗是熱備份的1.43倍[5]。

2.2 房間級風墻送風

機房兩端空調間內分別設置6臺房間級精密空調，正面送風背面回風，每臺空調顯熱額定制冷量為150 kW，額定風量為37 500 m3/h，空調送回風溫度為23/35 ℃。每臺空調正面一側均為送風口，與空調間隔墻送風孔洞貼合，冷風從出風面經隔墻孔洞彌漫送至機房內。熱通道封閉至吊頂，熱氣流從熱通道至吊頂上方，再通過吊頂風管至空調回風口。房間級風墻送風方式整體布局與模擬結果如圖3所示。

圖3 房間級風墻送風圖

由于風墻送風過程中空調送風面積大，理論上要比一般房間級精密空調彌漫式送風效果好。但是在此項目的模擬過程中，靠近空調位置的一排機柜溫度偏高，兩個機柜最大出風溫度為35.2 ℃，略微超過35 ℃的設計回風溫度，送風溫度滿足規范要求。風墻空調使用量在73.3%～78%，精密空調風機能耗與房間級下送風熱備份方案相當。

2.3 列間空調送風

機房兩端空調間內分別設置55臺列間精密空調，每臺空調顯熱額定制冷量為35 kW，額定風量為8 750 m3/h，空調送回風溫度為23/35 ℃。與房間級冷卻方式相比，機柜數量與單機柜功率不變，在每列機柜中設置列間空調。每個機柜模塊中，列間空調送風面開放，將冷風彌漫送至機房內，冷風經過列間空調附近機柜吸收其熱量，熱氣流進入封閉熱通道之后經列間空調回風面。列間空調采用熱備份，所有精密空調的開啟程度均控制在78%。列間空調送風方式整體布局與模擬結果如圖4所示。

圖4 列間空調送風圖

列間空調送風方案采用空調熱備份的方式，送風溫度滿足規范要求，機柜最大出風溫度均在設計回風溫度35 ℃之下，且回風相對比房間級空調送風均勻度較好。列間空調熱備份下，空調使用冷量均在66.8%～73.7%，房間級空調熱備份時空調風機能耗是列間空調熱備份的1.05倍。

3 結 論

對于單機柜功率8 kW的機柜，封閉熱通道房間級下送風、房間級風墻送風以及列間空調送風方式均能基本滿足機房冷卻設計要求。封閉熱通道房間級彌漫式送風方式在機柜平面布置時，應重視機柜不能離空調出風口過近，否則將影響空調對機柜的冷卻效果。房間級下送風冷備份方案空調風機能耗是熱備份方案的1.43倍，房間級風墻送風方案空調風機能耗與房間級下送風熱備份方案相當，房間級空調熱備份時空調風機能耗是列間空調熱備份的1.05倍。