特殊空間高密度機房制冷解決方案

謝靜

上海郵電設計咨詢研究院有限公司

0 引言

5G 時代隨著物聯網、云計算、人工智能等技術的迅猛發展，數據處理需求巨大增長，極大地帶動了高密度機房的建設和發展[1]。受限于建設條件，有相當數量的高密度機房是利用既有建筑進行改建的[2]，在既有建筑結構條件下，如何進行充分的有效冷卻，確保高密度機房的安全運行，是亟待深入探討和解決的問題[3]。

對于單機柜功率10 kW 高密度機房，通常采用液冷、背板空調、列間空調等就近制冷方式[4-6]，項目受限于既有建筑上下二層的特殊空間結構形式，需另辟蹊徑尋求新的解決途徑。本文嘗試借助CFD 軟件對流體進行數值計算和仿真模擬，優化機房氣流組織，采用房間級專用空調解決高密度機房的制冷問題。

1 機房介紹

項目為上下二層鋼結構既有建筑，一層高度3.8 m，二層高度4.2 m，一、二層間為鋼格柵地板，因自身條件制約，建筑不具備加固條件。一層滿足設備承重，但高度偏低無法安裝2.2 m 高機柜。二層高度滿足機柜安裝條件，但地板無法承受電池設備重量，且一、二層間無法實現各自密閉。結合既有建筑的特殊空間特點，將一層規劃為設備間，設有敷設各類管線的架空地板，其上放置房間級專用空調、電池設備，二層規劃為高密度機房，機柜放在鋼格柵地板上。建筑3D 模型詳見圖1。

圖1 建筑物3D 模型

二層高密度機房面積約275 m2，含三個模塊，共計104 個機柜、6 個UPS、6 個PDU，單機柜功率10kW。機柜采用背靠背、面對面的布置方式，機柜間形成冷、熱通道，非冷、熱通道處用靜電地板進行密封。單模塊最大機柜數36 個，IT 設備發熱量360 kW，UPS發熱量36 kW，圍護結構冷負荷35 kW，單模塊冷負荷為360+36+35=431 kW，考慮10%冷量損失，單模塊空調冷負荷為431 kW×1.1=475 kW。一層設備間單模塊配置冷凍水房間級專用空調6 臺，用5 備1，單臺空調制冷量為100 kW，冷凍水供回水溫度為17/23 ℃，送風溫度在18～27 ℃[7]。二層高密度機房布置詳見圖2。

圖2 二層高密度機房布置圖

2 機房氣流組織模擬

2.1 氣流組織方案

為確保機柜冷量需求及有效減少冷、熱氣流摻混，采用冷通道封閉，氣流組織形式為上送側回式[8]。一層空調送風經靜壓箱進入封閉冷通道，對二層的高密度機柜進行制冷，冷風經機柜后溫度升高，熱風由于負壓作用，由機柜背面回到一層空調回風口。

2.2 模型建立

采用CFD 模擬軟件6SigmaRoom，建立三維模型，對機房的熱工特性進行分析[9]。通過機房垂直送、回風速度場及溫度場分布來分析空調系統制冷效果。

1）建模尺寸按照機房面積275 m2（18.0 m×15.3 m），一層高度3.8 m，二層高度4.2 m。機柜采用背靠背、面對面的布置方式，封閉冷通道，冷、熱通道間距均為1.8m，冷、熱通道鋼格柵網開孔率為75%。

2）機柜尺寸600 mm（寬）×1200 mm（深）×2200 mm（高），機柜內服務器均勻布置，功率為10 kW。機柜前、后門為網孔門，開孔率68%，間隙處加盲板以防止熱空氣回流，考慮盲板泄漏率為5%。

3）UPS 尺 寸1200 mm（寬）×1200 mm（深）×2200 mm（高），功率均勻分布。PDU 設置為空機柜，考慮縫隙泄露。

4）空調尺寸為2100 mm（寬）×900 mm（深）×1900 mm（高），制冷量為100 kW,風量為28000 m3/h，送、回風口尺寸為2000 mm（長）×800 mm（寬）。

5）空調采用送風溫度控制，設定送風溫度19±1 ℃。冷通道外環境溫度為設定值32±1 ℃，室外屋頂溫度設定為45±1 ℃。

初步方案為空調分開布置，每個模塊內6 臺專用空調正常運行。初步方案詳見圖3～圖5。

圖3 初步方案空調布置圖

圖4 初步方案送風立面圖

圖5 初步方案氣流組織剖面圖

2.3 求解控制

求解計算采用標準的κ-ε 湍流模型。軟件選用已標定的殘差來控制求解方程的收斂精度，模擬時各計算殘差曲線都收斂于1，代表各參數值趨于穩定[10]。

2.3.1 速度場分布

通過CFD 模擬分析機房內速度場分布。機柜不同高度速度分布差異較大，空調靜壓箱內氣流紊亂，風速偏高，箱內最高速度達到9m/s。速度場分布詳見圖6。

圖6 初步方案速度場分布

2.3.2 溫度場分布

風量、風速對氣流的作用都會反映到溫度場分布上，機房適宜的溫度環境是保證服務器正常運行的關鍵，所以溫度場的分析研究對改善機房氣流組織能進行有效地指導，通過CFD 模擬分析機房內溫度場分布。空調平均送風溫度19 ℃，平均回風溫度28 ℃，靠近二層頂部出現了33～39 ℃高溫層，高溫層厚度為1.0 m。溫度場分布詳見圖7。

圖7 初步方案溫度場分布

2.3.3 氣流組織分析

一層高度3800 mm，其中梁高850 mm，架空地板高度600 mm，空調及其風管高度2100 mm，靜壓箱高度為3800-850-600-2100=250 mm，靜壓箱高度過小，導致箱內氣流混亂，最大風速高達9 m/s，局部出現紊流。高風速帶來送風系統高壓損，冷通道靜壓不足，風速衰減嚴重，二層頂部空氣流動性差，出現超過35 ℃高溫層。

高密度機房出現了送風氣流紊亂，局部溫度過高問題。

2.4 氣流組織優化

空調制冷量滿足高密度機房冷負荷要求，風系統壓損大，機房風量不足導致氣流組織不理想，出現頂部熱量積聚現象。減少風系統壓損，要改變空調靜壓箱高度過小、箱內氣流混亂現象。調整空調布置形式，充分利用現有空間的結構特性，對初步方案的氣流組織進行改進，增大靜壓箱高度，降低箱內風速。

2.4.1 改進方案——調整空調布置形式

采用改進方案——調整空調布置形式，空調由分開布置調整為背靠背布置。充分利用梁間高度空間850 mm，將靜壓箱高度由原250 mm 提高250+850=1100 mm，靜壓箱高度顯著提高。改進方案為空調背靠背布置，每個模塊內6 臺專用空調正常運行。改進方案詳見圖8～圖10。

圖8 改進方案空調布置圖

圖9 改進方案送風立面圖

圖10 改進方案氣流組織剖面圖

通過CFD 模擬對比分析機房內速度場及溫度場變化。整體風速相對穩定，減少了風系統的壓損，冷、熱通道內壓力較均衡。空調靜壓箱內速度由9 m/s 降至4 m/s，機柜不同高度速度分布差異減小。速度場分布詳見圖11。空調平均送風溫度19 ℃，平均回風溫度28 ℃，在靠近二層頂部熱量積聚高溫層減薄，溫度范圍為32～34 ℃，較初步方案下降5 ℃。溫度場分布詳見圖12。

圖11 改進方案速度場分布

圖12 改進方案溫度場分布

2.4.2 改進方案氣流組織分析

改進方案——調整空調布置形式，空調背靠背布置從根本上解決了靜壓箱高度過小、箱內氣流混亂問題，減少了風系統壓損，靜壓箱內氣流回歸到合理的速度，箱體對送風氣流起到了穩流、均壓作用，提高了冷通道靜壓，機柜不同高度風速分布更均勻。風系統壓損降低，加強了整個空間空氣流動性，二層頂部高溫層厚度明顯減小、溫度降低。高密度機房氣流組織得到了顯著改善，但二層頂部仍存在薄層的高溫帶。

建筑上下二層鋼結構特殊空間，循環空間遠大于地板式送風、彌漫式送風等氣流組織形式，對循環風量要求較高。專用空調一般選用直流無刷免維護型EC 風機，受空調自身空間限制，均為標配產品，對其選型很難進行調整。在初步方案溫度場分布二層頂部出現了1.0 m 厚高溫層，改進方案降低了風系統壓損，氣流組織得到了顯著改善，二層頂部高溫層減薄、溫度下降，但高溫帶仍舊清晰可見，說明專用空調自身配備的風機壓力是無法滿足大空間循環風量要求的，只有新增循環風機，對專用空調風機的循環動力進行補充，對改進方案進行完善，提高整個空間的空氣流動性，才能避免局部熱量積聚，消除二層頂部高溫層。

2.4.3 完善方案——新增循環風機

充分利用建筑上下二層鋼結構特殊空間，在一、二層間鋼格柵地板主梁下，吊裝布置若干數量的EC 風機，新增風機處于機柜背面的排風熱通道，氣流方向由熱通道進風，排風至專用空調回風口上部，與專用空調風機形成接力，提高整個大空間的氣流擾動，力爭消除頂部高溫層。完善方案為空調背靠背布置，每個模塊內6 臺專用空調正常運行，并在一層頂吊裝若干數量的EC 風機。完善方案詳見圖13、圖14。

圖13 EC 風機布置圖

圖14 EC 風機布置剖面圖

通過CFD 模擬對比分析機房內速度場及溫度場變化。冷、熱通道內壓力更為均衡，機柜不同高度速度分布差異減小，空調靜壓箱內速度由背靠背布置4/s提高至4.8 m/s，空調系統風量整體增加，EC 風機處風速超過8 m/s，速度場分布詳見圖15。空調平均送風溫度18 ℃，平均回風溫度28 ℃，靠近二層頂部熱量積聚高溫帶基本消失，溫度范圍為27～30 ℃，較改進方案下降4～5 ℃，溫度場分布詳見圖16。

圖15 完善方案速度場分布

圖16 完善方案溫度場分布

完善方案——新增循環風機，空調循環動力增加，加大了空調送、回風量，整個空間風量增加，加強了空氣流動性，二層頂部高溫帶基本消失、溫度下降，機房氣流組織良好，無局部熱點，滿足高密度機房安全運行要求。

通過CFD 模擬對比分析機房內速度場及溫度場變化，制冷方案經歷了初步確定、改進提升、優化完善三個階段，最終確定采用完善方案作為高密度機房實施方案。

2.5 效果評價

按照完善方案，每個模塊配置6 臺冷凍水空調，3個模塊在一層設備間安裝30 臺冷凍水空調，布置方式為背靠背，冷凍水空調的管道、閥門等配件敷設于一層架空地板內，架空地板下設有排水口、應急泄水口及地濕告警裝置，確保內部無積水。空調及蓄電池安裝于架空地板上，在一層頂鋼格柵地板主梁下吊裝60臺EC 風機，吊裝風機總風量與空調設備總風量基本接近。

項目施工自2019 年3 月起，歷時8 個月完成，并進行了為期15 天的假負載測試。經假負載測試，各項指標均符合高密度機房運行要求，確定高密度機房可以投入使用。

高密度機房2020 年5 月投入使用，至今運行情況良好，各項指標正常。

3 結論

通過對該特殊空間高密度機房熱工性能的模擬，針對機房氣流混亂、部分區域風量不足和局部熱點等問題，通過CFD 模擬對比分析機房內速度場及溫度場變化，調整空調布置形式、提高循環風量，對高密度機房氣流組織進行了優化完善，得出如下結論：

1）特殊空間高密度機房氣流組織有別于常規建筑，采用CFD 軟件模擬預測室內空氣分布情況，對機房速度、溫度等物理量進行評估，有針對性的進行氣流組織優化，是解決特殊空間高密度機房制冷問題行之有效的方法。

2）在既有特殊空間建筑內建設高密度機房，要根據其空間特點，充分利用現有條件合理布置設備及配件，要敢于打破常規思維模式，因地制宜地選擇制冷解決方案，經過嚴謹的評估及深入的研究，在某些特殊空間采用房間級專用空調是可以解決單機柜功率10 kW高密度機房制冷需求。

3）特殊空間建筑因其空間屬性，當專用空調制冷量滿足機房冷負荷需求，模擬中卻出現熱點時，可能存在多方面的原因。進行氣流組織優化，提高冷量利用率是解決熱點問題的方向之一。