數(shù)據(jù)機(jī)房氣流組織模擬研究

李雅寧，劉 斌，韓成付，張仁玉

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著信息化社會(huì)的迅猛發(fā)展，電子信息設(shè)備的功率密度不斷提高，對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房的氣流組織要求也越來越高，需要更加良好的氣流組織來降低IT設(shè)備溫度，從而保證IT設(shè)備正常運(yùn)行，同時(shí)降低制冷設(shè)備的耗電量，進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)中心的電能利用效率（Power Utilization Efficiency，PUE），逐步向綠色高效、低碳環(huán)保的數(shù)據(jù)中心邁進(jìn)。本文通過采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬軟件6simaRoom對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)的氣流組織進(jìn)行模擬研究，分析泄漏率、IT設(shè)備規(guī)格等不同因素對(duì)氣流組織的影響規(guī)律，為實(shí)際工程建設(shè)及運(yùn)行提供一定的參考[1]。

1 建立模型

1.1 模型建立條件

本文選用某大型數(shù)據(jù)中心的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)房作為研究對(duì)象，機(jī)房平面圖如圖1所示。空調(diào)送風(fēng)方式為彌漫送風(fēng)，熱通道封閉吊頂回風(fēng)，機(jī)組送風(fēng)經(jīng)過送風(fēng)靜壓箱，由送風(fēng)隔墻上的送風(fēng)百葉送至機(jī)房?jī)?nèi)。設(shè)定空調(diào)AHU-08為故障狀態(tài)，機(jī)房三維模型圖如圖2所示。

圖1 機(jī)房平面示意圖

模型的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)條件如表1所示。

機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)柜布置條件如表 2 所示。

表2 機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)柜布置輸入條件

空調(diào)設(shè)備設(shè)置條件如表 3 所示。

表3 空調(diào)設(shè)備輸入條件

1.2 求解控制

在不影響模擬準(zhǔn)確性的情況下，為了簡(jiǎn)化模型，對(duì)需要建立的數(shù)值模型做以下簡(jiǎn)化。

（1）流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流，采用標(biāo)準(zhǔn)K-ε湍流模型，各參數(shù)殘差都收斂于1，代表各參數(shù)值穩(wěn)定[2]。

（2）模型墻體、地板均視為絕熱材料，室內(nèi)不設(shè)門窗，封閉性良好，室內(nèi)外無熱交換。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 機(jī)柜不同漏風(fēng)率對(duì)氣流組織的影響

為了研究不同漏風(fēng)率對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)氣流組織的影響，本文共設(shè)置了0%（沒有泄漏）、5%（典型小縫隙）、10%（大縫隙）3種不同漏風(fēng)率。圖3、圖4、圖5分別為不同泄漏率下各IT設(shè)備進(jìn)口最大溫度值。可以看出，無泄漏時(shí)，機(jī)柜進(jìn)口溫度均為25 ℃左右，滿足《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174—2017）中進(jìn)口溫度保持在25～27 ℃的要求。當(dāng)泄漏率分別增加至5%、10%時(shí)，絕大部分IT設(shè)備的進(jìn)口溫度仍然能保持在25 ℃左右，但是距離進(jìn)風(fēng)隔墻最近的第1個(gè)機(jī)柜（下文中稱為首機(jī)柜）及個(gè)別尾部機(jī)柜的IT設(shè)備進(jìn)口最大溫度明顯過高，具體數(shù)值如表4所示。

圖3 IT設(shè)備最大進(jìn)口溫度（0%泄漏率）

圖4 IT設(shè)備最大進(jìn)口溫度（5%泄漏率）

圖5 IT設(shè)備最大進(jìn)口溫度（10%泄漏率）

由表4可以看出，隨著泄漏率的增加，首機(jī)柜IT設(shè)備進(jìn)口最大溫度不斷升高，出口溫度呈現(xiàn)相同變化規(guī)律。5%、10%泄漏率下部分IT設(shè)備對(duì)應(yīng)的進(jìn)口溫度不滿足《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174—2017）的要求。

表4 不同泄露率下IT設(shè)備最大進(jìn)出口溫度

不同泄漏率下對(duì)應(yīng)的空調(diào)使用情況如表5所示。可以看出，無論何種泄漏率下，空調(diào)的冷量使用率均小于100%，表明空調(diào)的冷量均是足夠的。其中，AHU-01、AHU-05、AHU-06空調(diào)的冷量使用率隨著泄漏率的增加而明顯變大。其余空調(diào)的冷量使用率相差不大。這也說明了部分空調(diào)的能耗隨著泄漏率的增加而增加。

表5 不同泄漏率下對(duì)應(yīng)的空調(diào)使用情況

在工程建設(shè)中，需要對(duì)盲板的封堵、四面的擋板、安裝導(dǎo)軌等容易產(chǎn)生縫隙之處做精細(xì)處理，完善封堵工藝。在實(shí)際的運(yùn)行中，應(yīng)加大檢查檢測(cè)頻率和力度，力爭(zhēng)將機(jī)柜泄漏率降至最低。保證IT設(shè)備在合適的溫度下安全可靠的運(yùn)行，并最大化地降低空調(diào)設(shè)備耗電。

2.2 不同IT設(shè)備規(guī)格對(duì)氣流組織的影響

本文在5%（典型小縫隙）的泄漏率條件下，控制單機(jī)架功耗7 kW不變，分別選取1U、2U、4U、7U這4種不同規(guī)格的IT設(shè)備填充于機(jī)柜中，分析對(duì)比其對(duì)溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)的影響規(guī)律。不同規(guī)格的IT設(shè)備對(duì)應(yīng)的機(jī)柜填充模型如圖6所示，每個(gè)機(jī)柜均為42U的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，空槽位封閉處理。

圖6 不同規(guī)格IT設(shè)備的機(jī)柜填充模型圖

機(jī)房?jī)?nèi)氣流的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)是否合理最終將在IT設(shè)備的進(jìn)出口溫度中體現(xiàn)，如圖7所示為不同規(guī)格IT設(shè)備的最大進(jìn)口溫度。

圖7 不同規(guī)格IT設(shè)備的最大進(jìn)口溫度圖

由圖7可以看出，無論IT設(shè)備規(guī)格如何變化，大部分IT設(shè)備的最大進(jìn)口溫度均在25 ℃左右，只有首機(jī)柜及個(gè)別尾部機(jī)柜出現(xiàn)溫度過高現(xiàn)象。隨著IT設(shè)備的規(guī)格從1U向7U變化，超溫IT設(shè)備的數(shù)量不斷減少，進(jìn)口最大溫度值也在不斷降低。具體的最大進(jìn)口溫度和最大出口溫度值如表6所示。表6表明IT設(shè)備為1U時(shí)，最大進(jìn)口溫度為27.3 ℃，超過27 ℃，不滿足規(guī)范的要求。而當(dāng)IT設(shè)備為2U、4U、7U時(shí)，進(jìn)口溫度均低于27 ℃，均在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。隨著IT設(shè)備規(guī)格的不斷增大，設(shè)備最大進(jìn)口溫度和最大出口溫度均不斷降低。

表6 不同IT設(shè)備規(guī)格的最大進(jìn)出口溫度 單位：℃

以上結(jié)果表明，在實(shí)際工程建設(shè)前期，應(yīng)根據(jù)機(jī)柜中填充的IT設(shè)備規(guī)格的不同進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，針對(duì)不同IT設(shè)備規(guī)格，調(diào)整IT機(jī)柜、空調(diào)設(shè)備、送風(fēng)隔墻、送風(fēng)口等的布置方式。優(yōu)化氣流組織，保證IT設(shè)備進(jìn)出口溫度保持在合理、合適的范圍內(nèi)，保證設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

3 結(jié) 論

數(shù)據(jù)機(jī)房的氣流組織對(duì)IT設(shè)備是否能夠安全可靠地運(yùn)行有著決定性的作用，而數(shù)據(jù)機(jī)房氣流組織受到多種因素的影響。本文針對(duì)其中的2種因素，即漏風(fēng)率和IT設(shè)備規(guī)格，進(jìn)行分析研究。得到以下結(jié)論。

（1）單側(cè)彌漫送風(fēng)，封閉熱通道，吊頂回風(fēng)的氣流組織中，首機(jī)柜中的IT設(shè)備最大進(jìn)口溫度過高，容易出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。

（2）隨著泄漏率的增加，首機(jī)柜中IT設(shè)備的進(jìn)口最大溫度不斷升高，出口溫度呈現(xiàn)相同變化規(guī)律。

（3）隨著IT設(shè)備規(guī)格的不斷增大，首機(jī)柜中IT設(shè)備的最大進(jìn)口溫度和最大出口溫度均不斷降低。