數據中心機房氣流組織優化分析

牛婷婷，蓋東興*，李振財

（1-武漢工程大學光電信息與能源工程學院、數理學院，湖北武漢 430205；2-北京云泰數通互聯網科技有限公司，北京 101102）

0 引言

隨著信息技術的磅礴發展和信息化進程的不斷深入，數據中心的建設和發展也面臨著新的機遇和挑戰。伴隨著全球每年產生的數據量的成倍增長，數據中心的規模在不斷擴大，所需要的能耗也在不斷上升[1-2]。數據中心能耗問題日益嚴峻[3]，如何降低數據中心能耗，尤其是冷卻系統的能耗，實現數據中心的綠色發展，已成為業界關注和突破的焦點[4-5]。

數據中心的能耗主要由信息技術（Information Technology，IT）設備、配電系統和空調系統三部分構成[6]，其中除IT 設備外，空調系統的能耗占比最高[7]，約占數據中心總能耗的40%[8-9]。數據中心IT 設備運行時會產生大量的熱能使機房溫度升高，因此需要一直供冷，既要選擇合適的空調系統，使機房能耗不至于過高[10]，又要保持適宜的室內溫度使設備安全穩定運行[11]。而氣流組織是影響熱環境的主要因素[12]，合理的氣流組織形式不僅可以最大效率的利用冷空氣，避免冷熱空氣混合造成的能耗浪費，還可以避免機房內局部過熱而影響設備的正常運行[13]。因此，優化機房的氣流組織具有較大的節能潛力，并且能夠有效消除局部熱點[14]。

CFD 數值模擬被廣泛應用于數據中心氣流組織的模擬分析優化[14-18]，通過CFD 模擬軟件對數據中心機房進行模擬，可以預測分析機房內的熱環境和氣流組織情況，根據模擬結果設計合理的優化方案，以提高空調系統冷量利用率，避免設計不合理而引起的局部熱點等問題，對數據中心的節能減排有重要的意義。

1 機房模型建立

1.1 模型可靠性驗證

為了驗證模型的準確性，在機房冷熱通道內選取30 個點進行了溫度測量，測點的位置距離架空地板的高度為1.5 m。圖1 所示為測量值與模擬值的溫度對比，總體而言測量值與模擬值有相同的變化趨勢，不同位置服務器之間的出口溫差較大，原因是實際機房內各機柜功率差別較大，在送風溫度基本相同時，機柜出口溫度由機柜功率主導。

圖1 模擬值與實測值溫度對比

由圖1 可知：模擬結果與測量結果有一致的變化趨勢，且在數值上最大偏差溫度為6 ℃，在正常偏差范圍20%以內，因此可認為本文所建立的數據中心CFD 模型具有一定的準確性和可靠性，可以用于實際工程的模擬分析。

1.2 模型建立

本文研究的數據中心機房面積為 304.7 m2（20.45 m×14.9 m），機房層高5.3 m，機房空調間內布置6 臺制冷量為160.8 kW 的冷凍水型精密精密空調，采用4 用2 備的運行方式，每臺空調最大送風量為35 400 m3/h，送風溫度設置為21 ℃。機房內選用600 mm（寬）×1 100 mm（深）×2 200 mm（高）的47U 標準機柜，為減少冷熱氣流摻混，機柜采用背對背、面對面擺放形式，機柜內放置IT設備。機柜總數量為131 個，單機柜電力限額4 kW。機房采用機架下送風，下送上回的送風方式，架空地板高度為800 mm，尺寸為600 mm×600 mm。3種氣流組織如圖2 所示。

圖2 機房氣流組織

冷通道封閉已被證實是改善機房熱環境的有效措施[20]，因此，利用冷通道封閉技術，可以將機房中的冷熱空氣進行隔離，減少冷熱空氣的摻雜，讓冷空氣能夠有效的對設備進行降溫，提高冷量利用率。數據中心原機房采用機架下送風模式，針對原機房氣流組織形式，設計了機架下送風+冷通道封閉和地板送風+冷通道封閉的氣流組織形式，模擬研究3 種不同氣流組織形式對環境溫度的影響。

本次模擬計算方法選用標準的k-ε模型，數值模擬基于連續性方程、能量方程、動量方程。模擬軟件采用殘差值為1，當殘差接近于1 且沒有震蕩的趨勢時，表明收斂效果較好，溫度、壓力、速度等物理量計算值趨于穩定。

2 模擬結果與分析

本次模擬分別對3 種不同氣流組織形式下的機房室內溫度場、流場進行分析。

2.1 溫度場分析

機房內適宜的溫度環境是保證服務器設備正常運行及數據中心節能的關鍵，通過對機房溫度分布的分析，可以指導機房氣流組織的優化[21]。根據模擬結果分別選取距地板0.2、1.0 和1.8 m 三個不同高度的機柜頂部截面進行對比分析。三個高度截面的溫度分布云圖如圖3～圖5 所示。

圖3 距地面0.2 m 高度截面溫度分布

圖4 距地面1 m 高度截面溫度分布

圖5 距地面1.8 m 高度截面溫度分布

由圖3～圖5 可知：在距地板0.2、1.0 和1.8 m三個不同高度上，地板下送風＋冷通道封閉方案的氣流組織相比較另外兩種氣流組織而言，低溫區域稍多，高溫區域略少，同時冷通道內溫度分布均勻且都在24 ℃左右，整體送風效果較好。

同時獲取了不同截面溫度最大值、平均值如表1 所示。其中A 代表機柜下送風方案、B 代表機柜下送風+封閉冷通道方案、C 代表地板下送風+封閉冷通道方案。由表1 可知：在0.2 m 和1.0 m 高度截面上3 個方案機房內平均溫度差異比較明顯，地板下送風＋封閉方案最低、原機房方案最高，在1.8 m 高度截面上機架下送風+封閉平均溫度最低，另外2 個方案平均溫度差異不大。在0.2 m 高度截面上3 個方案的機房內最高溫度差異不大，在1 m和1.8 m 高度截面上，地板下送風＋冷通道封閉方案的最高溫度均是最低。由此可以得出，地板下送風＋冷通道封閉方案相較于其它兩種方案，降低了機房內最高溫度值，有利于消除局部熱點。

表1 不同截面溫度平均值、最大值

機房內各機柜的溫度分布如圖6 所示。由圖6可知：在原機房氣流組織情況下，出現的熱點機柜較多，出現了9 個過熱機柜，機架下送風+封閉方案則出現了8 個，而地板送風+封閉方案沒有熱點機柜。說明地板送風+冷通道封閉方案能使機柜進風溫度更均勻，有利于消除熱點機柜。

圖6 各機柜溫度分布

2.2 流場分析

分別截取3 種送風方式的機房流場分布圖，分為俯視圖和主視圖，如圖7 和圖8 所示。

由圖7 俯視圖可以看到三種方案都會產生不同程度的渦流，但圖7(c)的地板送風+冷通道封閉方案所產生渦流和另外兩種方案比更少，且渦流范圍更小，氣流分布相對均勻一些，流線也更加密集。機架下送風方案由于某些機柜無法吸收到其它送風口的冷風而導致熱點，而機架下送風+冷通道封閉和地板送風+冷通道封閉方案由于可以吸收冷通道內的冷風而消除熱點。由圖8 側視圖可知：機架下送風和機架下送風+冷通道封閉方案機房上部存在冷熱風摻混的現象，且回風溫度較高；而地板下送風+冷通道封閉方案下，機房上部回風溫度較低，機柜上部基本不存在冷熱氣流摻混的情況，對于冷風的利用率較高。

3 結論

本文利用CFD 模擬軟件研究了機柜下送風、機柜下送風+冷通道封閉和地板下送風+冷通道封閉3 種封閉方案下的機房氣流組織，分析了機房內溫度場、機柜溫度分布、機房內流場來比較這3 種封閉方案的機房熱環境及氣流組織的合理性，得到如下結論：

1）地板送風+冷通道封閉方案下，機房低溫區域較多，高溫區域很少，同時冷通道內溫度分布均勻且都在24 ℃左右，整體送風效果較好，機房在不同高度的溫度截面圖上最大溫度只有36.4 ℃，而另外兩種送風方式的溫度最大值分布達到了40.6 ℃和40.7 ℃；

2）地板送風+冷通道封閉方案可有效解決局部熱點問題，原機房氣流組織情況下出現了9 個過熱機柜，機架下送風+冷通道封閉方案則出現了8個，而地板送風+冷通道封閉方案沒有熱點機柜；

3）地板送風+冷通道封閉方案下所產生的氣流相對均勻一些，渦流范圍較小，流線也比其他兩種方案密集，且回風溫度明顯降低，機柜上部基本不存在冷熱氣流摻混的情況。