数据机房气流组织模拟研究

李雅宁，刘 斌，韩成付，张仁玉

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

随着信息化社会的迅猛发展，电子信息设备的功率密度不断提高，对数据机房的气流组织要求也越来越高，需要更加良好的气流组织来降低IT设备温度，从而保证IT设备正常运行，同时降低制冷设备的耗电量，进一步降低数据中心的电能利用效率（Power Utilization Efficiency，PUE），逐步向绿色高效、低碳环保的数据中心迈进。本文通过采用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）模拟软件6simaRoom对数据机房内的气流组织进行模拟研究，分析泄漏率、IT设备规格等不同因素对气流组织的影响规律，为实际工程建设及运行提供一定的参考[1]。

1 建立模型

1.1 模型建立条件

本文选用某大型数据中心的标准化机房作为研究对象，机房平面图如图1所示。空调送风方式为弥漫送风，热通道封闭吊顶回风，机组送风经过送风静压箱，由送风隔墙上的送风百叶送至机房内。设定空调AHU-08为故障状态，机房三维模型图如图2所示。

图1 机房平面示意图

模型的建筑围护结构条件如表1所示。

机房内机柜布置条件如表 2 所示。

表2 机房内机柜布置输入条件

空调设备设置条件如表 3 所示。

表3 空调设备输入条件

1.2 求解控制

在不影响模拟准确性的情况下，为了简化模型，对需要建立的数值模型做以下简化。

（1）流动为稳态湍流，采用标准K-ε湍流模型，各参数残差都收敛于1，代表各参数值稳定[2]。

（2）模型墙体、地板均视为绝热材料，室内不设门窗，封闭性良好，室内外无热交换。

2 模拟结果分析

2.1 机柜不同漏风率对气流组织的影响

为了研究不同漏风率对机房内气流组织的影响，本文共设置了0%（没有泄漏）、5%（典型小缝隙）、10%（大缝隙）3种不同漏风率。图3、图4、图5分别为不同泄漏率下各IT设备进口最大温度值。可以看出，无泄漏时，机柜进口温度均为25 ℃左右，满足《数据中心设计规范》（GB50174—2017）中进口温度保持在25～27 ℃的要求。当泄漏率分别增加至5%、10%时，绝大部分IT设备的进口温度仍然能保持在25 ℃左右，但是距离进风隔墙最近的第1个机柜（下文中称为首机柜）及个别尾部机柜的IT设备进口最大温度明显过高，具体数值如表4所示。

图3 IT设备最大进口温度（0%泄漏率）

图4 IT设备最大进口温度（5%泄漏率）

图5 IT设备最大进口温度（10%泄漏率）

由表4可以看出，随着泄漏率的增加，首机柜IT设备进口最大温度不断升高，出口温度呈现相同变化规律。5%、10%泄漏率下部分IT设备对应的进口温度不满足《数据中心设计规范》（GB50174—2017）的要求。

表4 不同泄露率下IT设备最大进出口温度

不同泄漏率下对应的空调使用情况如表5所示。可以看出，无论何种泄漏率下，空调的冷量使用率均小于100%，表明空调的冷量均是足够的。其中，AHU-01、AHU-05、AHU-06空调的冷量使用率随着泄漏率的增加而明显变大。其余空调的冷量使用率相差不大。这也说明了部分空调的能耗随着泄漏率的增加而增加。

表5 不同泄漏率下对应的空调使用情况

在工程建设中，需要对盲板的封堵、四面的挡板、安装导轨等容易产生缝隙之处做精细处理，完善封堵工艺。在实际的运行中，应加大检查检测频率和力度，力争将机柜泄漏率降至最低。保证IT设备在合适的温度下安全可靠的运行，并最大化地降低空调设备耗电。

2.2 不同IT设备规格对气流组织的影响

本文在5%（典型小缝隙）的泄漏率条件下，控制单机架功耗7 kW不变，分别选取1U、2U、4U、7U这4种不同规格的IT设备填充于机柜中，分析对比其对温度场及速度场的影响规律。不同规格的IT设备对应的机柜填充模型如图6所示，每个机柜均为42U的标准机柜，空槽位封闭处理。

图6 不同规格IT设备的机柜填充模型图

机房内气流的温度场、速度场、压力场是否合理最终将在IT设备的进出口温度中体现，如图7所示为不同规格IT设备的最大进口温度。

图7 不同规格IT设备的最大进口温度图

由图7可以看出，无论IT设备规格如何变化，大部分IT设备的最大进口温度均在25 ℃左右，只有首机柜及个别尾部机柜出现温度过高现象。随着IT设备的规格从1U向7U变化，超温IT设备的数量不断减少，进口最大温度值也在不断降低。具体的最大进口温度和最大出口温度值如表6所示。表6表明IT设备为1U时，最大进口温度为27.3 ℃，超过27 ℃，不满足规范的要求。而当IT设备为2U、4U、7U时，进口温度均低于27 ℃，均在规范要求的范围内。随着IT设备规格的不断增大，设备最大进口温度和最大出口温度均不断降低。

表6 不同IT设备规格的最大进出口温度 单位：℃

以上结果表明，在实际工程建设前期，应根据机柜中填充的IT设备规格的不同进行方案设计，针对不同IT设备规格，调整IT机柜、空调设备、送风隔墙、送风口等的布置方式。优化气流组织，保证IT设备进出口温度保持在合理、合适的范围内，保证设备安全可靠运行。

3 结 论

数据机房的气流组织对IT设备是否能够安全可靠地运行有着决定性的作用，而数据机房气流组织受到多种因素的影响。本文针对其中的2种因素，即漏风率和IT设备规格，进行分析研究。得到以下结论。

（1）单侧弥漫送风，封闭热通道，吊顶回风的气流组织中，首机柜中的IT设备最大进口温度过高，容易出现超温现象。

（2）随着泄漏率的增加，首机柜中IT设备的进口最大温度不断升高，出口温度呈现相同变化规律。

（3）随着IT设备规格的不断增大，首机柜中IT设备的最大进口温度和最大出口温度均不断降低。