吳茜夢+張金

【摘 要】 通過對現(xiàn)有機房的實際測試，建立3D機房模型，模擬得到機房溫度場和速度場等數(shù)據(jù)，仿真出機房的熱環(huán)境，從而為機房的設(shè)計及維護提供科學(xué)指導(dǎo)。首先，通過對機房中冷通道進行均勻取點測試出溫度與風(fēng)速的值，得出相應(yīng)的溫度場、流場分布及最高溫度位置。其次，根據(jù)測試機房的實際情況，得出了溫度場及流場的數(shù)值結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】 3D機房 溫度場 速度場 FLUENT軟件 MATLAB

1 問題分析

1.1 背景知識

該類機房采用獨立的空調(diào)通風(fēng)制冷系統(tǒng)（HVAC），機房機柜的布置通常按一定的行業(yè)設(shè)計規(guī)范要求布置。相鄰機柜的出風(fēng)口面對同一個通道。形成熱通道。機房內(nèi)熱氣流經(jīng)循環(huán)進入HVAC頂部，在經(jīng)過水冷系統(tǒng)冷卻后從地下冷風(fēng)槽通過中孔板送入機柜進風(fēng)口，形成冷通道。對于此類機房，往往由于機柜布置的不合理，以及各機柜服務(wù)器任務(wù)分配的不合理，造成機房內(nèi)局部溫度過高（形成熱點）。為了保證服務(wù)器的健康工作，通常需要HVAC降低送風(fēng)溫度或加大送風(fēng)量，造成耗能增加。綠色數(shù)據(jù)中心的主要任務(wù)之一就是根據(jù)機房的基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)，按照行業(yè)規(guī)范要求合理地布置機柜，分布任務(wù)，盡量避免局部地區(qū)過熱。

1.2 需要解決的問題

（1）根據(jù)測試的數(shù)據(jù)，繪出冷、熱通道的熱分布及流場分布及室內(nèi)最高溫度位置。

（2）建立物理模型與數(shù)學(xué)模型，模擬出數(shù)值結(jié)果。

（3）如果定義該機房的總體任務(wù)量為1，根據(jù)測試的數(shù)據(jù)，確定服務(wù)器不同任務(wù)量的最優(yōu)化模型。

（4）對模型進行綜合評價與改進。

2 基本假設(shè)

（1）所有機器工作正常，以恒定的功率散發(fā)熱量。

（2）因為室內(nèi)空氣的流速遠小于音速故可認為室內(nèi)氣體為不可壓縮流體，且符合Boussinesq假設(shè)，即認為流體密度變化僅對浮升力產(chǎn)生影響。

（3）外墻及服務(wù)器散熱面?zhèn)鳠峋鶆颍凑辗€(wěn)態(tài)傳熱處理，室內(nèi)個傳熱表面之間忽略輻射影響。

（4）室內(nèi)氣體屬于粘性流體，作定常流動，忽略能量方程中由于粘性作用引起的能量耗散。

（5）氣流流動為紊態(tài)流動。

（6）假設(shè)流場具有高紊流Re數(shù)，流體的紊流粘性具有各向同性。

（7）不考慮滲透風(fēng)的影響，即認為模擬房間內(nèi)氣密性良好。

3 模型建立與求解

根據(jù)數(shù)據(jù)，運用溫度來作為冷通道和熱通道的熱分布的指標，同時，用風(fēng)速來作為冷通道和熱通道流場分布的指標。此時，對溫度影響的因素只有距空凋的位置和高度兩個指標。這樣運用Matlab軟件，對數(shù)據(jù)進行插值擬合計算，來刻畫出冷熱通道的熱分布和流場分布的三維曲面圖。通過作圖，得出了冷熱通道的熱分布和流場分布的三維曲面圖，并根據(jù)圖來找出室內(nèi)溫度最高點的準確位置。

在圖1中，可以很清楚地發(fā)現(xiàn)溫度隨著高度增加而增加，有高度的吻合性。同時它的溫度也存在一個上限30℃。但是它的溫度的最高點相對熱通道而言還是比較低的，由此可以得出，室內(nèi)溫度的最高點不會在冷通道中。我們做出了熱通道的熱分布，在熱通道中尋找室內(nèi)溫度最高點。由圖2可得，在熱通道內(nèi)同樣是溫度隨高度增加而增加，但是在距離空調(diào)的位置這個變量上，溫度先隨距離空調(diào)位置的距離增加而增加，但是在達到2.2m之后，它的溫度就隨之減少。所以我們通過圖可以發(fā)現(xiàn)室內(nèi)溫度的最高點在[2.2，3]的空間鄰域內(nèi)。

但是，我們僅僅考慮熱分布還不夠，下面我們還根據(jù)附錄二的數(shù)據(jù)作出了在不同場中的流場分布，具體如下圖3和圖4所示。

由圖3、4可知，風(fēng)速隨著高度的增加而增加，也就是說溫度高的地方風(fēng)速大，熱交換頻率越快，同時在距空凋的位置越遠時，它的風(fēng)速反而越小。同樣，風(fēng)速也有上限，上限為1m/s。下面考慮熱通道的流場分布，如圖4所示，我們發(fā)現(xiàn)熱通道中的流速大概在0.1m/s～1m/s，同時它的變化范圍波動不是很大。綜上所述，我們繪出冷、熱通道的熱分布及流場分布，得出室內(nèi)最高溫度位置在[2.2，3]的空間鄰域內(nèi)。

4 3D綠色機房建模的綜合評價與改進

4.1 對空調(diào)風(fēng)柜的送風(fēng)和回風(fēng)調(diào)配具體方案

（1）調(diào)整通信機房的送風(fēng)口速度。送風(fēng)口速度的最大值控制在6m/s以下（百葉窗送風(fēng)速度一般是2～4m/s）。

（2）將回風(fēng)口1的回風(fēng)溫度與回風(fēng)口2中氣流溫度控制為相同值，這樣有利于機架的散熱，提高冷量的利用率。

（3）由于機架的回風(fēng)只能通過兩側(cè)的通道到達回風(fēng)口，在接近通道處的送風(fēng)口風(fēng)速過大容易造成冷空氣來不及換熱而直接到達回風(fēng)口，造成冷量浪費，同時送風(fēng)風(fēng)速高對前面的回風(fēng)和同排機架回風(fēng)造成風(fēng)阻，影響回風(fēng)。由此，在風(fēng)量的調(diào)節(jié)上，接近通道處的風(fēng)口風(fēng)速不應(yīng)過大，同排機架送風(fēng)口中間的風(fēng)口風(fēng)速較大有利于機架間熱空氣的及時回風(fēng)。

（4）由于風(fēng)速過高，在達到機架頂部之前還沒有擴展開，機架表面處于卷吸形成的渦流邊緣，對流換熱程度較弱，但在中部渦流擴散開來加強了換熱，小風(fēng)量出風(fēng)口的風(fēng)速在通信機架頂部擴散開來，到達中部完全衰減，通信機架的中上部換熱效果良好。因此，為便于換熱應(yīng)使不同風(fēng)量的出風(fēng)口交錯排列。

（5）通過調(diào)整回風(fēng)溫度：原機房設(shè)計要求機房溫度在18℃～28℃，在回風(fēng)溫度只要達到25℃時空調(diào)系統(tǒng)的制冷開始工作，到15℃時空調(diào)制冷系統(tǒng)關(guān)閉，此時出風(fēng)溫度在15～25℃，這樣才能達到全機房的溫度要求。

4.2 數(shù)據(jù)機房的節(jié)能改造建議

（1）調(diào)整機房的送風(fēng)口速度。從測試數(shù)據(jù)和仿真模擬計算圖可以看出，目前的送風(fēng)口速度分布明顯不合理，將送風(fēng)口速度的最大值控制在6m/s以下，這樣可以控制、調(diào)整通信機架的溫度場分布，將機房中的最熱區(qū)域與最冷區(qū)域的溫差控制在3℃左右，提高冷量的利用率，也是空調(diào)節(jié)能的一個主要方法之一。endprint

（2）控制風(fēng)柜風(fēng)量的大小、溫度，目前風(fēng)柜的風(fēng)量控制調(diào)整需要精確化。從測試數(shù)據(jù)分析可以分析，風(fēng)柜提供的冷量偏大約50KW左右冷量。

（3）精確測定和控制冷凍水的流量與溫差，使冷凍水在正常的溫差5℃，降低制冷主機和水泵的功耗。

（4）優(yōu)化調(diào)整冷凍水流量與溫差、風(fēng)柜的風(fēng)量、送風(fēng)口的流速這些機房空調(diào)的關(guān)鍵參數(shù)，理論上可以節(jié)能30kW左右（冷凍水及水泵節(jié)能4～5kW、風(fēng)柜節(jié)能6～8kW、機房能量消耗減少節(jié)能20kW）。

4.3 模型的評價與改進

通過對部分機房設(shè)施進行簡化，保留機架及其布局特征，并以測試的入口溫度、風(fēng)速和機架散熱量為邊界條件建立CFD模型對機房進行模擬，并將機架前后的實測值和模擬值進行對比，初步證明模擬得到的機房溫度場能夠較為真實地反映實際情況。從實測和模擬數(shù)據(jù)都可以看出，機房熱環(huán)境狀況和機房內(nèi)熱源分布，進風(fēng)口參數(shù)與回風(fēng)口的設(shè)置有極大的關(guān)系。

（1）在人力物力允許的情況下，增加溫度陣觀測點的數(shù)量，同時記錄固定觀測點處的溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向的變化規(guī)律，更好地了解機房內(nèi)部區(qū)域熱環(huán)境分布情況。

（2）模擬中需要進一步細化機架進出風(fēng)口對熱環(huán)境的影響作用。模型中的僅考慮了機架壁面的熱流量，沒有考慮內(nèi)置風(fēng)機的影響，直接的后果就是模擬的風(fēng)場受進風(fēng)口風(fēng)量的大小影響很大，機架前后溫差與實測機房前后溫差相差很大。

（3）模擬采用的數(shù)學(xué)模型，機房環(huán)境模擬采用的是標準κ-ε方程及其改進方程，模擬相當于理論計算，機架周圍產(chǎn)生的渦旋繞流以及靜風(fēng)區(qū)，能夠較為貼近實際的模擬出來，而實際情況中采用簡單的方程無法模擬。在運用FLUENT進行計算的時候，進一步考慮機架外部熱環(huán)境對內(nèi)部氣流組織的影響。

參考文獻：

[1]黃赟.通信機房空調(diào)設(shè)計中的幾個問題.通信電源技術(shù)，2006，23：62-64.

[2]Don Beaty，Tom Davidson.Datacom Airflow Patterns[J].ASHRAE Journal.2005，（12）：3-4.

[3]R.Jeffrey，J.Yogendra.Modeling of data center airflow and heat transfer：State of the art and future trends.Distrib Parallel Databases.2007，21：193–225.

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[8]孫文志.中央空調(diào)的變頻調(diào)速方案及節(jié)能機理[J].遼寧師專學(xué)報：自然科學(xué)版，2004（4）.

[9]簡棄非，葳蕤，楊蘋，顏永明.通信機房氣流組織測試與仿真研究[J].節(jié)能技術(shù)，2009（4）.

[10]R.K.Sharma，C.E.Bash，C.D.Patel，et.Al，“Balance of power：Dynamic thermal management for internet data centers，” IEEE Internet Computing.2005，9：42-49.endprint

（2）控制風(fēng)柜風(fēng)量的大小、溫度，目前風(fēng)柜的風(fēng)量控制調(diào)整需要精確化。從測試數(shù)據(jù)分析可以分析，風(fēng)柜提供的冷量偏大約50KW左右冷量。

（3）精確測定和控制冷凍水的流量與溫差，使冷凍水在正常的溫差5℃，降低制冷主機和水泵的功耗。

（4）優(yōu)化調(diào)整冷凍水流量與溫差、風(fēng)柜的風(fēng)量、送風(fēng)口的流速這些機房空調(diào)的關(guān)鍵參數(shù)，理論上可以節(jié)能30kW左右（冷凍水及水泵節(jié)能4～5kW、風(fēng)柜節(jié)能6～8kW、機房能量消耗減少節(jié)能20kW）。

4.3 模型的評價與改進

通過對部分機房設(shè)施進行簡化，保留機架及其布局特征，并以測試的入口溫度、風(fēng)速和機架散熱量為邊界條件建立CFD模型對機房進行模擬，并將機架前后的實測值和模擬值進行對比，初步證明模擬得到的機房溫度場能夠較為真實地反映實際情況。從實測和模擬數(shù)據(jù)都可以看出，機房熱環(huán)境狀況和機房內(nèi)熱源分布，進風(fēng)口參數(shù)與回風(fēng)口的設(shè)置有極大的關(guān)系。

（1）在人力物力允許的情況下，增加溫度陣觀測點的數(shù)量，同時記錄固定觀測點處的溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向的變化規(guī)律，更好地了解機房內(nèi)部區(qū)域熱環(huán)境分布情況。

（2）模擬中需要進一步細化機架進出風(fēng)口對熱環(huán)境的影響作用。模型中的僅考慮了機架壁面的熱流量，沒有考慮內(nèi)置風(fēng)機的影響，直接的后果就是模擬的風(fēng)場受進風(fēng)口風(fēng)量的大小影響很大，機架前后溫差與實測機房前后溫差相差很大。

（3）模擬采用的數(shù)學(xué)模型，機房環(huán)境模擬采用的是標準κ-ε方程及其改進方程，模擬相當于理論計算，機架周圍產(chǎn)生的渦旋繞流以及靜風(fēng)區(qū)，能夠較為貼近實際的模擬出來，而實際情況中采用簡單的方程無法模擬。在運用FLUENT進行計算的時候，進一步考慮機架外部熱環(huán)境對內(nèi)部氣流組織的影響。

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（2）控制風(fēng)柜風(fēng)量的大小、溫度，目前風(fēng)柜的風(fēng)量控制調(diào)整需要精確化。從測試數(shù)據(jù)分析可以分析，風(fēng)柜提供的冷量偏大約50KW左右冷量。

（3）精確測定和控制冷凍水的流量與溫差，使冷凍水在正常的溫差5℃，降低制冷主機和水泵的功耗。

（4）優(yōu)化調(diào)整冷凍水流量與溫差、風(fēng)柜的風(fēng)量、送風(fēng)口的流速這些機房空調(diào)的關(guān)鍵參數(shù)，理論上可以節(jié)能30kW左右（冷凍水及水泵節(jié)能4～5kW、風(fēng)柜節(jié)能6～8kW、機房能量消耗減少節(jié)能20kW）。

4.3 模型的評價與改進

通過對部分機房設(shè)施進行簡化，保留機架及其布局特征，并以測試的入口溫度、風(fēng)速和機架散熱量為邊界條件建立CFD模型對機房進行模擬，并將機架前后的實測值和模擬值進行對比，初步證明模擬得到的機房溫度場能夠較為真實地反映實際情況。從實測和模擬數(shù)據(jù)都可以看出，機房熱環(huán)境狀況和機房內(nèi)熱源分布，進風(fēng)口參數(shù)與回風(fēng)口的設(shè)置有極大的關(guān)系。

（1）在人力物力允許的情況下，增加溫度陣觀測點的數(shù)量，同時記錄固定觀測點處的溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向的變化規(guī)律，更好地了解機房內(nèi)部區(qū)域熱環(huán)境分布情況。

（2）模擬中需要進一步細化機架進出風(fēng)口對熱環(huán)境的影響作用。模型中的僅考慮了機架壁面的熱流量，沒有考慮內(nèi)置風(fēng)機的影響，直接的后果就是模擬的風(fēng)場受進風(fēng)口風(fēng)量的大小影響很大，機架前后溫差與實測機房前后溫差相差很大。

（3）模擬采用的數(shù)學(xué)模型，機房環(huán)境模擬采用的是標準κ-ε方程及其改進方程，模擬相當于理論計算，機架周圍產(chǎn)生的渦旋繞流以及靜風(fēng)區(qū)，能夠較為貼近實際的模擬出來，而實際情況中采用簡單的方程無法模擬。在運用FLUENT進行計算的時候，進一步考慮機架外部熱環(huán)境對內(nèi)部氣流組織的影響。

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