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(1 南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院 江蘇省能源系統(tǒng)過(guò)程轉(zhuǎn)化與減排技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室 南京 210042; 2 江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 南京 210019)

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，我國(guó)數(shù)據(jù)中心建設(shè)已進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，機(jī)房熱密度日益增大，數(shù)據(jù)中心能耗日益增加。數(shù)據(jù)中心機(jī)房是典型的高密度耗能電子設(shè)備集成區(qū)。隨著數(shù)量與規(guī)模的增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心的能耗不容忽視[1-2]。研究表明，數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的能耗約占總能耗的45%[3]。有效利用能量并提升數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)能效水平，是數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵問(wèn)題[4]。數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境品質(zhì)不僅對(duì)數(shù)據(jù)設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要，還直接關(guān)系到冷卻系統(tǒng)能耗，是整個(gè)數(shù)據(jù)中心換熱體系性能的綜合體現(xiàn)[5]。

Y. Joshi等[6-7]通過(guò)CFD模型模擬研究了不同靜壓層高度對(duì)送風(fēng)的影響；V. K. Arghode等[8]研究了穿孔率對(duì)數(shù)據(jù)中心氣流組織的影響，并確定了各項(xiàng)參數(shù)的取值范疇；Y. Fulpagare等[9]研究了穿孔率分別為25%，36%和50%的穿孔地板的熱剖面，發(fā)現(xiàn)在低穿孔率區(qū)域熱氣流更容易與冷氣流混合；Y. Fulpagare等[10]模擬了7種地板下障礙物情況，發(fā)現(xiàn)障礙物可以導(dǎo)致空氣流量減少80%、溫度增加2.5 ℃。雖然他們對(duì)各影響因素作了較為詳盡的研究，但對(duì)模擬的實(shí)測(cè)驗(yàn)證還不夠充分，模擬結(jié)果與實(shí)際工程中的數(shù)據(jù)中心運(yùn)行情況是否一致還有待進(jìn)一步研究。

本文首先以數(shù)據(jù)中心奇數(shù)列子模塊為研究對(duì)象(以下簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)據(jù)中心)，采用數(shù)值分析的方法建立數(shù)據(jù)中心模型，從地板下靜壓層高度、地板穿孔率、地板下有利障礙物的位置3個(gè)因素入手，分析這3個(gè)因素對(duì)數(shù)據(jù)中心氣流組織及溫度分布的影響。但此物理模型建立時(shí)基于Boussinesq假設(shè)、忽略了黏性力做功，而機(jī)房實(shí)際運(yùn)行時(shí)，這些假設(shè)因素不可忽略。因此需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證各個(gè)區(qū)域的溫度、速度情況是否與模擬結(jié)果一致。此外，數(shù)值設(shè)計(jì)時(shí)選取的冷卻系統(tǒng)送風(fēng)溫度是否適宜有待商榷，并進(jìn)行測(cè)試分析。

實(shí)測(cè)研究了以最優(yōu)模型(靜壓層高度0.6 m，地板穿孔率20%，擋板角度15°)建造的數(shù)據(jù)中心(以下簡(jiǎn)稱(chēng)實(shí)勘數(shù)據(jù)中心)，驗(yàn)證了地板出風(fēng)速度、溫度，機(jī)柜前送風(fēng)速度、溫度，機(jī)柜后出風(fēng)速度、溫度等重要參數(shù)，對(duì)比實(shí)測(cè)與模擬的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)是否一致。結(jié)合能耗情況，改變冷卻系統(tǒng)送風(fēng)溫度再進(jìn)行多組實(shí)測(cè)，對(duì)比各組氣流組織及整體熱環(huán)境的變化，以期得到最優(yōu)模型對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)中心合理的送風(fēng)溫度范圍，有效避免局部熱點(diǎn)的產(chǎn)生，為數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)建造提供參考。

1 實(shí)勘數(shù)據(jù)中心奇數(shù)列子模塊

如圖1所示，實(shí)勘數(shù)據(jù)中心奇數(shù)列子模塊長(zhǎng)為10 974 mm，寬為7 300 mm，高為2 500 mm(不含地板高度)，分布3列機(jī)柜，每列由11個(gè)機(jī)柜構(gòu)成，單個(gè)機(jī)柜的尺寸為600 mm×1 100 mm×2 000 mm。每列機(jī)柜末端的兩臺(tái)機(jī)柜用于放置其他用電設(shè)備，所以每列實(shí)際有9個(gè)服務(wù)器機(jī)柜。兩列機(jī)柜前門(mén)之間以及前門(mén)與房間內(nèi)墻之間的送風(fēng)通道為冷通道，兩列機(jī)柜后門(mén)之間以及后門(mén)與另一子模塊的機(jī)柜后門(mén)之間的排風(fēng)通道為熱通道(兩個(gè)模塊間的通道已隔斷，圖中未顯示)?？照{(diào)機(jī)組的兩個(gè)送風(fēng)口尺寸為471 mm×350 mm，兩個(gè)回風(fēng)口尺寸為475 mm×350 mm。三維模型如圖1所示。

圖1 奇數(shù)列子模塊三維視圖Fig.1 Odd-scale sub-module 3D view

2 測(cè)量?jī)?nèi)容及儀器儀表

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，并為進(jìn)一步工況調(diào)節(jié)提供數(shù)據(jù)參考，實(shí)測(cè)過(guò)程中對(duì)4個(gè)特征區(qū)域的溫度、速度進(jìn)行測(cè)量：穿孔地板出風(fēng)口、機(jī)柜前門(mén)送風(fēng)處、機(jī)柜后門(mén)出風(fēng)處、空調(diào)機(jī)組回風(fēng)口。

風(fēng)速的測(cè)量采用Testo416風(fēng)速計(jì)。該儀器配備固定式16 mm直徑葉輪探頭，連接伸縮手柄，最長(zhǎng)890 mm。它可測(cè)量速度、直接顯示風(fēng)量，僅需輸入管道截面積即可精確計(jì)算多點(diǎn)及時(shí)間段平均風(fēng)量。

溫度的測(cè)量采用Testo425熱敏風(fēng)速儀。該儀器固定連接熱敏風(fēng)速探頭，帶伸縮式手柄，同時(shí)可直接測(cè)量溫度與風(fēng)速。此熱敏風(fēng)速儀還能隨意切換至當(dāng)前的溫度讀數(shù)，它帶有多點(diǎn)和時(shí)間段平均值計(jì)算功能，能夠計(jì)算出風(fēng)量、風(fēng)速和溫度的平均值。

考慮到機(jī)房?jī)?nèi)各測(cè)點(diǎn)出風(fēng)速度均不超過(guò)5 m/s、同一立面同一水平高度上溫差小等特點(diǎn)，選擇以上兩款儀器對(duì)此類(lèi)微小風(fēng)速和小溫差場(chǎng)合進(jìn)行測(cè)量，儀器較高的精度可以減小測(cè)量誤差。

3 測(cè)點(diǎn)布置

模型的CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了繁雜的數(shù)據(jù)中心實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程[11]。但模型是基于多種特定假設(shè)建立的，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)房?jī)?nèi)溫度變化是否與模擬結(jié)果一致。

本文參考張杰等[12-16]的實(shí)測(cè)方案，得到空調(diào)機(jī)組送風(fēng)口溫度和速度、機(jī)柜出入口的溫度和速度這幾個(gè)邊界條件的精確程度對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果影響較大，測(cè)量誤差導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果有較大出入，從而影響結(jié)論的正確性，因此測(cè)點(diǎn)布置尤其重要。

3.1 穿孔地板出風(fēng)口送風(fēng)參數(shù)測(cè)量

測(cè)量每個(gè)穿孔地板上方測(cè)點(diǎn)的溫度和速度值，在每個(gè)穿孔地板上50 mm處取5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，如圖2所示，考慮到出風(fēng)口氣流不穩(wěn)定的情況，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量3次，每次間隔10 s，取平均值得到每塊穿孔地板的出風(fēng)參數(shù)。

圖2 出風(fēng)口測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Layout of measuring points for air outlet

3.2 機(jī)柜出入口送風(fēng)參數(shù)測(cè)量

對(duì)于機(jī)柜進(jìn)出風(fēng)溫度和速度的測(cè)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做過(guò)較多研究，但在測(cè)點(diǎn)的布置上大多以對(duì)稱(chēng)形式布置，根據(jù)熱流密度不同，測(cè)點(diǎn)密集程度有所調(diào)整[17-21]。本實(shí)驗(yàn)在機(jī)柜正面和機(jī)柜背面上、中、下位置布置測(cè)點(diǎn)，如圖3所示，測(cè)點(diǎn)的垂直高度Z分別為500、1 000、1 500 mm(從架空地板表面算起)，部分服務(wù)器帶有散熱風(fēng)機(jī)，為避免機(jī)架中散熱風(fēng)機(jī)的氣流對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響，測(cè)試時(shí)測(cè)量點(diǎn)與柜門(mén)相距100 mm。同樣，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量3次，每次間隔10 s，取平均值得到機(jī)柜出入口送風(fēng)參數(shù)。

圖3 機(jī)柜進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)口測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Layout of measuring points for air inlet and outlet of cabinet

4 測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

由于冷通道內(nèi)的溫度工況能直觀反映冷量分布，而熱通道內(nèi)的氣流環(huán)境可以較好地檢驗(yàn)冷量利用情況，預(yù)測(cè)局部熱點(diǎn)產(chǎn)生區(qū)域[22-23]。本文通過(guò)比較各列機(jī)柜前門(mén)進(jìn)風(fēng)溫度和速度來(lái)驗(yàn)證模型，對(duì)比變溫度工況時(shí)，選取各列機(jī)柜后門(mén)出風(fēng)的溫度參數(shù)進(jìn)行分析。

4.1 變地板穿孔率和擋板角度數(shù)據(jù)中心的實(shí)測(cè)對(duì)比分析

數(shù)據(jù)中心靜壓層高度以最優(yōu)模型600 mm為基準(zhǔn)，改變地板穿孔率和擋板角度兩個(gè)幾何因素，對(duì)包含最優(yōu)模型在內(nèi)的6組典型幾何結(jié)構(gòu)(表1)進(jìn)行實(shí)測(cè)，同最優(yōu)模型進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

表1 各風(fēng)道結(jié)構(gòu)幾何尺寸Tab.1 Geometric dimensions of each duct

鑒于A列機(jī)柜中存在空置的情況，導(dǎo)致模擬和實(shí)測(cè)有差別，并影響共用冷通道的B列機(jī)柜氣流組織，因此主要考慮C列機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)溫度和速度。由數(shù)值設(shè)計(jì)的模擬分析結(jié)果可知，同列機(jī)柜中間及偏后位置孔板送風(fēng)較穩(wěn)定均勻，故選定C列7#機(jī)柜作為驗(yàn)證對(duì)象，對(duì)7#機(jī)柜前門(mén)Z分別為500、1 000、1 500 mm高度各參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖5所示。

圖4 各風(fēng)道結(jié)構(gòu)C列7#送風(fēng)速度對(duì)比Fig.4 Comparison of air velocity for each air duct structure′s 7# C cabinet

圖5 各風(fēng)道結(jié)構(gòu)C列7#送風(fēng)溫度對(duì)比Fig.5 Comparison of air supply temperature for each air duct structure′s 7# C cabinet

由圖4～圖5可知，實(shí)測(cè)與模擬速度相對(duì)誤差最大為17%，溫度相對(duì)誤差最大為5%，未出現(xiàn)明顯偏差的測(cè)點(diǎn)，實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果吻合程度較高，模擬結(jié)果可靠。對(duì)比6組風(fēng)道結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果，Ⅴ號(hào)風(fēng)道結(jié)構(gòu)的各測(cè)點(diǎn)速度、溫度最優(yōu)。下文以Ⅴ號(hào)風(fēng)道結(jié)構(gòu)作為實(shí)勘數(shù)據(jù)中心研究對(duì)象，進(jìn)一步對(duì)其速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及變送風(fēng)溫度工況的適應(yīng)性進(jìn)行實(shí)測(cè)分析。

4.2 實(shí)勘數(shù)據(jù)中心速度場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

圖6 各列機(jī)柜前門(mén)進(jìn)風(fēng)速度的對(duì)比Fig.6 The comparison of the front door air velocity in each cabinet

從圖6分析各列機(jī)柜前門(mén)進(jìn)風(fēng)方向的氣流速度，同一水平高度上氣流速度差值(由低到高)分別為：A列0.17、0.10、0.16 m/s；B列0.11、0.09、0.12 m/s；C列0.12、0.10、0.11 m/s；最大差值不超過(guò)0.17 m/s。對(duì)比分析3列機(jī)柜，B、C兩列機(jī)柜各水平高度上氣流走向的一致性更佳，氣流組織更穩(wěn)定。靠近冷卻系統(tǒng)送風(fēng)口的機(jī)柜進(jìn)風(fēng)速度普遍略小于遠(yuǎn)離送風(fēng)口的機(jī)柜(下文將冷卻系統(tǒng)送風(fēng)口簡(jiǎn)稱(chēng)送風(fēng)口；靠近送風(fēng)口的機(jī)柜簡(jiǎn)稱(chēng)近端機(jī)柜；遠(yuǎn)離送風(fēng)口的機(jī)柜簡(jiǎn)稱(chēng)遠(yuǎn)端機(jī)柜)，這是由于沿著送風(fēng)方向氣流動(dòng)壓減小，靜壓增大，孔板出風(fēng)量隨之增加，因此近端出風(fēng)量較小。

豎直方向上，Z=500 mm時(shí)速度最大，最大值為0.80 m/s；Z=1 000 mm、Z=1 500 mm時(shí)風(fēng)速很小，最小的測(cè)量值僅0.31 m/s?？梢?jiàn)隨著高度的增大，風(fēng)速逐漸減小，這主要是因?yàn)樵摂?shù)據(jù)中心采用地板下送風(fēng)，距離送風(fēng)口越近，風(fēng)速越大，隨著送風(fēng)距離的增加，氣流速度逐漸衰減。另外，A列機(jī)柜Z=1 000 mm的實(shí)測(cè)值在前一段走勢(shì)與模擬值有較大偏差，原因是實(shí)測(cè)過(guò)程中，空置機(jī)架沒(méi)有放置服務(wù)器，也沒(méi)有增設(shè)擋板，導(dǎo)致氣流直接穿過(guò)機(jī)柜前、后門(mén)的網(wǎng)孔到達(dá)熱通道，影響機(jī)柜中部到上部的氣流流速測(cè)量。

4.3 實(shí)勘數(shù)據(jù)中心溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

圖7所示為各列機(jī)柜前門(mén)進(jìn)風(fēng)溫度的對(duì)比，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的總體趨勢(shì)和模擬值相同，實(shí)測(cè)值和模擬值各點(diǎn)的溫度值基本吻合?？傮w而言，實(shí)測(cè)值整體偏高，原因是實(shí)際機(jī)房中冷通道封閉處的縫隙有滲漏，及機(jī)柜、機(jī)架等設(shè)施的傳熱問(wèn)題，導(dǎo)致實(shí)測(cè)溫度略高于模擬值。圖7(a)中，2#機(jī)架Z=1 000 mm的實(shí)測(cè)送風(fēng)溫度明顯低于模擬值約1 ℃，因?yàn)閷?shí)測(cè)時(shí)2#機(jī)架中部有一排機(jī)架空置，導(dǎo)致中部Z=1 000 mm處的溫度測(cè)量與模擬值差別較大，同時(shí)，2#機(jī)架下方的冷氣流上升到中部也對(duì)兩側(cè)(1#和3#)機(jī)架的溫度測(cè)量有一定影響。在靠近送風(fēng)口的1#機(jī)架附近，由于靠近空調(diào)機(jī)組的地方動(dòng)壓較大而靜壓較小，導(dǎo)致送風(fēng)溫度較高；另一方面，該處靠近冷卻系統(tǒng)回風(fēng)口，高溫回風(fēng)也對(duì)1#機(jī)柜的溫度有一定影響。

圖7 各列機(jī)柜前門(mén)進(jìn)風(fēng)溫度的對(duì)比Fig.7 Comparison of forward air temperature of various cabinets

分析單列機(jī)柜的溫度折線圖可知：隨著高度增加，服務(wù)器獲得的冷量減少，位于機(jī)柜頂部的服務(wù)器進(jìn)風(fēng)口處空氣溫度較高，處于最不利位置。由于浮升力的作用，熱空氣呈向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，且回風(fēng)口的水平高度與機(jī)柜高度接近，下部服務(wù)器排出的熱流向上堆積，造成機(jī)柜出風(fēng)界面上部溫度高于下部溫度。綜合3列機(jī)柜來(lái)看，Z=1 500 mm最高溫度與Z=500 mm最低溫度跨度達(dá)7.6 ℃。

在每個(gè)測(cè)量高度平面，進(jìn)風(fēng)溫度基本保持一致，由表2可知，水平高度上最小水平溫差為0.6 ℃，最大溫差跨度不超過(guò)2.6 ℃。三列機(jī)柜的每個(gè)水平高度上溫度走勢(shì)大致相同，每列中間位置和遠(yuǎn)離送風(fēng)口的末端位置送風(fēng)溫度相對(duì)較低，近冷卻系統(tǒng)的位置送風(fēng)溫度相對(duì)較高，可見(jiàn)同列機(jī)柜中間及偏后位置地板格柵送風(fēng)量穩(wěn)定均勻，可在中間偏后的機(jī)柜上放置大功率服務(wù)器。

表2 各水平高度的最大溫差Tab.2 The maximum temperature difference ofeach horizontal height

注：MAX(ΔTZ=xmm)為Z=xmm時(shí)水平方向上溫差最大值。

4.4 實(shí)勘數(shù)據(jù)中心變送風(fēng)溫度工況實(shí)測(cè)分析

送風(fēng)溫度為18 ℃時(shí)，實(shí)測(cè)了3列機(jī)柜整體溫度分布情況，發(fā)現(xiàn)各列機(jī)柜總體溫度趨勢(shì)一致，隨著垂直高度增加，溫度逐漸上升，但B、C兩列機(jī)柜頂端溫度略高，尤其靠近送風(fēng)口一側(cè)的機(jī)柜，局部區(qū)域溫度近35 ℃，不利于服務(wù)器運(yùn)行，且有產(chǎn)生局部熱點(diǎn)的趨勢(shì)。因此在后續(xù)測(cè)量中，要調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)送風(fēng)溫度，實(shí)測(cè)多組機(jī)柜后門(mén)的出風(fēng)溫度。目的是當(dāng)不出現(xiàn)局部熱點(diǎn)、機(jī)柜內(nèi)熱環(huán)境穩(wěn)定、各服務(wù)器正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)測(cè)量得出該數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)合理送風(fēng)溫度范圍，使冷量得到充分利用。

在18 ℃送風(fēng)溫度下數(shù)據(jù)中心整體溫度穩(wěn)定，且未出現(xiàn)局部熱點(diǎn)，參考N. M. S. Hassan等[24]對(duì)送風(fēng)溫度的選取，本文選取18 ℃上下各2 ℃作為溫度變化步長(zhǎng)，即16、18、20 ℃的送風(fēng)溫度進(jìn)行測(cè)試，觀測(cè)氣流組織及溫度分布的變化，得出最佳送風(fēng)溫度范圍。當(dāng)保證其他參數(shù)不變時(shí)，改變數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)送風(fēng)溫度，選取機(jī)柜背面距離柜門(mén)100 mm的垂直截面的溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，分析不同送風(fēng)溫度對(duì)氣流組織及熱環(huán)境的影響，各立面溫度場(chǎng)對(duì)比見(jiàn)表3， 橫坐標(biāo)為沿各列機(jī)柜方向的距離L(mm),縱坐標(biāo)為沿機(jī)柜高度方向的距離Z(mm)。

由表3可知，冷卻系統(tǒng)送風(fēng)溫度為16 ℃時(shí)，A、B、C 3列機(jī)柜整體出風(fēng)溫度為21～30 ℃，從地板出風(fēng)至Z=1 500 mm高度區(qū)間，溫度基本不超過(guò)29 ℃，冷量利用充分，各列機(jī)柜出風(fēng)溫度均勻，氣流組織合理。

當(dāng)送風(fēng)溫度為18 ℃時(shí)，機(jī)柜整體出風(fēng)溫度在23～31 ℃，冷量利用較好，根據(jù)云圖可以直觀看到，B列機(jī)柜近端產(chǎn)生局部熱點(diǎn)趨勢(shì)，由于送風(fēng)溫度較低，在近端并未真正產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，雖不影響服務(wù)器運(yùn)行，但日常維護(hù)檢測(cè)需多加注意。

表3 不同送風(fēng)溫度下的機(jī)柜后門(mén)出風(fēng)溫度對(duì)比Tab.3 Comparison of outlet air temperature of cabinet door with different air supply temperature

當(dāng)送風(fēng)溫度為20 ℃時(shí)，Z=1 500 mm的溫度測(cè)量普遍超過(guò)32 ℃，機(jī)柜背面的熱通道內(nèi)出現(xiàn)大面積出風(fēng)溫度高于32 ℃，各列機(jī)柜上方有多處明顯出現(xiàn)局部熱點(diǎn)，且Z=1 500 mm的送風(fēng)溫度有多處達(dá)到25 ℃。如果送風(fēng)溫度超過(guò)25 ℃，通常假定服務(wù)器過(guò)熱[25]。鑒于20 ℃送風(fēng)情況下溫度分布不利于服務(wù)器散熱，因此不建議設(shè)置此送風(fēng)溫度。

考慮數(shù)據(jù)中心自身的特殊性，對(duì)安全性的要求高于效率。因此在建設(shè)及使用中，必須首先保障數(shù)據(jù)中心的安全性。3種送風(fēng)溫度工況下的機(jī)房熱工環(huán)境優(yōu)劣，還需參考評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)一步分析。

ASHRAE[26]根據(jù)機(jī)柜入風(fēng)口空氣溫濕度衡量空氣冷卻散熱設(shè)備的數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境質(zhì)量。但是ASHRAE的結(jié)果不能反映單個(gè)機(jī)柜“不健康的程度”，即不便于分析單個(gè)機(jī)柜局部過(guò)熱等情況。

本文采用M.K.Herrlin[27]提出的回風(fēng)溫度指數(shù)RTI(return temperature index)來(lái)分析3種送風(fēng)溫度下的服務(wù)器運(yùn)行情況?；仫L(fēng)溫度指數(shù)是冷卻系統(tǒng)與IT設(shè)備的平均進(jìn)排風(fēng)溫差之比，用于表征某個(gè)機(jī)柜的氣流組織的能量特性。通過(guò)RTI 能夠有效判斷機(jī)柜是否處于空氣短路或者空氣再循環(huán)的狀態(tài)。RTI>100%說(shuō)明存在氣流再循環(huán)現(xiàn)象，RTI=100%為理想情況，RTI<100%說(shuō)明存在氣流短路現(xiàn)象。

回風(fēng)溫度指數(shù)的計(jì)算式：

RTI=[TR-TS]/ΔTE]×100%

(1)

式中：TR為機(jī)房回風(fēng)溫度，℃；TS為地板送風(fēng)溫度，℃；ΔTE為IT 設(shè)備機(jī)柜在進(jìn)出口空氣的溫差，℃；RTI為回風(fēng)溫度指數(shù)。

結(jié)合實(shí)測(cè)與模擬情況來(lái)看，B列機(jī)柜頂部溫度相對(duì)偏高，出現(xiàn)局部熱點(diǎn)的可能性更大，所以選取B列機(jī)柜計(jì)算RTI，結(jié)果如表4所示。

表4 B列1#～9#機(jī)柜的RTITab.4 The RTI of the 1#-9# frame B cabinet

由表4可知，大部分機(jī)柜的RTI<100%，說(shuō)明冷通道封閉的風(fēng)道幾何結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)中心而言，可以有效避免氣流再循環(huán)。16 ℃的RTI最接近理想值100%，平均差值最小，其次是18 ℃的RTI，再次是20 ℃的RTI。送風(fēng)溫度為16 ℃時(shí)，服務(wù)器運(yùn)行的熱工環(huán)境最佳，18 ℃時(shí)的能耗較少，服務(wù)器運(yùn)行環(huán)境的整體溫度相比16 ℃送風(fēng)時(shí)略高，但在可接受范圍內(nèi)，這與前面對(duì)比溫度場(chǎng)得出的結(jié)論一致。為驗(yàn)證該數(shù)據(jù)中心可接受送風(fēng)溫度上限，本文在送風(fēng)溫度為19 ℃時(shí)，測(cè)量了機(jī)柜后門(mén)出風(fēng)溫度場(chǎng)并計(jì)算RTI。發(fā)現(xiàn)送風(fēng)溫度為19 ℃時(shí)，數(shù)據(jù)中心整體熱環(huán)境與18 ℃時(shí)的熱環(huán)境相差不大，仍在可接受范圍，故認(rèn)為送風(fēng)溫度上限為19 ℃。

綜上所述，送風(fēng)溫度的變化對(duì)氣流組織的穩(wěn)定有一定影響，送風(fēng)溫度提高，機(jī)柜平均出風(fēng)溫度隨之提高。送風(fēng)溫度不合理，使機(jī)柜熱環(huán)境產(chǎn)生波動(dòng)，進(jìn)而影響機(jī)組冷量的充分利用、產(chǎn)生局部熱點(diǎn)等問(wèn)題。送風(fēng)溫度在16～19 ℃時(shí)，機(jī)房整體環(huán)境溫度符合數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范的推薦值[28]，服務(wù)器運(yùn)行環(huán)境的溫度較低，避免了局部熱點(diǎn)的產(chǎn)生，熱工環(huán)境良好；由于送風(fēng)溫度為20 ℃時(shí)，局部熱點(diǎn)較多，因此不予考慮。綜上所述，該數(shù)據(jù)中心推薦送風(fēng)溫度為16～19 ℃。

5 測(cè)量的不確定度分析

我國(guó)的測(cè)量行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[29-30]對(duì)測(cè)量不確度表示指南[31]的等同采用，對(duì)科學(xué)研究、工程技術(shù)及商貿(mào)中大量存在的數(shù)據(jù)的處理和表示均具有適用性。測(cè)量不確定度的定義[29-31]:與測(cè)量結(jié)果相關(guān)聯(lián)的一個(gè)參數(shù), 用于表征合理地賦予被測(cè)量值的分散性。不確定度指導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏離的程度, 用分散性尺度來(lái)評(píng)價(jià)測(cè)量結(jié)果質(zhì)量, 綜合了全部誤差因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

不確定度分析理論是誤差理論的進(jìn)一步發(fā)展,主要按不確定度來(lái)源分為系統(tǒng)不確定度和隨機(jī)不確定度, 系統(tǒng)不確定度可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、資料、儀器說(shuō)明書(shū)評(píng)定, 而隨機(jī)不確定度可以根據(jù)直接測(cè)量樣本標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)獲得[32]。

本實(shí)驗(yàn)使用的儀器：1)Testo425熱敏風(fēng)速儀，溫度測(cè)量不確定度為±(0.5 ℃±0.7%測(cè)量值)；2)Testo416風(fēng)速計(jì)，風(fēng)速量程為1～40 m/s，風(fēng)速測(cè)量不確定度為±(0.2 m/s±1.5%測(cè)量值)。

不確定度根據(jù)估計(jì)方法不同, 分為按統(tǒng)計(jì)分布估計(jì)的A 類(lèi)不確定度和按非統(tǒng)計(jì)分布估計(jì)的B 類(lèi)不確定度兩類(lèi)。A類(lèi)不確定度采用貝塞爾公式計(jì)算得到：樣本均值即測(cè)量結(jié)果，樣本標(biāo)準(zhǔn)差即測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；對(duì)B 類(lèi)不確定度，常以儀器誤差Δ儀乘以與其分布有關(guān)的因子KP簡(jiǎn)化表示，但因Δ儀為儀器的允許誤差，則應(yīng)有接近100%的置信概率，因而大多數(shù)實(shí)驗(yàn)可簡(jiǎn)化將Δ儀當(dāng)作B 類(lèi)不確定度[32]。文中以B列機(jī)柜5#為例，對(duì)風(fēng)速和溫度進(jìn)行不確定度分析，其他機(jī)柜分析方法相同，不再贅述。

不確定度計(jì)算公式：

(2)

式中：tP(n-1)為n次測(cè)試所對(duì)應(yīng)的t分布概率；SX為由貝塞爾公式計(jì)算得出的標(biāo)準(zhǔn)偏差；n為測(cè)試取點(diǎn)數(shù)量；ΔA為A類(lèi)不確定度。

ΔB=Δ儀

(3)

式中：Δ儀為儀器誤差；ΔB為B類(lèi)不確定度。

(4)

式中：ΔX為合成不確定度，即最終不確定度。

根據(jù)表5中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出B列機(jī)柜5#各水平高度的風(fēng)速不確定度為：uz=500=0.017；uz=1 000=0.023；uz=1 500=0.017。

表5 B列機(jī)柜5#各水平高度的風(fēng)速Tab.5 Each horizontal height wind speed of the 5# B cabinet

表6 B列機(jī)柜5#各水平高度的溫度Tab.6 Each horizontal height temperature of the5# B cabinet

根據(jù)表6中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出B列機(jī)柜5#各水平高度的溫度不確定度為：uz=500=0.099；uz=1 000=0.172；uz=1 500=0.057。

因此，B列機(jī)柜5#的風(fēng)速和環(huán)境溫度的不確定度較小，可見(jiàn)測(cè)量結(jié)果的離散性小，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度高。

6 結(jié)論

本文首先應(yīng)用CFD數(shù)值模擬方法設(shè)計(jì)出最優(yōu)的地板下送風(fēng)數(shù)據(jù)中心幾何結(jié)構(gòu)，然后改變地板穿孔率和擋板角度，驗(yàn)證了包含最優(yōu)模型在內(nèi)的6組風(fēng)道結(jié)構(gòu)，實(shí)測(cè)與模擬速度相對(duì)誤差最大為17%，溫度相對(duì)誤差最大為5%，速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)吻合程度較高。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)據(jù)中心實(shí)際能耗現(xiàn)狀，調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)送風(fēng)溫度觀測(cè)氣流組織的變化，得出最適送風(fēng)溫度區(qū)間，使數(shù)據(jù)中心氣流組織與溫度分布更合理，避免冷量浪費(fèi)，主要結(jié)論如下：

1)通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)與模擬中各列機(jī)柜前門(mén)進(jìn)風(fēng)溫度和速度這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了第一部分模擬優(yōu)化風(fēng)道結(jié)構(gòu)的正確性，為地板下送風(fēng)型數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)提供參考。

2)在變送風(fēng)溫度工況下，對(duì)該數(shù)據(jù)中心奇數(shù)列子模塊的實(shí)測(cè)分析表明：結(jié)合該數(shù)據(jù)中心熱流密度與能耗水平，送風(fēng)溫度為16～19 ℃時(shí)，機(jī)房熱工環(huán)境良好；當(dāng)優(yōu)先考慮服務(wù)器安全性時(shí)，建議采用16 ℃送風(fēng)，當(dāng)優(yōu)先考慮數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗時(shí)，建議采用19 ℃送風(fēng)，對(duì)于一般數(shù)據(jù)中心，送風(fēng)溫度可在16～19 ℃之間選取。

3)送風(fēng)溫度變化對(duì)數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境及氣流組織產(chǎn)生一定影響，但機(jī)組能耗情況也會(huì)變化。文中采用回風(fēng)溫度指數(shù)RTI加以評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心的熱工環(huán)境，雖然能夠反映各機(jī)柜溫度分布不均勻程度，但還不能全面地分析該溫度分布差異對(duì)整個(gè)機(jī)房換熱性能的影響，后續(xù)研究可以將送風(fēng)溫度與數(shù)據(jù)中心能耗變化及氣流組織的多項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合考慮，通過(guò)數(shù)值模擬得出最佳送風(fēng)溫度與最優(yōu)能耗的結(jié)合點(diǎn)。

本文受江蘇省教育廳高校自然科學(xué)基金(15KJD470001)和江蘇省研究生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃(SJCX17_0341)項(xiàng)目資助。(The project was supported by the Higher Education Institutions of Jiangsu Province (No.15KJD470001) and Graduate Practical Innovation Projects of Jiangsu Province (No.SJCX17_0341).)

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