徐文冰，王晨平，王克勇，潘 俊，陳 璐

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

數(shù)字經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展給數(shù)據(jù)中心的建設帶來了新機遇[1]。作為典型的高耗電單元，數(shù)據(jù)中心的運維也為電力系統(tǒng)帶來了新挑戰(zhàn)。電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）是衡量數(shù)據(jù)中心能耗的一個關(guān)鍵性指標，而制冷系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心各配套系統(tǒng)中耗電占比較大，因此成為降低PUE指標工作的重中之重[2]。在衡量數(shù)據(jù)中心冷卻效果的指標后，應提出相應的優(yōu)化與解決措施，以此降低能耗，推進數(shù)據(jù)中心綠色發(fā)展的進程。

在此基礎上，國內(nèi)外學者進行了大量的探索，旨在基于熱環(huán)境評價指標，用數(shù)值模擬的方式對氣流組織進行優(yōu)化分析[3]。陳杰在對機房熱環(huán)境的模擬研究中發(fā)現(xiàn)，封閉冷通道在避免氣流短路和實現(xiàn)節(jié)能降耗方面頗有成效[4]。蔣劍云等分別模擬研究了“封閉冷通道＋地板下送風”方案和“封閉熱通道＋吊頂回風”方案對機房熱環(huán)境的影響，結(jié)果表明“封閉熱通道＋吊頂送風”的方案更優(yōu)，不僅可以提高空調(diào)送回風溫度，還不會出現(xiàn)機房局部熱點的問題[5]。GONDIPALLI等通過改變冷通道門和封頂設計，進一步優(yōu)化了機房內(nèi)的氣流組織，改善了機房熱環(huán)境[6]。

本文在國內(nèi)外既有研究的基礎上，利用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術(shù)對江蘇省南京市某數(shù)據(jù)中心機房熱環(huán)境進行數(shù)值模擬，并基于熱環(huán)境評價指標對不同的機房氣流組織進行對比分析。進一步，提出分步優(yōu)化策略，為數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境優(yōu)化提供參考。

1 機房概況

該項目位于南京市某數(shù)據(jù)中心互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Date Center，IDC）機房，機房規(guī)格為24 m×16.2 m，送風形式為彌漫送風，吊頂回風，封閉熱通道。設計風量56 000 m3/h，空調(diào)數(shù)量為7臺（6用1備，單臺設計冷量225 kW），送風設計溫度25 ℃，回風設計溫度38 ℃。機房服務器機架共151個，單機架設計平均功耗8 kW。

2 研究方法及評價指標

2.1 研究方法

本文運用CFD軟件對數(shù)據(jù)中心機房的熱環(huán)境和氣流組織進行研究，選用標準k-ε湍流模型。

在建模與求解之前作出簡化假設：采用Boussinesq 假設；將墻壁視作絕熱壁面；單個機柜的發(fā)熱量不隨時間變化；忽略地板靜壓箱內(nèi)電纜及其他障礙物等等。

2.2 數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境評價指標

供熱指數(shù)（Supply Heat Index，SHI）、回熱指數(shù)（Return Heat Index，RHI）和回風溫度指數(shù)（Return Temperature Index，RTI）都是目前較為主流的評價指標[7,8]。

SHI指標表示在冷風冷卻機柜之前的冷量損失與總冷量損失之比，比值越小，表明冷量的利用效果越好，理想狀態(tài)值為0；RHI指標表示冷風用于冷卻機房機柜的冷量損失與總的冷量損失之比，比值越大，表明送風冷卻效果越好，理想狀態(tài)值為1。SHI、RHI具體定義式為

式中：Q為機房內(nèi)所有機柜的散熱量，kW；?Q為冷氣流進入機柜前的焓增，kW；為通過第i列第j排機柜的空氣質(zhì)量流量，kg/s；為第i列第j排機柜進、排風平均溫度，℃；Tref為機房送風溫度，即參考溫度，℃；Cp為空氣定壓比熱容，kJ/(kg·K)。

RTI指標可判定機柜中的空氣再循環(huán)和短路現(xiàn)象，具體定義式為

式中：TReturn為機房回風溫度，℃；TSupply為機房送風溫度，℃；?TEquipment為IT設備進排風平均溫差，℃。RTI指標反映冷熱氣流的混合程度，RTI值越接近1，說明機房氣流組織越合理、熱環(huán)境評價越高[9]。

3 建模求解及分析

3.1 建模及網(wǎng)格劃分

本文選用6Sigma Room軟件進行物理建模與網(wǎng)格劃分，冷通道寬1.8 m，熱通道寬1.5 m，吊頂高度為3.4 m。網(wǎng)格數(shù)量為2 921 000個，求解殘差判定模型收斂，迭代次數(shù)為1 000次，CFD殘差收斂值為0.1。物理模型如圖1所示，其中，為了提高送回風效率，在機組送回風口處增設導流氣道，送風口處為漸擴型喇叭口，回風口處為非漸擴型長方體。

圖1 某IDC機房物理模型

3.2 初始工況模擬結(jié)果分析

CFD模擬結(jié)果如圖2所示。其中，為了完整顯示各機架的最大出口溫度，將模型中的各橫梁作隱藏處理。

圖2 初始工況CFD模擬結(jié)果（送回風流線及各機架最大出口溫度）

由圖2可知，由于機組送風口處出口風速過高，短距離內(nèi)機組大風量直接從風口下部沖出，只有極少部分流線從喇叭口上側(cè)流出，故漸擴型喇叭口幾乎不起效，送風彌漫性很差。同時，最大機架出口溫度為41.4 ℃，且出現(xiàn)熱點，故該工況不滿足設計要求。此外，通過導出各機架的平均進出口溫度，初始工況下的SHI計算值為0.009，RHI計算值為0.991，RTI的計算值為0.94。

4 優(yōu)化方案模擬結(jié)果分析

4.1 優(yōu)化工況1

由于初始工況出口風速較高，此時動壓大，靜壓小，送風均勻性差。為了改善這一問題，擬降低機組的出口風速，即在保證風量不變的情況下，將送風口尺寸由2 000 mm×400 mm改為3 200 mm×2 400 mm，則出口風速由4 m/s降為2.5 m/s。優(yōu)化工況1的CFD模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 優(yōu)化工況1 CFD模擬結(jié)果（送回風流線及各機架最大出口溫度）

由圖3可知，在降低了機組送風速度后，從喇叭口上側(cè)流出的流線略有增加，但漸擴型喇叭口仍然沒有充分發(fā)揮效果，送風彌漫性不強。最大機架出口溫度為41.3 ℃，相較于初始工況略有好轉(zhuǎn)，但仍不滿足設計要求。

此外，通過導出各機架的平均進出口溫度，優(yōu)化工況1下的SHI計算值為0.009，與初始工況相比幾乎沒有變化，RHI計算值為0.991，與初始工況相比幾乎沒有變化；RTI的計算值為0.91，與初始工況相比降低了0.03。結(jié)合流線分析、各機架最大出口溫度分析以及評價指標的對比，該工況的優(yōu)化程度較差，故需要重新考慮優(yōu)化路徑。

4.2 優(yōu)化工況2

考慮到擴大送風口尺寸的方式難以消除局部熱點，擬從漸擴型喇叭口著手，增設導流板，將冷空氣送風均勻?qū)Я?，從而增強送風彌漫性，并消除室內(nèi)熱點，使氣流組織符合設計要求。本文對若干種導流板形式進行對比，選擇最優(yōu)的1種工況（優(yōu)化工況2）進行介紹與分析，導流板的具體設置情況和CFD模擬結(jié)果如圖4 所示。

圖4 導流板設置情況及優(yōu)化工況2CFD模擬結(jié)果

共有6塊導流板，排成4列，旨在增強送風彌漫性，使其向喇叭口上部擴散。

由圖4可知，在降低了機組送風速度且合理增設導流板后，從喇叭口上側(cè)流出的流線數(shù)量有顯著增加，送風彌漫性明顯增強。另外，最大機架出口溫度為38.7 ℃，相較于初始工況降低了2.6 ℃，且消除了局部熱點。此外，通過導出各機架的平均進出口溫度，優(yōu)化工況2下的SHI計算值為0.004，相較于初始工況降低了0.005，RHI計算值為0.996，相較于初始工況增加了0.005；RTI的計算值為0.98，相較于初始工況降低了0.04。

通過模擬結(jié)果分析可知，通過合理增設導流板，可以有效降低機架排風溫度，消除室內(nèi)熱點。但優(yōu)化工況2的最大出口溫度仍有一定的優(yōu)化空間，本文給出3點優(yōu)化思路。

（1）優(yōu)化出風方式。由模擬結(jié)果可知，單純通過喇叭口難以達到較好的擴散效果，可適當增大喇叭口的距離。另外，宜在風管內(nèi)增加均流導流板，可同時在風口處設置70%鏤空率橫向整流百葉。

（2）優(yōu)化送風距離。為保證遠端機柜的動壓，需要提供較大的送風風速。而風速提高后，第一排機柜對氣流的阻擋作用會形成氣流死角，氣流組織較差。可在靠近風機一側(cè)的第一個機柜前增加一個假柜體，起到均流作用，或?qū)⒘蓄^柜改在左側(cè)，代替假柜體的作用。具體實施方式應根據(jù)項目現(xiàn)場情況實行。

（3）降低回風速度。當前工況下的回風風速較高，可參考送風形式，將回風口也設置為喇叭口形式，以此增大回風口面積，從而降低回風速度，改善機房內(nèi)的氣流組織。

5 結(jié) 論

本文通過對數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境指標的介紹，并基于某工程實例對數(shù)據(jù)中心高密度設備散熱情況進行了仿真模擬與優(yōu)化分析。結(jié)果表明如下。

（1）初始工況下的SHI計算值為0.009，RHI計算值為0.991，RTI的計算值為0.94，最大機架出口溫度為41.4 ℃，且出現(xiàn)熱點，不滿足設計要求。

（2）通過改變送風口尺寸，降低機組出口風速，得到優(yōu)化工況1。該工況下的SHI計算值為0.009，RHI計算值為0.991，與初始工況相比幾乎沒有變化；RTI的計算值為0.91，與初始工況相比降低了0.03。最大機架出口溫度為41.3 ℃，相較于初始工況略有好轉(zhuǎn)，但仍不滿足設計要求。

（3）通過合理加設導流板，增強送風彌漫性，得到優(yōu)化工況2。該工況下的SHI計算值為0.004，相較于初始工況降低了0.005，RHI計算值為0.996，相較于初始工況增加了0.005；RTI的計算值為0.98，相較于初始工況增加了0.04；最大機架出口溫度為38.7 ℃，相較于初始工況降低了2.4 ℃，且消除了局部熱點，符合設計要求。

（4）為了進一步優(yōu)化機房熱環(huán)境，提出3點思路，分別是優(yōu)化出風方式、優(yōu)化送風距離和降低回風速度。具體實施方式應根據(jù)項目現(xiàn)場情況實行。