某数据中心机房方案优化及机柜进风温度分析

苏志

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

0 引言

随着我国数据中心建设的迅猛发展，为贯彻落实我国节约资源、保护环境的要求，有关部门于 2015 年发布了 《绿色数据中心建筑评价技术细则》（下称 《细则》），作为国家标准《绿色建筑评价标准》 GB/T 50378-2014 的补充，旨在推进绿色数据中心的建设。

在数据机房的运行过程中，信息设备的进风温度与空调送风温度的差值反映了空调送风与室内热空气的掺混程度，同时也反映了冷空气送到各信息设备的均匀程度。因此 《细则》 中将信息设备的最高进风温度与空调送风温度差值列为评分项，作为评价主机房内气流组织是否合理的依据[1]。《细则》 中 8.2.2 条规定，信息设备最高进风温度与空调送风温度之差小于 8 ℃、6 ℃、4 ℃时，分别得6 分、9 分、12 分。

目前国内外已有大量的专家学者对数据机房气流组织进行了研究，但主要集中在机房的整体环境温度分布上，对信息设备的最高进风温度进行评价的文献较少。本文以上海某银行新建数据中心为研究对象，通过 6SigmaDC 软件对其数据机房进行数值模拟，6SigmaDC 软件主要用于数据中心内部热环境的 CFD 模拟分析，由于该软件可对机柜参数进行具体设置，便于对机柜内部气流状况进行分析。本文对设计工况下的信息设备的最高进风温度情况进行了分析，旨在为类似项目的绿色数据中心设计评分提供参考依据。

1 数据机房模型

本文的研究对象为某银行新建数据中心，项目位于上海市浦东新区。该项目包括数据中心及办公大楼 两栋单体建筑，其中数据中心大楼为 4 层建筑，在 2～4 层共设有7 间标准数据机房。每间标准数据机房均为矩形平面，面宽 17.00 m，进深 30.20 m，位于建筑的中心区域，各数据机房均为内区房间。项目按国家 A 级数据机房标准设计[2]。根据A 级数据机房设计标准以及银行对数据机房的可靠性要求，本项目按冷通道送风温度18 ℃、相对湿度50%设计。

由于本项目单个数据机房面积较大，该尺度的数据机房较常见的布置形式为双侧布置空调设备，但设计时发现该方案难以避免在数据机房区域出现结构立柱，如图1 所示。结构立柱不但影响机柜布置，也容易在架空地板中产生局部绕流，影响空调的气流组织。因此为了确保主机房区域无结构立柱，与土建专业协作优化了柱网间距，改为采取单侧纵向设置空调机房的形式，通过本次模拟验证同时也可以验证该跨度下单侧送风的可靠性。最终的数据机房平面如图 2 所示。由于所有机房布置相同或镜像布置，因此仅选取二层西侧数据机房为例进行模拟分析。

图1 数据机房方案平面图

图2 数据机房优化后平面图

每个标准机房内共有10 排机柜，每排由 14 个机柜组成，共 140 个服务器机柜。根据银行数据中心机柜主要为服务器机柜的特点，机柜均按 1U 服务器设计，单个 1U 服务器功率100 W，每个机柜功率按限额 4 kW 设置，每个机柜的尺寸为深 1.2 m×宽 0.6 m×高 2 m。根据机房负荷，每个机房设置7 台冷冻水型恒温恒湿精密空调（6 用 1 备），单台空调制冷量 100 kW，风机送风量25000 m3/h，输入功率10.2 kW。

数据机房采用下送上回的送风方式。送风经架空地板进入冷通道，从设备正面进风，后出风。房间无吊顶，热气流自由回流到空调回风口。冷通道的宽度是 1.8 m，相对的两台机架之间为 3 块穿孔地板拼接而成，每块地板的尺寸为 0.6 m×0.6 m，热通道的宽度是 1.2 m，架空地板的高度是0.8 m。冷通道封闭已被证实是改善机房热环境的有效手段[3]，因此本次模拟考虑冷通道封闭以及冷通道不封闭两种情况，比较两种气流组织对信息设备进风温度的影响。两种情况下数据机房内的气流组织形式如图3 所示。

图3 机房气流组织示意图

最终建立的模拟模型如图4 所示。根据数据机房及模型的特点，本次模拟计算方法采用标准的k-ε双方程模型。

图4 数据机房模型

2 模拟结果与分析

本次模拟分别对冷通道封闭以及冷通道不封闭两种情况的室内温度场、速度场、信息设备进风温度进行分析。

2.1 冷通道不封闭情况

图5 和图6 所示分别为冷通道不封闭情况下，距离架空地板1 m 高处的水平温度场和速度场云图。图 7 和图8 所示为数据机房纵向剖面的温度场和速度场云图。从模拟结果可以看出，在送风温度为 18 ℃的条件下，不封闭冷通道时，冷通道温度在 18～21 ℃区间内，热通道距离地面1 m 以下的温度在24 ℃左右，距地面1 m 以上的温度在27～30 ℃，冷通道上部有冷空气溢流的情况。架空地板下风速1～2 m/s，冷通道的气流速度在 0.5～1 m/s 区间内，热通道气流速度约在 0.3～0.6 m/s 区间内，上部回风区速度最大处可达 1 m/s。

图5 距地1 m 高度处温度分布图（冷通道不封闭）

图6 距地1 m 高度处速度分布图（冷通道不封闭）

图7 数据机房剖面温度分布云图（冷通道不封闭）

图8 数据机房剖面速度分布云图（冷通道不封闭）

分析温度场和速度场可以得到，室内无结构立柱时，即使不封闭冷通道，单侧空调送风在 17 m 跨度时仍可以保持较为均匀的送风速度，并获得良好的温度场，且该工况下冷通道温度可以满足国家A 级数据机房对冷通道温度的要求18～27 ℃[2]。

对各设备机柜的进风温度进行分析，根据软件统计，进口温度最高的机柜位于数据机房南侧第一排，图 9 所示为第一排机柜的设备进口温度剖面图。从图中可以看出，虽然机柜的大部分区域进风温度与冷通道温度接近，但部分机柜的上部进风温度较高，温度最高的设备位于机柜最上两层，进口温度最高为 29.1 ℃。图10 为进口温度最高机柜的示意图，可看出设备机柜进风温度。根据统计结果，无封闭冷通道的情况下，机柜最大进口温度 29.1 ℃与送风温度 18 ℃温差为 11.1 ℃，大于 8 ℃，因此不能满足 《细则》 中 8.2.2 评分项的得分要求。

图9 第一排机柜进口温度剖面图（冷通道不封闭）

图10 进口温度最高机柜示意图（冷通道不封闭）

分析上部区域信息设备进风温度过高的原因，在冷通道未封闭时，冷通道上部存在冷空气溢流的情况，导致信息设备上部冷空气的进风量不足，同时，机柜上部靠近热空气回流区，部分热空气倒被吸入机柜，导致部分信息设备进风温度升高。

2.2 冷通道有封闭情况

图11 和图 12 所示分别为冷通道封闭情况下，距离架空地板1 m 高处的水平温度场和速度场云图。图 13 和图14 所示为数据机房纵向剖面的温度场和速度场云图。从模拟结果可以看出，在送风温度为 18 ℃的条件下，封闭冷通道时，冷通道温度在 18～19 ℃区间内，热通道距离地面1 m 以下的温度在24 ℃左右，距地面1 m 以上的温度在27～30 ℃区间内，冷通道的气流速度在 0.5 m/s 左右，热通道气流速度约在 0.4～ 0.6 m/s 区间内。

图11 距地1 m 高度处温度分布图（冷通道封闭）

图12 距地1 m 高度处速度分布图（冷通道封闭）

图13 数据机房剖面温度分布云图（冷通道封闭）

图14 数据机房剖面速度分布云图（冷通道封闭）

分析温度场和速度场可以得到，封闭冷通道后，数据机房的室内温度场相比较冷通道不封闭时更均匀，冷通道内的温升几乎可以忽略，冷通道内平均温度及平均速度均低于未封闭冷通道的情况。冷通道封闭的情况冷通道内送风温度同样满足国家 A 级数据机房的要求。

对各设备机柜的进风温度进行分析，根据软件统计，进口温度最高的机柜位于数据机房南侧第二排，图 15 所示为第二排机柜的设备进口温度剖面图。从图中可以看出，除端部的两台设备外，其余所有机柜的进风温度都与冷通道温度接近，端部两台设备的最高进风温度位于机柜最上两层，进口温度最高为 18.6 ℃。图 16 为进口温度最高机柜的示意图，可看出设备机柜进风温度。可以看出在封闭冷通道的情况下，机柜最大进口温度18.6 ℃与送风温度 18 ℃温差仅为0.6 ℃，小于4 ℃，按 《细则》 中 8.2.2 评分项的得分要求，在绿色数据中心建设中可得12 分。

图15 第一排机柜进口温度剖面图（冷通道封闭）

图16 进口温度最高机柜示意图（冷通道封闭）

分析端部两台设备进风温度略微升高的原因，主要是端部设备的上方处于冷通道封闭结构的角落，气流组织容易产生涡流，导致设备进风量受到影响。但冷通道的封闭杜绝了冷空气溢流和热空气掺混的问题，有效的解决了设备进风温度上部过高的问题。

3 结论及展望

根据 《细则》 中 8.2.2 评分项，需要对信息设备的最高进风温度与空调送风温度之差进行评价。上海某银行新建数据中心单个机房面宽 17.00 m，进深 30.20 m，采用单侧空调送风的形式。本文采用CFD 模拟软件对该项目进行了数值模拟，从模拟的结果可以看出：

1）数据机房采用单侧空调下送风在 17 m 跨度时可以保持较为均匀的送风速度，并获得良好温度场。

2）在冷通道送风温度 18 ℃、相对湿度 50%的设计参数下，冷通道不封闭时也可满足国家 A 级数据机房对冷通道温度的要求，但大部分机柜存在上部两层服务器进风温度过高的情况，信息设备最高进风温度与送风温度之差大于 8 ℃，无法满足 《细则》 8.2.2 的评分标准，不利于绿色数据中心的综合评分。

3）在冷通道送风温度 18 ℃、相对湿度 50%的设计参数下，冷通道封闭可有效减少空调送风与室内热气流的掺混，使空调送出的冷空气更直接有效的到达设备进风口处，所有设备均不存在服务器进风温度过高的情况，冷通道封闭时信息设备最高进风温度与送风温度之差小于4 ℃，可满足 《细则》 8.2.2 的最高评分标准，有利于绿色数据中心的综合评分。

基于上述分析，在绿色数据机房的建设中，冷通道封闭可以作为获得评分的有效手段，也有利于机房服务器运行时散热。本项目由于银行数据中心对于设备运行可靠性提出了较高的要求，送风温度按 18 ℃设计，但从模拟结果可以看出在冷通道封闭时，设备最高进风温度仅为19 ℃，适当提高送风也可确保设备的温度运行，具备提高送风温度以实现节能的可行性，后续研究中可研究提高送风温度对《细则》 8.2.2 评分项的影响，以推进绿色数据机房的建设。