一、引言
　　
　　在双碳政策下,间接蒸发冷却空调近年来在国内数据中心项目上有越来越多的应用,2019年CDCC发布了《数据中心间接蒸发冷却技术白皮书》说明了间接蒸发冷却应用范围,包括高温高湿地区、中温中湿地区、低温低湿地区。高温高湿的我国东南部区域间接蒸发冷却全年自然冷时间比传统空调水侧自然冷时间多2000小时。因此,部分地区的数据中心采用间接蒸发冷却空调(AHU)可有效降低数据中心PUE。
　　
　　本文将系统地介绍AHU设备的CFD模拟方法,结合实际案例,发现AHU设备在设计阶段可能存在的隐患,并进行优化。
　　
　　在介绍AHU的CFD模拟方法之前,我们首先对AHU的工作原理进行简单说明。间接蒸发冷却(IEC)是蒸发冷却技术中的一种,通过换热芯实现室内侧空气与室外侧水不直接接触换热,利用间接蒸发冷却原理创建空调可以作为数据中心的冷源,可以实现三种工作模式下自动切换高效运行。
　　
　　二、AHU设备的工作原理
　　
　　AHU主要分为喷淋系统、换热芯、补冷系统三大组成部分,如图1所示。其中,喷淋系统对室外空气进行绝热冷却处理,在室外空气经过喷淋系统时对其进行等焓加湿,在此过程中将室外空气由干球温度降低至接近湿球温度。降温后的室外空气在换热系统中与室内回风进行热交换,降低室内回风温度。当由室外空气供给的冷量不足时,补冷系统启动,为AHU提供额外制冷量从而满足室内冷量需求。市面上的AHU补冷设备多为直膨式空调系统。
　　
　　了解了AHU系统的基本原理后,下面对CFD模拟的输入参数进行说明。在进行参数输入之前,首先要确定AHU的运行模式,AHU在工作时分为以下三种运行模式:
　　
　　1）干模式,当冷量需求量小时,仅主循环工作,直接用室外空气冷却机房中的空气。
　　
　　2）湿模式,当冷量需求增加,室外风扇转速不断增加,若增至最大依然无法满足冷量需求时,空气绝热处理系统开启。
　　
　　3）混合模式,当绝热处理系统开启仍无法满足冷量需求时,补冷系统开启。对应不同运行模式，其仿真输入参数如表1所示。

　　
　　如果只对AHU的干模式进行模拟分析,则只需要知道室外风向、室内外空气的循环风量、干球温度、换热芯的换热效率等参数即可进行仿真。在对湿模式和混合模式进行仿真时,由于喷淋系统和补冷系统都参与了工作,因此需要对应的补充相对湿度,蒸发效率以及补冷系统能耗能信息。要重点说明的是,由于AHU喷淋系统绝热冷却的效率与室外空气的温度和湿度有着直接关系,特别是AHU布置较为密集的区域,AHU的排气对周围空气的温湿度影响较大,导致设备间回相互影响,因此要求仿真软件对室外的湿度,以及喷淋系统产生的空气湿度变化可以进行准确的模拟计算,才能确保整个模拟结果的准确性。
　　
　　三、案例分析
　　
　　2022年5月7日腾讯数据中心在其官方公众号上发布了一篇关于T-Block设计相关的文章[1]。文中说到“腾讯第四代数据中心园区包含多栋建筑,每栋建筑配置多个T-Block模块,每个T-Block模块又配置了多台高效空气侧间接蒸发了空调,在大型园区设计规划中,如何满足各系统高效散热使困扰IDC架构师多年的问题。从文章内容可见,腾讯对T-Block设计进行了CFD模拟。本文就几个要点问题进行如下说明。
　　
　　3.1过密的设备间距产生热回流
　　
　　针对此问题,可以采用增加导风管的设计,人为增加设备进出风口距离,同时引导气流方向,避免热回流产生。如图2所示,某数据中心的一侧有上下两层AHU设备,底层AHU的排风口距离上层AHU的进风口非常近,如果不进行特殊处理,势必会有部分底层设备的排气回流入上层设备进风口。当前模型中我们在底层设备的排风口处增加排风管,将其排风引导至较高的高度，如图3所示。模拟结果显示此项举措可以完全解决热回流的问题。
　　

　　3.2其他设备对AHU效率的影响分析
　　
　　在图4中在数据中心南侧布置三台柴发后,根据模拟结果可以看出,在柴发启动时,其产生的高温排烟及排风会明显影响到AHU设备,因此我们需要调整柴发位置,或增加排风管将柴发的排风引导至高处,防止其影响AHU的工作效率。
　　
　　如图5所示,腾讯数据中心通过以上测措施,有效防止了柴发对AHU的影响。
　　
　　3.3室外多风向模拟分析
　　
　　上面两张图4和图5分别为不通风情况下该数据中心室外设备的气流流线,可以看出在不同的风向下,设备的流线变化非常之大,因此,风向的改变也会带来许多新的问题。
　　
　　如图6所示,在外部风向改变情况,图7所示为风向改变后模拟结果显示上层的AHU设备出现了明显的气流短路现象。由软件分析我们了解到此处的气流短路是由于流经屋顶的气流与设备排气的碰撞产生的压差导数值致的,只需将上层设备的排风口高度略微提升即可解决此问题。
　　
　　因此,在对AHU的室外侧进行CFD模拟时,需要进行多风向、多工况的分析,确保模拟场景覆盖大多数室外气象条件,从而确保设计及优化方案的准确度。
　　
　　四、总结
　　
　　本文对间接蒸发冷却空调(AHU)的原理及其CFD模拟方法和输入参数进行了系统的说明与归纳。结合腾讯T-Block的设计方案,总结了在对AHU进行CFD模拟分析时,需要注意的问题以及部分优化措施。主要分为以下几点:
　　
　　1)CFD模拟需考虑空气湿度和室外柴发等其他设备影响。
　　
　　2)通过增加设备间距,调整设备布局,设置导风管引导气流走向等措施防止热回流。
　　
　　3)进行多风向、多工况的模拟确保发现各种气象条件下问题并加以改善。
　　
　　参考文献
　　
　　腾讯数据中心.“有风宜来——T-block设计篇”[online],https://mp.weixin.qq.com/s/1rryo2U5Pa60965bBWoIDg(2022/5/7)
　　
　　作者简介
　　
　　韩泽磊,北京瑞思博创科技有限公司高级工程师;日本芝浦工业大学硕士毕业;日本建筑协会会员、日本绿色建筑协会(GBL)会员、日本空气净化学会会员;3年CFD软件应用经验,擅长建筑行业新节能技术的应用,完成数据中心CFD仿真咨询项目数十个。
　　
　　黄冬梅,主编《数据中心CFD技术白皮书》2019年11月出版,北京瑞思博创科技有限公司总经理,浙江大学博士毕业,从事数据中心CFD仿真、数据中心节能、数据中心数字孪生等技术,有20多年的经验。
　　
　　主编中文版《数据中心手册》2022年4月出版
　　
　　主编T/DZJN47-2021《数据中心数字孪生技术规范》团体标准
　　
　　主编T/NIISA003-2019《数据中心气流组织技术规范》团体标准
　　
　　编辑：Harris