一、概述
　　
　　随着数字科技的迅速发展,作为基础设施的数据机房也日益增多。数据机房主要由IT设备、供配电系统和空调系统三部分构成[1-3]。在《GB50174—2017数据中心设计规范》中,规定机柜进风处的温度为18℃～27℃。随着IT设备功耗的加大,数据机房空调系统配置、气流组织和温度场设计显得越发重要。对于开发测试用的数据机房,其设备较多且运行率较高,在夏季往往容易出现过温现象[4-8]。
　　
　　某开发测试数据机房在夏季高温期间运行时出现了局部过温现象。基于理论计算空调系统配置处于合理期间,评估过温原因为气流组织和温度场设计不合理。数据机房是需要不间断工作,机房整改方式和次数需考虑该工作特性。因此,以该数据机房为研究对象,运用6SigmaDC软件进行建模仿真,借助CFD(Computational Fluid Dynamics)仿真技术指导优化措施,以期解决该数据机房局部过温问题。
　　
　　二、机房概况
　　
　　该机房区域面积为516.5m²,共有6组采用封闭冷通道的微模块,微模块1～微模块5均为双边设备,微模块6为单边设备。双边微模块内包含2套120kVA一体化UPS系统、3台25kW列间空调(回风温度控制37℃)、5台列间空调扩容机柜、22台IT机柜,IT设备的最大功率为60.5kW,详见图1、图2所示。
　　
　　在外界环境温度38℃运行时,18个放置在冷通道的温湿度采集模块有11个超过27℃,有6个超过30℃,最高温度35.1℃,不能满足要求,详见图3所示。
　　
　　三、理论计算与CFD模拟
　　
　　1.空调系统配置计算
　　
　　机房冷负荷
　　
　　Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5  (2-1)
　　
　　上述式中:
　　
　　1）机房设备冷负荷Q1=P×γ₁×γ₂×γ₃,P为各种设备总功耗;γ₁为设备同时使用系数;γ₂为利用系数;γ₃为负荷均匀系数;通常,γ₁、γ₂、γ₃取0.7～0.8之间;考虑制冷量冗余,γ₁×γ₂×γ₃可取值为0.8;
　　
　　2）机房照明冷负荷Q2=δ×S,δ为根据《GB2887-89计算站场地技术条件》要求,取值20W/m²,S为机房面积;
　　
　　3）建筑维护结构冷负荷Q3=ε×S,ε为建筑维护结构冷负荷系数,取50～60W/m²,S为机房面积;
　　
　　4）人员散热负荷Q4=W×N,W为人体发热量,轻体力工作人员冷负荷显热与潜热之和,在室温为21℃和24℃时均为130W/人;N为机房人员数量;
　　
　　5）新风冷负荷Q5主要按照人员所需新风负荷量计算,通常可按照机房总冷负荷的5～10%取值。
　　
　　按上述计算,机房总冷负荷需求为406kW,机房内共有17台制冷量为25kW的列间精密空调,总制冷量为425kW,可满足要求,但空调制冷余量为4.5%,已经很临界。
　　
　　2.理论方程
　　
　　气流组织和传热过程的控制方程如下[9-10]。
　　
　　连续性方程:
　　　　
　　动量方程:
　　　　
　　能量方程:
　  　　
　　上述式中:为速度矢量;ρ为空气密度;P为压力;μ为空气动力粘度;τT为湍流粘性应力;Cp为空气的定压比热容;T为开尔文温度;λc为空气导热系数;λs为空气导热系数。
　　
　　3.仿真计算
　　
　　依据实际服务器上架情况和功率测量值,运用6SigmaRoom软件进行建模和边界条件赋值;空调按照实际运行设置,回风温度37℃,制冷量25kW,风量为5000m³/h×90%。
　　
　　模型图详见图4,不同位置温度云图和速度云图详见图5所示。热风回流示意图详见图6所示。

　　4.仿真偏差对比
　　
　　对比18个温湿度采集模块的实测数据,仿真和实验测试偏差5.5%内,最大偏差为1.6℃,仿真可以复现局部热点和热风回流现象,详见图7所示。
　　
　　四、优化措施
　　
　　1.问题分析及优化措施
　　
　　结合现场测试,分析主要原因为:
　　
　　1）微通道内存在多处机柜盲板未封闭,机柜密封差,热通道的热风直接短路到机柜正面进风口,详见图8所示。
　　
　　措施:增加盲板、机柜左右侧增加毛刷。
　　
　　2）光纤交换机的进出风方向与服务器相反且光纤交换机从机柜正面走线,导致该处无法密封。
　　
　　措施:增加1U理线架和开孔网板,在兼顾光纤交换机通风需求基础上增强密封性。后续停机运维,评估将光纤交换机旋转180°安装。详见图9所示。
　　
　　3）微模块1列头空调的送风温度仅17℃,原因为受限现场空间结构,微模块1和微模块2不是并列摆放,微模块2列头机柜里面有一台散热量很大的光纤交换机,该设备的热排风直接对着微模块1的空调回风口,导致该空调送风温度偏低。详见图10所示。
　　
　　措施:提高该空调回风控制温度或调整为送风控制。
　　
　　2.优化仿真及实测效果
　　
　　根据上述优化措施进行仿真,冷通道仿真温度最高26.8℃,实测最高温度为25.8℃,满足要求。不同位置温度云图和速度云图详见图11,粒子流详见图12,空调使用冷量见图13,改善实测见图13。
　　

　　五、结论
　　
　　本文运用CFD仿真技术指导并解决了某数据机房局部过温问题,对后续数据机房的建设、制冷系统设计和设备上架具有一定的指导意义,结论如下:
　　
　　1）运用CFD软件可以较准确地模拟数据机房的运行情况,仿真和实验测试偏差在5.5%内,最大偏差为1.6℃;可以运用仿真软件指导数据机房优化。
　　
　　2）冷热通道需要进行密封分隔处理,密封性差往往会导致局部热点;可以通过增加盲板和毛刷等措施改善密封性。
　　
　　3）在同一数据机房,IT设备选型需考虑进出风方向,在设备上架时需确保IT设备的气流组织方向与制冷系统一致。
　　
　　4）制冷系统核算需考虑夏季高温对空调制冷量和建筑热负荷影响,空调配置建议有10%以上的制冷量冗余;如制冷量冗余小于5%,需要考虑微模块内IT设备的均匀分布,应避免将多数发热量大的IT设备布置在局部区域。
　　
　　参考文献
　　
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　　[10]陶文铨.数值传热学(第2版)[M].西安:西安交通大学出版社,2001
　　
　　作者简介
　　
　　卢艺杰,2017年毕业于南京理工大学动力工程专业,硕士研究生。现为科华的主任级热设计工程师,从事数据中心、高端UPS、逆变器、电池系统等热管理工作已有8年有余。
　　
　　编辑：Harris