1引言

在數(shù)據(jù)中心眾多用電成本支出中，空調(diào)的用電占有相當(dāng)大的比例。根據(jù)調(diào)查了解，僅精密空調(diào)運(yùn)行耗電就占機(jī)房電費(fèi)總量的50％以上 。因此，合理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)，對降低數(shù)據(jù)中心機(jī)房的運(yùn)行成本具有重要意義。

機(jī)房中，因設(shè)計(jì)不合理等因素制約，會造成機(jī)房氣流組織不合理、不通暢，從而導(dǎo)致局部熱點(diǎn)、機(jī)房能源利用率低等問題 。因此，不僅需要合理設(shè)計(jì)機(jī)房的空調(diào)系統(tǒng)，更需要在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行階段利用CFD軟件模擬分析數(shù)據(jù)中心主機(jī)房氣流組織情況，并提出氣流組織優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，這對數(shù)據(jù)中心機(jī)房的節(jié)能減排有著巨大的作用。

2工程概況

本文設(shè)計(jì)對象———數(shù)據(jù)中心機(jī)房大樓位于江蘇省南京市，為四層鋼筋混凝土框架建筑，總面積2522ｍ2，機(jī)房樓層高5.5ｍ，凈高3ｍ。主要分為一層UPS區(qū)（約312ｍ2），二層網(wǎng)絡(luò)、介質(zhì)區(qū)（797ｍ2），三層主機(jī)房區(qū)（827ｍ2），四層設(shè)備維運(yùn)區(qū)（174ｍ2）等主要區(qū)域。

3機(jī)房環(huán)境技術(shù)要求

根據(jù)枟電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范枠，該程控機(jī)房為Ａ級，其設(shè)計(jì)的參數(shù)要求如表1所示 。為使機(jī)房達(dá)到上述溫度、濕度、潔凈度等要求，需用機(jī)房專用精密空調(diào)以滿足要求。

4空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 

4．1　負(fù)荷計(jì)算

數(shù)據(jù)中心負(fù)荷一般包括墻體、窗、人等冷負(fù)荷及服務(wù)器產(chǎn)生的顯熱冷負(fù)荷。其負(fù)荷特點(diǎn)是：發(fā)熱量大且相對穩(wěn)定，需要全年制冷。 

空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如表2所示。

4.2　空調(diào)方式設(shè)計(jì) 

目前數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)主要有３種空調(diào)方式：

(1)風(fēng)冷直接蒸發(fā)式精密空調(diào)機(jī)組；

(2)水冷直接蒸發(fā)式精密空調(diào)機(jī)組；

(3)冷凍水型精密空調(diào)機(jī)組。

結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境條件，以及在建筑格局、可靠性、安全性、初投資方面的比較，本工程選擇水冷直接蒸發(fā)式精密空調(diào)機(jī)組的空調(diào)方式，主要采用冷媒直接蒸發(fā)式蒸發(fā)器，冷凝器采用循環(huán)水直接冷卻方式，系統(tǒng)制冷介質(zhì)為冷媒(R22)。系統(tǒng)原理如圖1所示。由圖1可知，系統(tǒng)主要由室內(nèi)空調(diào)機(jī)組，冷卻水系統(tǒng)(含冷卻塔、水泵、管路)構(gòu)成。冷卻塔一用一備，水泵設(shè)計(jì)為2用1備，冷卻水管采用機(jī)械循環(huán)同程式布置。冷卻塔放置樓頂，循環(huán)水泵房設(shè)置在冷水機(jī)房。

4．3　氣流組織方式設(shè)計(jì)

由于機(jī)房機(jī)柜以面對面、背對背方式布置，在機(jī)房內(nèi)形成冷熱通道分離。因此，主機(jī)房區(qū)采用下送上回的氣流組織方式，熱空氣從機(jī)房空調(diào)機(jī)頂部進(jìn)入，經(jīng)冷卻后送入地板下的送風(fēng)靜壓箱，由穿孔地板進(jìn)入機(jī)房，使末端送回風(fēng)溫差增大，減少循環(huán)風(fēng)量，送風(fēng)口與回風(fēng)口分別采用孔板風(fēng)口600ｍｍ×600ｍｍ、格柵風(fēng)口600ｍｍ×600ｍｍ。

4．4　新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》要求：（1）主機(jī)房與其它房間、走廊的壓差不宜小于5pａ，與室外靜壓差不宜小于10pａ。（2）空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)量應(yīng)取下列兩項(xiàng)中的最大值：按工作人員計(jì)算，每人40ｍ3／ｈ；維持室內(nèi)正壓所需風(fēng)量 。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房新風(fēng)量計(jì)算公式為：

 L＝SHN（1）

 式中L———新風(fēng)量，ｍ3／ｈ 

S———房間面積，ｍ2 

H———機(jī)房有效高度，ｍ 

N———換氣次數(shù)，取N＝1．5次／ｈ 

以主機(jī)房為例，主機(jī)房面積為400ｍ2，層凈高5．5ｍ，則主機(jī)房所需新風(fēng)量應(yīng)不小于3300ｍ3／ｈ，根據(jù)該參數(shù)選擇新風(fēng)機(jī)。新風(fēng)經(jīng)過三級過濾，過濾效率達(dá)到９5％以上，能夠保證每升空氣中大于或等于0．5μｍ的塵粒數(shù)少于18000粒 ，處理新風(fēng)溫度至23℃后送至室內(nèi)。

新風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口由風(fēng)管接至室外吊頂安裝，送風(fēng)風(fēng)管在機(jī)房內(nèi)安裝，風(fēng)管上接散流器，將新風(fēng)均勻地送至機(jī)房內(nèi)。另室內(nèi)設(shè)置余壓閥，當(dāng)室內(nèi)正壓超過10pａ，能夠自動啟動泄壓。

4．5　消防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主機(jī)房區(qū)和UPS區(qū)采用七氟丙烷（FM200）氣體滅火系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)經(jīng)氣體滅火后，為有效排出滅火后的廢氣，需設(shè)氣體滅火后的排氣系統(tǒng)。

 根據(jù)消防排煙系統(tǒng)特點(diǎn)以及《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定：“滅火后，防護(hù)區(qū)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行通風(fēng)換氣，換氣次數(shù)可根據(jù)防護(hù)區(qū)的性質(zhì)考慮：通信機(jī)房、計(jì)算機(jī)機(jī)房可按每小時(shí)5次進(jìn)行”，本工程采用5次／ｈ的換氣次數(shù)作為主機(jī)房及UPS室的排煙風(fēng)量。

排風(fēng)量計(jì)算公式為： 

Q＝NV（2）

 式中Q———排風(fēng)量，m³/h

N———換氣次數(shù)，取5次／ｈ
V———房間體積，m³

 以主機(jī)房為例，計(jì)算出主機(jī)房所需排風(fēng)量為11000m³/h，以此參數(shù)來選擇消防排煙風(fēng)機(jī)。由于七氟丙烷的密度比空氣大，當(dāng)滅火后氣體聚集在房間的下部，因此需在架空地板上和下分別設(shè)置排煙風(fēng)口。

4．6　高密度制冷方案設(shè)計(jì)

一方面，在機(jī)房不同區(qū)域內(nèi)，由于刀片式服務(wù)器的分布不均等原因，導(dǎo)致機(jī)房各個部位發(fā)熱量不同，加上一些機(jī)房因下送上回的送風(fēng)方式，使得地板下線路擁堵，阻礙氣流流通；另一方面，在業(yè)務(wù)增長而增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備過程中，不同機(jī)柜內(nèi)以及區(qū)域的功率密度也會變得不再均衡，導(dǎo)致不同節(jié)點(diǎn)設(shè)備輻射的熱量不同。這些問題都會使機(jī)房出現(xiàn)局部設(shè)備附近過熱現(xiàn)象，即產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，嚴(yán)重增加機(jī)房能耗，影響機(jī)房效率。 

為降低能耗，本工程使用冷水背板技術(shù)，一種近距離制冷技術(shù)來改善局部空間發(fā)熱密度過高的問題。該背板安裝在機(jī)柜門后，不占用機(jī)房空間，使用過程中沒有功率損耗，也不產(chǎn)生噪聲，能夠滿足密度大的機(jī)房冷卻需要。該技術(shù)原理如圖2所示。

5氣流組織模擬分析及優(yōu)化

目前數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能技術(shù)歸結(jié)起來，可分為自然冷源利用、氣流組織優(yōu)化、提高空調(diào)設(shè)備本5氣流組織模擬分析及優(yōu)化目前數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能技術(shù)歸結(jié)起來，可分為自然冷源利用、氣流組織優(yōu)化、提高空調(diào)設(shè)備本身效率3種方式 。本文僅以數(shù)據(jù)中心主機(jī)房為例，從氣流組織優(yōu)化角度進(jìn)行氣流分析與優(yōu)化。

5．1　數(shù)據(jù)中心主機(jī)房模型

為研究對象建立3D模型如圖3所示。

(1)房間面積為400ｍ2，高為5.5ｍ。機(jī)房采用防靜電高架地板，鋪設(shè)高為750ｍｍ。

(2)根據(jù)測量資料，主機(jī)房內(nèi)人員及照明等冷負(fù)荷為３2W，服務(wù)器顯熱冷負(fù)荷為444W，采用精密空調(diào)機(jī)7臺，5用2備。

5．2　氣流組織模擬分析

數(shù)據(jù)中心主機(jī)房應(yīng)運(yùn)行在一個穩(wěn)定、合理、溫濕度分布均勻的環(huán)境中 ，主機(jī)房采用下送上回的氣流組織方式。下送風(fēng)的氣流方式，雖然有簡單、制冷效果好等優(yōu)點(diǎn)。但其應(yīng)用中極易出現(xiàn)地板下走線擁堵等問題，導(dǎo)致氣流組織不合理，增長空調(diào)能耗。為避免以上問題，本文使用IBM機(jī)房專用氣流模擬分析軟件對主機(jī)房氣流組織、溫度場進(jìn)行模擬，分析機(jī)房布局與氣流組織的合理性。因本工程主機(jī)房門窗較為密封，且開啟時(shí)間相當(dāng)少；室外空氣難以滲透進(jìn)室內(nèi)，加上主機(jī)房無人值守，故假設(shè)此主機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行在理想狀態(tài)下，室外溫度僅通過主機(jī)房外墻導(dǎo)熱到機(jī)房內(nèi)，并且假設(shè)沒有室外濕度進(jìn)入。

經(jīng)過模擬后，主機(jī)房氣流組織模擬與溫度分布如圖4～7所示。

根據(jù)氣流模擬圖與溫度分布圖，需觀察分析如下數(shù)據(jù)：

(1)模擬氣流組織，監(jiān)視冷熱氣流的交匯，以觀察造成的能量損失情況；

(2)驗(yàn)證空調(diào)總制冷量計(jì)算及設(shè)計(jì)是否正確；

(3)驗(yàn)證空調(diào)送風(fēng)量計(jì)算及設(shè)計(jì)是否滿足要求；

(4)驗(yàn)證靜電地板下的溫度、壓力情況是否符合設(shè)計(jì)要求；

(5)驗(yàn)證地板下氣流組織是否符合設(shè)計(jì)要求；

(6)驗(yàn)證離地1．6ｍ情況下，是否存在“熱點(diǎn)”問題； 

通過模擬圖，可以看出程控機(jī)房的空調(diào)整體設(shè)計(jì)滿足基本的要求，氣流組織良好，滿足設(shè)計(jì)需求，但在熱氣流模擬圖與溫度分布圖中發(fā)現(xiàn)，主機(jī)房氣流出現(xiàn)幾處混亂，存在多處熱氣流和冷氣流混合的情況，并伴隨著局部熱點(diǎn)，主要集中在靠近空調(diào)的區(qū)域。分析原因是總的制冷量足夠，但是風(fēng)量不夠(越靠近精密空調(diào)的區(qū)域，風(fēng)量越小)。

5．3　氣流組織優(yōu)化設(shè)計(jì) 

(1)冷池技術(shù)解決氣流混亂問題冷池技術(shù)是在機(jī)柜內(nèi)構(gòu)建機(jī)柜設(shè)備制冷用的冷通道，從而將冷空氣限制在機(jī)柜中，避免了冷熱空氣混合，并限制冷氣設(shè)備散熱作用，從而改善冷空氣利用率、減少氣流紊亂問題 。 

本機(jī)房采用“冷池”技術(shù)隔絕精密空調(diào)送風(fēng)，使其不參與與環(huán)境空氣以及服務(wù)器排風(fēng)的混合過程，這樣空調(diào)系統(tǒng)就能提供更多有效送風(fēng)風(fēng)量，解決氣流紊亂問題的同時(shí)可降低精密空調(diào)制冷能耗。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后，用IBM專用CFD軟件進(jìn)行模擬，分析優(yōu)化后其氣流組織情況如圖８所示，發(fā)現(xiàn)氣流組織良好，氣流混亂問題解決的效果良好，驗(yàn)證了方案的有效性。

(2)變風(fēng)量輔助制冷單元解決局部熱點(diǎn)問題變風(fēng)量輔助制冷單元溫感探頭安裝在受控服務(wù)器機(jī)柜區(qū)域，感測設(shè)備的出風(fēng)溫度，調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變風(fēng)量。由于風(fēng)量調(diào)節(jié)的過程中對地板送風(fēng)靜壓箱內(nèi)的靜壓產(chǎn)生影響，故用靜壓傳感器采集靜壓變化，實(shí)現(xiàn)空調(diào)送風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)節(jié)，以達(dá)到節(jié)能優(yōu)化的目的。

優(yōu)化后進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，觀察溫度與氣流分布如圖9所示，發(fā)現(xiàn)機(jī)房的溫度分布得到了明顯的改善，氣流也趨于穩(wěn)定。

6結(jié)語

本數(shù)據(jù)中心工程已經(jīng)竣工并投入使用，目前運(yùn)行情況良好，機(jī)房內(nèi)溫濕度穩(wěn)定，工程中氣流優(yōu)化設(shè)計(jì)能很好解決局部熱點(diǎn)等問題，使氣流組織分布均勻，既滿足了空調(diào)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，又能滿足數(shù)據(jù)中心長遠(yuǎn)發(fā)展的需要。本工程參考國內(nèi)外的機(jī)房建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，汲取現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心機(jī)房工程前沿技術(shù)，設(shè)計(jì)了本數(shù)據(jù)中心的的空調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該空調(diào)系統(tǒng)滿足機(jī)房高密度設(shè)備的制冷要求。

根據(jù)機(jī)房綠色節(jié)能要求，從氣流組織優(yōu)化的角度，結(jié)合IBM專用CFD軟件模擬，分析了主機(jī)房的氣流組織及溫度場，發(fā)現(xiàn)主機(jī)房存在的局部熱點(diǎn)等問題，并對存在的問題提出節(jié)能優(yōu)化方案。模擬仿真結(jié)果表明優(yōu)化設(shè)計(jì)節(jié)能方案，能有效解決機(jī)房中存在的局部過熱等現(xiàn)象，對同類機(jī)房的節(jié)能設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有一定的參考意義。

來源：精密空調(diào) http://lbjsjzl.com/

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• 文章標(biāo)簽： 空調(diào)系統(tǒng) 氣流 數(shù)據(jù)中心
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