上海郵電設計咨詢研究院有限公司      謝靜   沈利民   蔣雅靖   原世杰

摘   要：通過現場采集數據、建立幾何模型、進行模擬計算，提出針對某在用通信機房改善氣流組織的優化方案，對CFD熱仿真技術的應用進行了實踐探討。經現場實測，改造方案取得了消除局部熱點和節約空調運行能耗的雙重效果。文末總結了機房氣流組織優化改造措施，對在用通信機房氣流組織優化具有推廣意義。

關鍵詞：在用通信機房；氣流組織；CFD；冷通道；熱通道

       0   引言

       在網絡重構背景下，單機柜功耗不斷增加，許多在用通信機房存在空調氣流組織混亂、冷源得不到充分利用等情況，造成機架局部溫度過熱、空調冷量不足等問題，機房的制冷成為網絡發展的瓶頸。單純依靠不斷增加空調設備制冷量來降低環境溫度，不符合國家對于節能減排的要求，不利于機房資源的有效利用。因此，在用通信機房進行因地制宜、安全合理的氣流組織優化是十分必要的。

       1   研究方法及研究內容

       1.1   研究方法

       計算流體力學（Computational Fluid Dynamics）簡稱CFD，是通過數值求解控制流體流動的微分方程，得出流體在連續區域上的離散分布，從而近似的模擬流體的流動情況。近年來，CFD熱仿真技術，在通信機房熱評估中得到廣泛的應用。通過建立三維幾何模型，設置邊界條件，進行模擬計算，既可為新建通信機房提供最佳設計方案，又可為在用通信機房氣流組織優化提供改造依據。

       1.2   研究內容

       借助CFD熱仿真技術，研究某在用通信機房的速度場和溫度場分布情況，找出與機房氣流組織相關的主要影響因素，進而對氣流組織進行優化。按照優化方案，機房進行工程改造，并對機房進行改造后評估，實測優化方案的實際效果。

       2   某在用通信機房氣流組織分析與優化

       2.1   某在用通信機房現狀

       某在用通信機房位于3層程控機房內，為近年新配置的數據化的傳輸機房，設備功耗相對較高，與程控機房通過鐵絲網進行隔斷。傳輸機房空調冷負荷為92.64kW，空調設備可提供顯冷量為97.2kW，可以滿足機房的制冷需求。機房氣流組織采用架空地板下送風上回風方式，機房架空地板高度為350mm。傳輸機房平面如圖1所示。

圖1   傳輸機房平面圖

       2.2   某在用通信機房的CFD數值仿真模擬

       通過建立機房幾何模型，劃分網格，制定邊界區域。

       通信機房氣流組織的模擬計算是在6SigmaDC軟件上進行的。依據送風溫度17℃，送風速度v=1.5m/s的要求進行模擬（此邊界條件參照現場實測數據確定）。在通信機房數值計算結果中選取典型斷面溫度場進行分析，實現通信機房內部三維湍流數值計算。

圖2   自定義立面局部放大溫度云圖

       由圖2可以看出，機柜功耗較高的D列與E列（圖1）機柜間的熱通道溫度達到32℃，機架出風口溫度37℃，機房內局部熱點的情況較為嚴重。

       2.3  某在用通信機房的現場測試及氣流組織問題分析

       2.3.1   現場測試

       測試時間及氣象參數：上午10點，室外溫度30/38℃。

       在機房內實測D、E列（圖1）之間的熱通道溫度為38.0℃。實測機柜最高出風溫度為44.4℃。由熱成像儀拍攝的機柜背面的最高溫度達到39.8℃。利用溫度記錄儀采集E列2號機柜的溫度數據，連續記錄24h機柜冷、熱通道的溫度。E列冷通道溫度均在20℃以上，最高達到25℃。熱通道溫度均在30℃以上，局部最高達到36℃。實測溫度與模擬溫度對比如表1

表1   實測溫度與模擬溫度對比表

       數值模擬的結果與現場測試結果之間存在一定偏差，但溫度場的計算與測試結果兩者基本一致，變化趨勢相接近。因此可以認為模擬結果與現場測試結果能較好地吻合，數值模擬結果接近實際情況，具有一定的準確性和可靠性。

       2.3.2   氣流組織問題分析

       根據機房調研情況分析，氣流組織主要存在以下問題： 

     （1）傳輸機房與程控機房邊界處架空地板下部無隔斷、上部為鐵絲網隔斷，使得專用空調的冷量擴散至程控機房內，冷量無法充分利用；

     （2）傳輸機房內架空地板破損且部分地板設有出風百葉，漏風現象嚴重，造成空調冷量無法完全送入機架內；

     （3）架空地板下近空調送風口布放有大量電纜，影響了空調的送風量；

     （4）部分機柜底部進風口無送風導流板，致使風量未進入機柜送風通道直接由后部排出；

     （5）部分機柜內的送風口封閉或設備與柜門間的送風通道過于狹小，送風量無法滿足設備的散熱要求；

     （6）機柜內未安裝服務器的位置無密封組件，導致機柜內氣流組織紊亂，冷量未得到有效利用。

       2.4   某在用通信機房氣流組織優化方案

       2.4.1   架空地板改造方案

       考慮消防疏散的要求，無法將架空地板上方進行物理分隔，僅在鐵絲網處的架空地板下方采用實體隔斷封閉，確保專用空調的冷量得到充分利用，避免冷量在架空地板下部擴散至程控機房內；修復機房內破損的架空地板并取消出風百葉，確保架空地板靜壓箱的密閉性。

       2.4.2   電纜改造方案

       將架空地板下近空調出風口布放的電纜上翻至機柜上部，減少送風阻力，增加空調機組的送風量。

       2.4.3   機柜改造方案

       A、C、F、G列（圖1）機柜采用底進風后出風的機柜，單機柜功耗較低，機柜底部進風量可基本滿足設備的制冷需求。B列（圖1）機柜無發熱設備。故不對A、B、C、F、G列（圖1）機柜進行改造。D~E列（圖1）單機柜功耗較高，內部氣流組織混亂，需對其機柜內部結構進行改造。
機柜改造的主要措施包括：

    （1）對機柜正面進行改造，將機柜正門外移150mm，使得設備正面與機柜正門之間形成封閉冷通道，加強設備的散熱效果；

     （2）對部分機柜未打開的送風口擋板進行拆除，每個機柜底板前部設置一個可調節進風口，尺寸規格應≥400mm（寬）×350mm（深），使得進風口大小可在全開和全閉之間連續調節；

     （3）進風口上方設置一個高度為180mm~260mm 的導流罩，引導冷風進入機柜前門與設備面板之間的區域；

     （4）每個機柜內設備正面板平面配置必要的密封組件，以確保冷風全部進入設備正面板進風口，而不致泄漏。

       2.5   某在用通信機房氣流組織優化改造后CFD數值仿真模擬

       根據氣流組織優化改造方案重新建立機房幾何模型。

       選取典型斷面溫度場及速度場進行計算。如圖3所示，機房改造后的溫度場及速度場更為均勻，局部溫度熱點數量減少，機房內環境溫度有明顯改善。

圖3   D、E列機柜間熱通道溫度場

       2.6   某在用通信機房氣流組織優化改造后評估

       機房氣流組織優化改造完成施工后對機房內溫度進行監測。

       測試時間及氣象參數：

       下午2:00，室外溫度29~36℃。

       在機房內實測D、E列（圖1）之間的熱通道溫度為32.0℃，下降6.0℃。

       機房內服務器設備風扇都恢復正常轉速，設備板卡溫度明顯下降。溫度數據對比如圖4所示。改造前部分設備溫度接近告警閥值，服務器風扇處于高速運行狀態；改造后的設備溫度下降明顯，風扇運轉正常。

      

圖4   改造前后設備板卡溫度值及設備板卡溫度閥值

       利用溫度記錄儀采集E列2號機柜的溫度數據，連續記錄24h機柜冷、熱通道的溫度。比較改造前、架空下方實體隔斷封閉及完全改造完成后測試數據如圖5所示。  

      

圖5   E列2架冷、熱通道溫度

       從圖5可以看出，改造后機柜內冷、熱通道的溫度有明顯下降，冷通道下降約4℃左右、熱通道下降約5℃左右。改造前專用空調始終處于制冷工作狀態，空調運行能耗較高；改造后空調處于制冷運行與風機送風交替運行的工作狀態，空調運行能耗下降。

       氣流組織優化改造后，機房環境溫度得到了明顯的改善，設備板卡溫度下降，服務器風扇轉速正常，空調運行能耗減少，消除了機房內的局部溫度熱點。

       經機房改造后評估確定，機房氣流組織優化改造方案是行之有效的，取得了消除局部溫度熱點和節能運行的雙重效果。

       3   總結在用通信機房氣流組織優化改造措施

    （1）機房應按照不同的功率密度區域進行物理隔離，隔離區內的各機柜功率宜接近。較高功率密度機柜宜在封閉的小范圍內，設置專門的空調系統；

     （2）根據在用通信機房的實際情況，不具備物理隔離條件的，下送風機房可在架空地板下方采用實體隔斷封閉，上送風機房可安裝移動封簾，將不同功率密度區域進行隔離；

     （3）作為空調送風的架空地板和空調回風的吊頂內不應布放與本專業無關的通信及電力線纜，不符合此要求的機房，隨通信設備的調整，在條件許可的條件下，可有計劃的實施改造；

     （4）機柜的結構及氣流組織應滿足其設備的散熱要求。機柜應有合理的送、回風口及送、回風通道設計，其內部的流通阻力及散熱需要的風量應與其服務器風扇的選型相匹配；

     （5）當機柜內未裝滿設備時，未安裝設備的位置應統一安裝密封組件，防止冷空氣直接由該位置進入熱通道，造成冷氣流短路、降低制冷效率；

     （6）做好機房的密封，以保證地板下送風靜壓及機房潔凈度要求。

       機房的空調設備及通信設備均應根據通信設備的散熱需求合理布置，應將冷風直接送達機柜的進風口，機柜能根據負荷需求，順利的吸入需要的冷風，并將熱風排至回風通道，回風氣流應能夠順暢回至空調機組，減少在機房內的滯留時間。所以在用通信機房氣流組織優化，是整個送、回風路徑上相關各環節的優化。
       在用通信機房的氣流組織優化可以從機房的設備布局、機房的氣流組織、機柜的結構及其氣流組織三個維度考慮。只有將以上各因素協調統一，才能實現氣流組織的優化，提高冷量利用率，降低空調能耗，節約能源。

參考文獻

       [1] 陳修敏, 張九根. 數據中心機房空調系統設計及氣流優化分析. 北京流體機械, 2014, 42(11):79–82, 86.

       [2] 舒慶鑫. 變電站數據機房能耗及氣流組織模擬研究. 杭州 浙江大學, 2014.

注：本文收錄于《建筑環境與能源》2019年10月刊總第26期。
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