热通道隔离的数据中心机房气流组织分析

李琳，邱琳祯，邱玉英

（1.福建船政交通职业学院，福建 福州 350007；2 福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建 福州 350108；3.福建省绿色建筑技术重点实验室，福建 福州 350108）

数据中心需要大量电力来维持服务器、存储设备、后台计算、制冷等方面的正常运作，能耗和碳排放在所有产业中增长迅速。随着5G、物联网技术及智能工程的飞速发展，迫切需要建设安全、智能、绿色、极简的新一代数据中心。绿色低碳已经成为今后建设和运营数据中心的重要指标，尤其是在中国力争实现2030 年前碳达峰的背景下，数据中心在节能减耗、气体排放等方面面临严峻的挑战。

目前数据中心空调系统节能技术的三种主要方法分别是：合理利用自然冷源、提高空调设备自身效率、优化气流组织。其中，气流组织直接影响空调能耗和机柜冷却效率[1]。通过分析大量工程应用案例可以发现：不合理的气流组织使得冷风和热风无序流动，气流紊乱，造成大量的能耗浪费，因此优化气流组织，对提高空调的制冷效率，节约能源有重要的现实意义。从国内外研究现状来看，数据中心机房热环境的研究方法主要包括实验实测和计算流体力学(CFD)数值模拟两种。CFD 数值模拟方法更具灵活性[2]，且成本低，因而应用广泛。张雪娇等利用CFD 模拟软件对数据中心机房中常见送风方式进行模拟[3]，研究结果显示，在机房负荷、机柜布置方式、空调系统制冷量等参数一定的情况下，列间送风可获得较高的能量利用率和较好的气流组织形式。黄翔等针对某数据中心气流混乱、冷热掺混严重及局部热点问题提出提高原来架空地板的高度、改变空调的布置形式和冷通道完全封闭三个改进措施，并对改进后的方案进行模拟对比，结果表明，优化后的机房热环境得到明显改善[4]。吕超等利用热环境评价指标来评价小型机房不同布局形式的冷却效果，对某机房进行实验测试[5]。研究表明，敞开式冷热通道的两侧和顶部都存在冷热空气掺混现象，降低冷空气的利用效率；空调送风方向应与冷热通道平行，布置机架时应尽量增加每排的机柜数量；采用封闭冷通道的方式可以减少冷空气短路，提高冷却效率。

为节省能耗，极大程度发挥空调机组制冷功效，使用列间空调的机房通常会将冷通道进行封闭，从而达到冷热风隔离的要求。相较于传统的封闭方式，本文提出一种封闭热通道的隔离方式，以某数据中心为工程实例，利用CFD 软件模拟不同方案的机房内气流组织情况，进行对比分析，从而为绿色机房的建设提供参考。

1 研究对象选取及模型建立

1.1 物理模型

研究对象：福建省某科研机构数据中心，机房尺寸（长×宽）为11.7 m×7.05 m，层高3 m。为方便计算，将计算空间简化为规则长方体。根据实际尺寸，机柜简化为605 mm（宽）×1 250 mm（深）×2 150 mm（高）长方体，列间空调简化为600 mm（宽）×1 100 mm（深）×2 000 mm（高）长方体。数据中心内配有机柜26 台，分两排布置，两排间距1.2 m。为满足散热负荷需求，配备4台列间空调，分至于机柜中。空调送风量为6 500 m3/h，制冷量为51.3 kW。

对模拟区域流体模型做如下假设：（1）数据中心内空气低温流动，视为不可压缩，空气物性为常数；（2）忽略时间项影响，空气流动为稳态湍流；（3）考虑重力因素，满足Boussinesq 密度假设，密度为动量方程中与体积力有关的项，密度差受温度影响；（4）不考虑由流体粘性力作功引起的耗散热；（5）门、墙密封完好，与室外隔热性较好。

1.2 数学模型

机柜散热为数据中心内主要热负荷。配备的列间空调以对流换热的方式带走空间内余热，使得设备在适宜温度中平稳运行。机房内气流流态多为湍流，选用RNG k-ε 模型进行计算[6]，忽略辐射换热的影响，涉及到的控制方程主要包括：连续性方程、动量方程、能量方程，k-ε 模型方程。通用形式如下：

连续性方程：

动量守恒方程：

湍流脉动动能κ 方程：

湍流脉动动能耗散率方程：

计算控制方程中各项均采用混合差分格式（hybrid scheme），混合差分格式综合二阶中心差分和一阶迎风差分方法，该种差分格式计算效率高，稳定性好，计算结果符合真实性。压力-速度耦合采用SIMPLE 算法，试算压力场，求解离散的动量方程，得到速度后修正压力方程，再计算出速度并检验是否收敛。

在对机房整体进行流场分析时，考虑气流温差带来的浮升力作用。浮升力的产生主要来源于气体密度的变化，气体密度变化用动量方程来进行表征。动量方程中密度的变化采用Boussinesq 假设处理，即输入一个空气的膨胀系数β，近似认为密度的变化与温度的变化成线性关系，满足下式：

松弛因子是离散方程中的参数，设置松弛因子可以加快计算收敛速度，改善收敛状况[7]。本项目松弛因子取值情况如表1。

表1 变量求解过程中松弛因子取值Tab.1 Values of relaxation factors in solving variables

1.3 边界条件设置

流场模拟对象为数据机房封闭空间，不考虑自然通风影响，因此选取计算域为该封闭空间。采用结构化网格形式，在地面、墙面、机柜表面处采用对数律形式的壁面函数来设定边界。各个风口附近参数梯度较大，因此对该区域的网格进行加密，网格过渡比选定为1.2，在保证计算精度的同时节省计算时间。

为简化计算，将室外温度设定为35 ℃，维护结构传热系数为0.5 W/(m2·K)。机房内单个机柜散热量为1.75 kW。空调采用水平送风，送风口风速设定为2 m/s，送风温度为16.8 ℃，回风口的流出边界则采用自然流出的方式。

网格的划分极大程度地影响计算结果的准确度。为保证计算的可靠性，对网格进行独立性验证。在X轴、Y 轴、Z 轴方向上将网格按照比例逐次加密，当增加到一定网格数时，计算结果不再发生显著变化，则说明计算结果与网格大小无关联，计算结果可靠。将网格数作为自变量，回风口区域附近三点温度作为观测点，逐次加网格数来观察观测点的温度变化情况，如表2 所示，当网格数从58 380 增加到84 075 个时，观测点温度基本不再变化，此时网格具有独立性，因此选取该套网格作为计算网络。

表2 计算网格独立性分析Tab.2 Mesh grid size sensitivity analysis

为保证结果的准确性，设置最大计算次数为3 000 次，以保证数据迭代充分。在计算过程中，当压力、风速等各个变量残差值小于0.01%时，判定为计算收敛，达到计算收敛状态后再停止计算。

2 优化设计方案

采用适合小型机房、简单且容易实现的通道封闭技术。所谓通道封闭技术既是将冷热空气进行分离、使之有序流动，冷空气由空调送风口进入密闭的冷通道，机柜前端吸入冷空气给服务器降温后，形成热空气从机柜后端排至热通道，热通道的气体则返回到空调回风口。通道封闭技术可分为封闭冷通道和封闭热通道两种方式。

数据中心采用列间空调，送风方式为水平送风，前送后回。传统方式是将列间空调的送风口面对面布置，使冷风吹至两列机柜间，将通道封闭后形成冷通道气流遏制（CACS）[8]。将空调机组与机柜前后向调转，将冷风送至开放通道内，通过压差热空气会回流至封闭通道中，即形成热通道气流遏制（HACS）。为分析热通道封闭下的机房气流组织情况，将封闭热通道与无封闭通道、封闭冷通道的模拟结果做对比，具体方案设置如下：

方案1（开放通道）：列间空调送风口向外，将冷气流送至开放通道中，空调回风口面向内通道，内通道不做封闭处理，冷、热通道均开放。

方案2（封闭冷通道）：列间空调送风口向内，将冷气流送至封闭的内通道中，形成冷通道隔离，而空调回风口面向开放的外通道，如图1 所示。

图1 数据中心封闭冷通道示意图Fig.1 Diagram of data center closed cold channel

方案3（封闭热通道）：列间空调送风口向外，将冷气流送至开放通道中，空调回风口面向内通道，内通道上部及两端采用多孔板封闭形成热通道隔离，如图2 所示。

图2 数据中心封闭热通道示意图Fig.2 Diagram of data center closed hot channel

3 气流组织模拟与分析

目前暖通空调领域的模拟研究广泛采用CFD 模型方法。该方法根据流体属性建模，完成本构方程和封闭模型，选择和构造差分格式，完成后处理，具有计算高效、模拟结果可靠等优点。PHOENICS 是模拟传热、流动、反应、燃烧过程的通用CFD 软件，可以对三维稳态或非稳态的可压缩流或不可压缩流进行模拟，包括非牛顿流、多孔介质中的流动，并且可以考虑粘度、密度、温度变化的影响。利用PHOENICS 软件对上述三种布置方案进行气流组织模拟。着重分析距地0.5、1.5 m 处及机柜顶面三处的温度与风速分布情况。

3.1 温度场分析

图3 为方案1 与方案3 的机房温度场计算结果对比图。当机房气流通道完全不做封闭处理时，机房整体温度较高，经计算，距地0.5、1.5 m 及机柜顶部处区域整体平均温度为26.1、26.5、27.4 ℃。温度计算云图显示，机房东南角局部温度过高，并且随着垂直高度增加，高温区域会逐渐扩大，这是由于热空气密度小热气流向上浮升引起的。对比方案3，将机房热通道封闭后，敞开的通道温度明显下降，冷、热通道温差明显，局部温度过热现象基本消失。经计算，热通道封闭后，0.5、1.5 m 及顶部处区域整体温度分别下降2.6、2.7、2.0 ℃。封闭热通道可以阻止热气流无序上浮，避免冷热空气掺混，实现明显的冷热分离，利于数据设备的有效换热。

图3 离地1.5 m 处敞开通道和封闭热通道方案温度场比较Fig.3 Comparison of temperature field between open channel and closed hot channel schemes at 1.5 m above the ground

图4 为方案2 与方案3 的机房温度场计算结果对比图。分析发现，采用冷通道隔离时，冷风集聚于行间的“冷池”内，可以有效的提高冷热温差，避免冷热风混合带来能源浪费[8]，但隔离冷通道后，机房内部除冷通道外区域温度都会上升。相反地，选择对热通道进行隔离，空调不会向机房其余区域输出热风，只把热风集聚与小通道内，机房全区域整体温度下降，机柜与冷风接触面更大，进而使得冷源利用更加充分。通过计算，距地0.5 m 处方案2 与方案3 整体平均温度分别为24.1、23.5 ℃，距地1.5 m 处平均温度分别为24.5、23.8 ℃，机柜顶部附近平均温度分别为26.2、25.4 ℃。由此发现，热通道封闭较冷通道封闭来说，机房整体能够获得更低的平均温度，更有利用数据设备的高效运行。另外，冷风送风口向外也使得活动通道更凉爽，增加人员必要活动时的舒适性。

图4 封闭冷通道和封闭热通道方案温度场比较Fig.4 Comparison of temperature field between closed cold channel and closed hot channel schemes

3.2 风场分析

图5 为方案1 和方案3 风速场比较，可以发现封闭热通道前整体气流混乱，机房南侧存在旋涡流，存在冷风短路现象，冷风无法尽可能地流经机柜，机房内部换热不均匀处热量聚集导致温度升高。另外，流线混乱也说明冷热风存在掺混现象，降低空调效率。封闭热通道后的流场更加规律，冷风短路现象有所缓解，减少无效制冷的情况。

图5 离地1.5 m 敞开通道和封闭热通道方案风速场比较Fig.5 Comparison of wind field between open channel and closed hot channel schemes at 1.5 m above the ground

图6 为方案2 和方案3 风速场比较，可以发现方案3 中冷风流动速度相较于方案2 有所减缓。调转风向后，冷风送至更大的开放空间，减缓了冷风的流速，增加了机柜与冷风的接触时间，对机柜整体换热效果有一定的帮助。

图6 封闭冷通道和封闭热通道方案风速场比较Fig.6 Comparison of wind field between closed cold channel and closed hot channel schemes

在实际工程中，常采用塑料门帘、平顶镶板或拉引门等材料对列间空调的冷通道进行密闭。冷通道封闭后，使得数据中心的其余部分形成一个大的热回风压力通风系统。通过门帘等构件的阻隔，将数据中心机房内的冷、热气流得以分离，形成有效换热。但封闭后其余空间温度上升迅速，影响人员检修和维护。通过对比方案2、3 的温度场及风速场可知，封闭热通道可以在对气流组织合理规划的同时避免这一缺陷，进一步提高整体经济性。

4 结论

传统机房将冷源外置的制冷方式在输送冷气的过程中会造成冷源的浪费，并且管路安装会占据建筑空间。采用列间空调可以让冷源直接嵌入服务器机柜排内，减少输送过程中的冷量损耗。但由于缺少管道约束，冷热气流容易掺混。当能耗激增时会有制冷不足而引发服务器停机的风险。因此，实际应用时更应注重冷热通道的隔离。热通道气流隔离和冷通道气流隔离均可有效消除冷、热空气的混合，显著提高数据机房制冷系统的运行效率，但两者在实施中仍存在一定差别。

以某数据中心为对象，在传统气流组织规划的方式上，提出对热通道封闭、冷通道敞开的新型设计方案，同时与传统封闭冷通道的方案进行对比。研究结果表明：封闭热通道可以使各通道冷热温差加大，有效组织冷风流动方向，消除局部热点，机房的整体平均温度可下降2～3℃。同时，封闭热通道不仅可以使热风只集聚于小通道内，加大机柜与冷风的接触面积，增强机柜的换热效果；而且封闭热通道后，冷风送至更大的开放空间，减缓冷风的流速，有效利用冷空气和冷量，提高空调机组的能源利用效率。