机房空调对数据中心热环境影响的模拟研究

机房空调对数据中心热环境影响的模拟研究

郭溢华

盛京银行股份有限公司 辽宁 沈阳 110000

摘要：数据中心空调系统节能技术的研究主要包括气流组织优化，空调参数设定和自然冷源利用。其中，气流组织是连接机房热环境和空调系统能耗的枢纽。由于机房内服务器功率分布不均匀，各空调独立运行，容易导致气流分布不均匀，产生热点。群控使所有末端空调在安全可靠的前提下进行联合控制，在协同一致的状态下运行，改善机房气流组织，因此值得更深入的研究。另一方面，温度是重要的空调参数，在空调回风控制中，不合理的回风温度会造成风机能耗浪费，还会影响机房气流组织和IT设备散热效果。

关键词：数据中心;机房空调;群控;回风温度;热环境

引言

随着互联网的迅速发展，数据中心的数量和规模与日俱增，导致数据中心能耗逐年增加。有数据显示，２０１１年前１１个月我国信息产业用电超过１　０００亿千瓦时，占全国总用电量的２．５％。而在这些电耗中，大约４０％是用于数据中心空调系统。因此，开展空调系统节能研究具有重要意义。选择合适的送风参数不仅有利于数据中心热环境的均匀稳定，提高ＩＴ设备机房冷量的利用率，减少机房内热点的产生，而且可以有效利用自然冷源，降低数据中心能耗。国内外一些研究人员已开展了送风参数对数据中心室内环境和空调能耗影响的研究。

1机房概述

该数据中心机房室内建筑面积约168m²。其中，南墙为外墙，其余为内墙，室内均有保温板，且保温良好。电缆线为架空布置，且电缆盒保护良好，对室内流场的影响不大。实测机房为架空地板形式，高度0.4m,其结构为在原来建筑地板上通过金属支架，支撑起一定高度的一层活动地板，构成可开启结构的静压箱，通过布置在机柜附近的开孔地板，将机房空调机组处理好的冷空气送入工作区;静压箱的具有送风均匀性的特点，理想情况下可以报保证每个开孔地板送风口以相同的温度送出相等的风量，特别适合较大热负荷的机房的空气调节系统。

2机房空调对数据中心热环境影响的模拟研究

2.1空调群控热环境分析

机房空调采取主/从控制策略，即靠近IT设备密集区的空调为主空调，其余空调为从空调，通过主空调控制器同时控制若干台从空调的冷量输出。机房空调为N+1冗余，在运行过程中，至少有一台处于备用状态。为保证设备的安全运行，空调轮换工作，各空调摆放位置、送回风位置不同，会影响机房的气流场、温度场。

2.2优化方案制定

造成机房内气流分布不均的原因有很多，其中送回风冷热空气掺混是其中最重要的原因之一。由于数据机房内设备众多，功率密度很大，各个服务器的进出风口距离较近，因此很容易造成进出风气流互相混合的现象。这种现象会导致空调送风不能高效地进入到服务器中，而且服务器排出的热风会使空调送风气流的温度升高，造成大量的冷量浪费。为了尽可能地避免这一现象，可以将冷通道或者热通道利用挡板或者内墙进行隔离，从而将冷通道或热通道隔离开来，减少机柜进风和出风气流的接触。这样就可以有效地避免冷热气流互相干扰，大大降低了气流掺混对机房热环境的影响。数据机房的送风形式有很多种，现如今绝大多数的数据机房采用集中式精密空调作为空调机组，搭配高架地板的形式向地板静压腔送风，利用气体静压作用通过地板格栅对冷通道进行下送风的形式。这种形式以其可以实现空气集中处理，送风量大，易于控制等优点得到了广泛的使用。但是精密空调送风的形式也存在着占用空间较大，冷通道内送风量不均匀，功率过大等不足之处。于是人们在对于数据机房送风的研究过程中逐渐探究其他的送风方法，列间空调送风就是其中之一。列间空调顾名思义就是在机柜列的中间均匀地放置空调机组进行空气处理。列间空调以“前送风，后回风”的气流组织形式为主，也有部分列间空调采用冷通道内向两侧送风的形式。列间空调的主要优点有:大大缩短了送风距离、减轻了冷通道内静压大小不等引起的送风不均现象、占用空间小、能耗低等。但是由于列间空调机组与机柜直接接触，其冷冻水管与IT服务器距离较近，需要注意冷冻水管的防漏问题。

2.3机柜进出口温度分析

数据机房内各服务器的稳定运行是数据中心保证正常运行的根本，机柜的进排风温度则是服务器能否正常运行的直接影响因素。类似于房间排风温度可以一定程度反映房间整体热环境情况，机柜的排风温度也可以一定程度代表着服务器的热环境状况。因此机柜进排风温度是考量服务器运行状况的一个重要参数，需要运用数值模拟的方式对不同送风结构的机柜进出口温度的计算结果进行分析。

2.4现场实测

对机房进行现场测试，将其结果用于分析机房运行状况。通过测试空调送回风温度、地板送风温度等参数，可以判断气流组织是否合理、空调运行是否正常、控制模式是否合理。使用HOBO温湿度记录仪测试空调送风口温度，在每台空调的地板下送风口中心布置一个测点。空调回风温度从该数据中心环控系统中获取。用Testo风量罩对机房的开孔地板进行逐个风量测试，同时读取对应的温度数据，得到整个机房的地板送风量和地板送风温度。

2.5直接蒸发冷却空调

直接蒸发冷却空调是空气与水直接接触进行换热的制冷机。为了增加换热的效率，通常将水通过喷头雾化为细小的水滴后与空气进行热湿交换过程。在蒸发的过程中水与空气的温度均降低，同时空气湿度增加，理论上这一过程为绝热加湿过程。但实际上绝热加湿过程是存在一定限度的，干空气传递的显热热量不会超过液态水的汽化潜热。直接蒸发进行的程度受到空气的湿球温度所影响，冷却器的蒸发效率通常在70-95%之间。这种冷却器主要由喷淋装置、填料、风机、水泵以及各种控制装置组成。直接蒸发冷却器有喷淋不循环水与喷淋循环水两种，使用循环水的冷却器还装有循环水箱。冷却器中的水经过水泵和流量调节阀送到填料上方的喷淋装置，由喷嘴均匀喷淋在填料上。水滴在重力的作用下沿着填料表面向下流，润湿整个表面，同时空气在风机的作用下由填料侧面进入冷却器，与填料表面的水滴进行热湿换热，从而获得冷却的空气。

2.6数据中心热环境评价指标

数据中心的热环境评价具有多种层面，其中各机柜冷量的利用情况、机柜周围的气流掺混、机柜内是否存在局部热点等都是决定数据中心能否正常运行的重要指标，机柜的进出风温度是这类评价指标最直接的体现。在冷却风量一定的情况下，机柜的送风温度决定了设备的工作温度，也就决定了机柜的冷却效果，而机柜的排风温度不仅反映了机柜内设备对于冷量的利用情况，同时也决定了机房内整体气流环境的优劣。故将机柜的送回风温度有机的结合在一起形成的各种参数是评价机房热环境的重要评价指标，具有重大的指导意义。

结语

针对某实测数据中心各空调运行参数不一致，回风温度设定值不合理的问题，提出对机房空调进行群控，提高空调回风温度设定值的措施，通过模拟机房热环境得出以下结论：1）针对目前机房内服务器分布不均、上架率不高的情况，对空调采取主从控制的群控策略，由主空调计算出冷量需求，其余从空调与主空调的冷量需求相同。这种群控策略能有效地统一空调实际回风温度，使机房的最高环境温度降低3.5℃，SHI值从0.036下降到0.005，机房气流组织和温度分布更加均匀，改善机房热环境，提高冷量利用率。2）在群控的基础上，参考气流组织评价指标和机房环境温度，在保证机房热环境良好的前提下尽可能提高空调回风温度设定值，可以节省风机能耗。该数据中心的空调推荐设定回风温度为27℃，空调风机能耗节约39.5%。

参考文献

［1］　原世杰，鹿世化．送风温度变化对数据中心热环境影响的模拟研究［Ｊ］．低温与超导，２０１５，４３（１０）：５５－６１．

［2］　刘芳，王志刚．某数据中心室内空调气流组织的模拟研究［Ｊ］．建筑节能，２０１６，４４（１０）：１１－１７．