摘 要

在当今飞速发展的信息社会中，数据中心扮演的角色越来越重要。随着其数量和规模的快速增长，如何节约数据中心的电能成为了一大研究课题。由于数据机房内的气流组织不合理，使得其空调系统的能耗占总能耗的40%左右，是节能的主要切入点。

本文建立了数据机房的地板下送风、顶置空调送风和侧置空调送风方式的气流组织模拟模型。在数据机房内热负荷分布已知的条件下，假定其等于所需制冷量，然后通过送风量公式计算得到数据机房内的机柜进风量、机柜理论出风温度等参数。在对这3个模型求解计算后，分别分析它们的温度场和速度场，寻找数据机房内不合理的气流组织和局部热点；并且在不增加空调制冷量的基础上，通过对数据机房内模型的优化设计来改善气流组织，从而提升数据机房空调系统的制冷效率。最后计算了模型的能耗，并对3种送风模型的制冷效果进行了评价。

本文研究结论：在数据机房内的热负荷和空调制冷量都相同以及模型尺寸和布置相近的条件下，地板下送风方式在温度场和速度场中的表现都是最好的。地板下送风模型中，在架空地板下设置气流挡板能够改善地板下送风气流的均匀性、减缓送风速度。在除了机柜以外，没有其他热源的条件下，开放冷通道、封闭热通道的数据机房循环系统比封闭冷通道、开放热通道的循环系统更好。理论上这3种数据机房送风模型的PUE值都可以达到1.3以下。

关键词：数据机房；节能；地板下送风；顶置空调送风；侧置空调送风

Abstract

In today's rapidly developing information society, the data center plays an increasingly important role. With the quick growth of its number and scale, how to save the power of the data center has become a major research topic. Due to the unreasonable air distribution in the data room, the energy consumption of the air conditioning system accounts for about 40% of the total, which is the main entry point of energy saving.

In this paper, the underfloor air supply model, overhead air supply model and side air supply model of a data room are established. Under the condition that the heat load distribution in the data room is known, it is assumed that it is equal to the required cooling capacity, and then the parameters such as the inlet air volume of the rack and the theoretical outlet air temperature of the rack can be obtained through the calculation of the air supply volume formula. After the calculation of the three models, the temperature field and the velocity field are analyzed respectively to find the unreasonable air distribution in the data room. In addition, on the basis of not increasing the cooling capacity of air conditioning, the air distribution is improved by optimizing the model in the data room, so as to improve the cooling efficiency. Finally, the energy consumption of the model is calculated, and the refrigeration effects of the three air supply models are compared.

The conclusion of this paper is that under the condition of the same heat load and air conditioning cooling capacity in the data room and similar model size and layout, the underfloor air supply mode presents the best performance in both the temperature field and the velocity field. In the underfloor air supply model, the air baffle under the floor can improve the uniformity of the air supply under the floor and slow down it’s speed. Under the condition that there is no other heat source other than rack, the circulation system of the data room with open cold channel and closed hot channel is better than that with closed cold channel and open hot channel. Theoretically, PUE values of the three data room air supply models can all reach below 1.3.

Keywords：data room；energy-saving；underfloor air supply；overhead air supply； side air supply

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.1.1 数据机房能耗组成 1

1.1.2 数据机房不合理气流组织 1

1.1.3 数据机房送风方式 2

1.1.4 数据机房精密空调特征 3

1.2 国内外研究现状 4

1.3 本文的主要内容 5

第2章 数值模型的建立 6

2.1 理论模型与假设 6

2.1.1 雷诺时均法 6

2.1.2 湍流模型 7

2.1.3 Boussinesq假设 8

2.1.4 基本控制方程 8

2.2 几何模型的建立 8

2.2.1 机房模型 9

2.2.2 机柜组模型 9

2.2.3 空调模型 9

2.2.4 冷通道模型 10

2.2.5 架空地板模型 10

2.3 负荷计算 10

2.3.1 热负荷计算 10

2.3.2 送风量计算 11

2.4 本章小结 12

第3章 不同送风方式下的气流组织分析 13

3.1 地板下送风模型的气流组织分析 13

3.1.1 机房布置 13

3.1.2 模型的求解 14

3.1.3 初步分析 15

3.2 顶置空调模型的气流组织分析 19

3.2.1 机房布置 19

3.2.2 模型的求解 20

3.2.3 初步分析 20

3.3 侧置空调模型的气流组织分析 21

3.3.1 机房布置 22

3.3.2 模型的求解 22

3.3.3 初步分析 23

3.4 本章小结 25

第4章 机房气流组织的优化设计和评价 26

4.1 地板下送风模型的优化设计 26

4.1.1 气流挡板的作用 26

4.1.2 气流挡板参数的优化 29

4.1.3 封闭热通道的影响 31

4.2 顶置空调模型的优化设计 34

4.2.1 机柜出风角对回风气流的影响 34

4.2.2 封闭热通道的影响 37

4.3 侧置空调模型的优化设计 38

4.3.1 超压孔的优化 38

4.3.2 封闭热通道的影响 40

4.4 不同送风方式的评价 42

4.4.1 能耗分析 42

4.4.2 温度场 43

4.4.3 速度场 44

4.5 本章小结 44

第5章 结论 45

5.1研究结论 45

5.2工作展望 45

参考文献 46

附录A：开放冷通道的模型气流组织 48

附A1 开放冷通道的地板下送风模型气流组织 48

附A2 开放冷通道的顶置空调送风模型气流组织 49

附A3 开放冷通道的侧置空调送风模型气流组织 50

致谢 51

第1章 绪论

1.1 课题背景

当今，随着网络通信技术的飞速发展，数据中心在世界经济发展中的地位越来越高。2015年，中国信息经济对GDP增长的贡献达到58.4%，同期美国、日本、英国信息经济对GDP的贡献率分别为69.4%、42.2%、44.2%^[1]。

2014年中国拥有数据中心4.9万个，预计到2020年将超过8万个。随着数据中心数量的增加，数据中心的能耗也在不断增大。2014年数据中心用电量占社会总用电量1.6%，预计2024年将达到5~8%^[1]。

在数据中心中，空调系统的能耗占了总能耗相当大的一部分，并且这部分能源的利用效率低下，其主要原因之一是数据机房内的气流组织不合理，如果不改善，空调系统的能耗将一直是巨大的电力负担和经济损失。在本文所建立的数据机房模型中，按照武汉商务用电最低价，其PUE值（PUE=数据中心总能耗/IT设备总能耗）每降低0.1，一年可减少约56.4万元电费。

2019年2月12日，我国政府部门正式明确提出：到2022年，我国数据中心的平均能耗要基本达到国际先进水平。

1.1.1 数据机房能耗组成

在数据中心里，一般IT设备的耗电量最大，占总能耗的50%左右，空调系统占40%左右，配电系统占10%左右，由此可以计算得到电能利用效率PUE为2.0左右。研究表明，我国的数据中心的PUE值多在2.0～2.5之间，平均值为2.2；然而一些发达国家的数据中心的PUE值可以低于1.6，甚至达到1.2^[2]。虽然我国的一些大型网络企业，如腾讯、阿里巴巴的新建数据中心的PUE值已经可以达到1.2，基本和世界先进水平相当，但是其他大部分的数据中心的能耗效率还有待改善。

1.1.2 数据机房不合理气流组织

随着通信产业技术的发展，数据机房中的热源密度不断增大且趋于不均匀。过去一台标准机柜的总散热功率只有2kW左右，但是归功于芯片集成技术，我们能够生产拥有更高性能、同时也有更高散热量的IT设备，所以现在一台机柜的散热功率可以达到10kW以上。而且，由于不同功率的服务器混合使用，导致同一机房的不同机柜之间、同一机柜的不同高度之间的热源密度会有很大差距，机房整体散热密度趋于不均匀。然而一般机房的制冷送风是均匀的，这就导致在服务器散热密度较大的位置可能得不到足够多的冷量而产生局部热点；在散热密度较小的位置冷量过多而产生冷量浪费。局部热点，也就是IT设备的运行温度过高，可能会导致设备数据丢失、业务中断，甚至损坏设备，最终造成巨大的经济损失。

在传统的数据机房中，很多采用的是上送冷风、下回热风的气流循环模式，主要是因为上送风的通风管道的安装、后期维护等措施比较简单，对施工要求较低。但是研究表明，上送风的空调系统的工程建设费用和运行费用都比下送风的空调系统多。

传统机房的机柜位置和朝向是不利于冷气降温机柜的，降低了空调系统制冷效率。传统机房的机柜采用统一朝向的放置，会产生“级联加热”效应，导致机柜进风口温度过高以及产生局部热点。

传统机房中送出的冷空气和机柜排出的热空气没有隔绝，也会降低冷却效率。冷空气沿着空调管道到达机房，由机柜进气口进入机柜，在被机柜加热后变成热气，从机柜出风口排出重新回到机房中。这时热气和后来的冷气由于密度不同，自发地在房间中扩散趋于均匀，期间冷热气流混合，冷空气在到达机柜前温度已经升高，这时的进气温度已经不足以完全冷却机柜，导致机柜温度升高而超过上限。

由以上的原因在数据机房中产生局部热点时，通常的解决办法是降低空调的制冷温度或增加其送风量，这会导致空调系统的制冷总量增加，即增加空调系统的能耗、增大PUE。

1.1.3 数据机房送风方式

这里简要介绍目前常用的2种数据机房送风方式：上送风方式和地板下送风方式。

图1.1上送风方式

如图1.1所示，在上送风方式的数据机房中，由冷气管道将空调冷气运送至机柜上方，通过格栅板或带孔板等样式的冷气口送入机房。

图1.2 地板下送风方式

如图1.2所示，在地板下送风方式的数据机房中，由地板下的静压箱作为冷气通道，在机柜间设置通孔地板块作为冷气口，将冷气输送给机柜。并且常把机柜背靠背或面对面设置，形成冷气进入的冷通道和热气排出的热通道。

1.1.4 数据机房精密空调特征

数据机房的专用精密空调不同于家用舒适性空调，以精确控制机柜温度和机房湿度为主要目的。本文以A级数据机房的技术要求^[3]，设定机房精密空调的参数如表1.1。

表1.1 精密空调和舒适性空调的参数

1.2 国内外研究现状

孙大康^[4]等通过数值模拟和实验，分析了地板下送风方式中，地板下静压箱的高度变化对气流组织的影响。结果表明，架空地板高度在0.4～1.0m的范围内时，高度越高，地板出风越均匀、空调回风温度越高；而且封闭冷通道的冷却效果比开放冷通道的更好。

张量^[5]等在地板下送风的空调系统中用了2种不同的IT设备机柜散热模型来模拟数据机房的速度场和温度场，并用实测数据进行了验证。结果表明，能够表征出单个机柜不同高度处有不同功率密度的模型在机柜内的竖直方向温度场有更高的精确度，但是这种建模方式会使得计算量变大；而假定单个机柜功率密度均匀分布的模型模拟的温度场与实际有10%左右的误差。

张恺^[6]等用CFD软件Airpak研究了地板下送风的空调系统中，IT设备机柜内部的隔板开孔率、柜门开孔率、机柜排风扇位置和数量对机柜温度的影响，并和实测数据作了比较。结果表明，机柜内部隔板开孔率越大，机柜内部温度整体越低、分布越均匀；机柜顶部和冷通道末端的风扇越多机柜温度越低。

鲁念^[7]等研究了紧贴地板底部的气流挡板对地板下送风均匀性、地板进气口流量分配的影响。研究表明，一定高度的气流挡板有利于流量分配均衡，但是过高可能会引起流道堵塞。

陈婷^[8]对传统的上送风空调系统提出了改造意见：建立冷气管道，使得冷气封闭地送向机柜、与机房热环境隔离，并用CFD模拟分析了速度场、温度场，得到了较好的结果。

沈向阳^[9]等运用CFD软件模拟了数据机房气流组织，并与实测数据作了比较。结果表明，在空调送风口处设置静压挡板可以使得送风速度减小、气流均匀，挡板距离主风口0.4m时效果最佳。

耿云^[10]等对地板下送风的数据机房进行了数值模拟，研究了静压箱高度、地板通孔率和静压箱挡板对气流组织和机柜温度的影响。研究表明，静压箱高度为0.6～0.7m、开孔地板通孔率为0.2～0.5和挡板角度为15°的作用最好。

范昕杰^[11]等研究了数据机房地板下送风模式中，紧贴机柜底部的气流挡板对机柜进风量均匀性的影响。结果表明，当气流挡板高度超过静压箱高度的50%时，对机柜进风量均匀性有很好的效果。

Beitelmal A H^[12]等用CFD软件数值模拟分析了当机房内的某一机柜出现故障时的温度场，提出设置空调制冷冗余量和主动对电能管理可以避免其他机柜出现高温。

Tozer R^[13]等提出了一系列新的气流效率的评价标准，包括：负压流量（诱导空气进入地板空隙）、旁路流量（从地板空隙直接返回、没有冷却服务器）和再循环流量（从服务器出口返回到服务器入口）等。

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