上海邮电设计咨询研究院有限公司 谢静 沈利民 蒋雅靖 原世杰
摘 要：通过现场采集数据、建立几何模型、进行模拟计算，提出针对某在用通信机房改善气流组织的优化方案，对CFD热仿真技术的应用进行了实践探讨。经现场实测，改造方案取得了消除局部热点和节约空调运行能耗的双重效果。文末总结了机房气流组织优化改造措施，对在用通信机房气流组织优化具有推广意义。
关键词：在用通信机房；气流组织；CFD；冷通道；热通道
0 引言
在网络重构背景下，单机柜功耗不断增加，许多在用通信机房存在空调气流组织混乱、冷源得不到充分利用等情况，造成机架局部温度过热、空调冷量不足等问题，机房的制冷成为网络发展的瓶颈。单纯依靠不断增加空调设备制冷量来降低环境温度，不符合国家对于节能减排的要求，不利于机房资源的有效利用。因此，在用通信机房进行因地制宜、安全合理的气流组织优化是十分必要的。
1 研究方法及研究内容
1.1 研究方法
计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）简称CFD，是通过数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体在连续区域上的离散分布，从而近似的模拟流体的流动情况。近年来，CFD热仿真技术，在通信机房热评估中得到广泛的应用。通过建立三维几何模型，设置边界条件，进行模拟计算，既可为新建通信机房提供最佳设计方案，又可为在用通信机房气流组织优化提供改造依据。
1.2 研究内容
借助CFD热仿真技术，研究某在用通信机房的速度场和温度场分布情况，找出与机房气流组织相关的主要影响因素，进而对气流组织进行优化。按照优化方案，机房进行工程改造，并对机房进行改造后评估，实测优化方案的实际效果。
2 某在用通信机房气流组织分析与优化
2.1 某在用通信机房现状
某在用通信机房位于3层程控机房内，为近年新配置的数据化的传输机房，设备功耗相对较高，与程控机房通过铁丝网进行隔断。传输机房空调冷负荷为92.64kW，空调设备可提供显冷量为97.2kW，可以满足机房的制冷需求。机房气流组织采用架空地板下送风上回风方式，机房架空地板高度为350mm。传输机房平面如图1所示。
图1 传输机房平面图
2.2 某在用通信机房的CFD数值仿真模拟
通过建立机房几何模型，划分网格，制定边界区域。
通信机房气流组织的模拟计算是在6SigmaDC软件上进行的。依据送风温度17℃，送风速度v=1.5m/s的要求进行模拟（此边界条件参照现场实测数据确定）。在通信机房数值计算结果中选取典型断面温度场进行分析，实现通信机房内部三维湍流数值计算。
图2 自定义立面局部放大温度云图
由图2可以看出，机柜功耗较高的D列与E列（图1）机柜间的热通道温度达到32℃，机架出风口温度37℃，机房内局部热点的情况较为严重。
2.3 某在用通信机房的现场测试及气流组织问题分析
2.3.1 现场测试
测试时间及气象参数：上午10点，室外温度30/38℃。
在机房内实测D、E列（图1）之间的热通道温度为38.0℃。实测机柜最高出风温度为44.4℃。由热成像仪拍摄的机柜背面的最高温度达到39.8℃。利用温度记录仪采集E列2号机柜的温度数据，连续记录24h机柜冷、热通道的温度。E列冷通道温度均在20℃以上，最高达到25℃。热通道温度均在30℃以上，局部最高达到36℃。实测温度与模拟温度对比如表1
表1 实测温度与模拟温度对比表
数值模拟的结果与现场测试结果之间存在一定偏差，但温度场的计算与测试结果两者基本一致，变化趋势相接近。因此可以认为模拟结果与现场测试结果能较好地吻合，数值模拟结果接近实际情况，具有一定的准确性和可靠性。
2.3.2 气流组织问题分析
根据机房调研情况分析，气流组织主要存在以下问题：
（1）传输机房与程控机房边界处架空地板下部无隔断、上部为铁丝网隔断，使得专用空调的冷量扩散至程控机房内，冷量无法充分利用；
（2）传输机房内架空地板破损且部分地板设有出风百叶，漏风现象严重，造成空调冷量无法完全送入机架内；
（3）架空地板下近空调送风口布放有大量电缆，影响了空调的送风量；
（4）部分机柜底部进风口无送风导流板，致使风量未进入机柜送风通道直接由后部排出；
（5）部分机柜内的送风口封闭或设备与柜门间的送风通道过于狭小，送风量无法满足设备的散热要求；
（6）机柜内未安装服务器的位置无密封组件，导致机柜内气流组织紊乱，冷量未得到有效利用。
2.4 某在用通信机房气流组织优化方案
2.4.1 架空地板改造方案
考虑消防疏散的要求，无法将架空地板上方进行物理分隔，仅在铁丝网处的架空地板下方采用实体隔断封闭，确保专用空调的冷量得到充分利用，避免冷量在架空地板下部扩散至程控机房内；修复机房内破损的架空地板并取消出风百叶，确保架空地板静压箱的密闭性。
2.4.2 电缆改造方案
将架空地板下近空调出风口布放的电缆上翻至机柜上部，减少送风阻力，增加空调机组的送风量。
2.4.3 机柜改造方案
A、C、F、G列（图1）机柜采用底进风后出风的机柜，单机柜功耗较低，机柜底部进风量可基本满足设备的制冷需求。B列（图1）机柜无发热设备。故不对A、B、C、F、G列（图1）机柜进行改造。D~E列（图1）单机柜功耗较高，内部气流组织混乱，需对其机柜内部结构进行改造。
机柜改造的主要措施包括：
（1）对机柜正面进行改造，将机柜正门外移150mm，使得设备正面与机柜正门之间形成封闭冷通道，加强设备的散热效果；
（2）对部分机柜未打开的送风口挡板进行拆除，每个机柜底板前部设置一个可调节进风口，尺寸规格应≥400mm（宽）×350mm（深），使得进风口大小可在全开和全闭之间连续调节；
（3）进风口上方设置一个高度为180mm~260mm 的导流罩，引导冷风进入机柜前门与设备面板之间的区域；
（4）每个机柜内设备正面板平面配置必要的密封组件，以确保冷风全部进入设备正面板进风口，而不致泄漏。
2.5 某在用通信机房气流组织优化改造后CFD数值仿真模拟
根据气流组织优化改造方案重新建立机房几何模型。
选取典型断面温度场及速度场进行计算。如图3所示，机房改造后的温度场及速度场更为均匀，局部温度热点数量减少，机房内环境温度有明显改善。
图3 D、E列机柜间热通道温度场
2.6 某在用通信机房气流组织优化改造后评估
机房气流组织优化改造完成施工后对机房内温度进行监测。
测试时间及气象参数：
下午2:00，室外温度29~36℃。
在机房内实测D、E列（图1）之间的热通道温度为32.0℃，下降6.0℃。
机房内服务器设备风扇都恢复正常转速，设备板卡温度明显下降。温度数据对比如图4所示。改造前部分设备温度接近告警阀值，服务器风扇处于高速运行状态；改造后的设备温度下降明显，风扇运转正常。
图4 改造前后设备板卡温度值及设备板卡温度阀值
利用温度记录仪采集E列2号机柜的温度数据，连续记录24h机柜冷、热通道的温度。比较改造前、架空下方实体隔断封闭及完全改造完成后测试数据如图5所示。
图5 E列2架冷、热通道温度
从图5可以看出，改造后机柜内冷、热通道的温度有明显下降，冷通道下降约4℃左右、热通道下降约5℃左右。改造前专用空调始终处于制冷工作状态，空调运行能耗较高；改造后空调处于制冷运行与风机送风交替运行的工作状态，空调运行能耗下降。
气流组织优化改造后，机房环境温度得到了明显的改善，设备板卡温度下降，服务器风扇转速正常，空调运行能耗减少，消除了机房内的局部温度热点。
经机房改造后评估确定，机房气流组织优化改造方案是行之有效的，取得了消除局部温度热点和节能运行的双重效果。
3 总结在用通信机房气流组织优化改造措施
（1）机房应按照不同的功率密度区域进行物理隔离，隔离区内的各机柜功率宜接近。较高功率密度机柜宜在封闭的小范围内，设置专门的空调系统；
（2）根据在用通信机房的实际情况，不具备物理隔离条件的，下送风机房可在架空地板下方采用实体隔断封闭，上送风机房可安装移动封帘，将不同功率密度区域进行隔离；
（3）作为空调送风的架空地板和空调回风的吊顶内不应布放与本专业无关的通信及电力线缆，不符合此要求的机房，随通信设备的调整，在条件许可的条件下，可有计划的实施改造；
（4）机柜的结构及气流组织应满足其设备的散热要求。机柜应有合理的送、回风口及送、回风通道设计，其内部的流通阻力及散热需要的风量应与其服务器风扇的选型相匹配；
（5）当机柜内未装满设备时，未安装设备的位置应统一安装密封组件，防止冷空气直接由该位置进入热通道，造成冷气流短路、降低制冷效率；
（6）做好机房的密封，以保证地板下送风静压及机房洁净度要求。
机房的空调设备及通信设备均应根据通信设备的散热需求合理布置，应将冷风直接送达机柜的进风口，机柜能根据负荷需求，顺利的吸入需要的冷风，并将热风排至回风通道，回风气流应能够顺畅回至空调机组，减少在机房内的滞留时间。所以在用通信机房气流组织优化，是整个送、回风路径上相关各环节的优化。
在用通信机房的气流组织优化可以从机房的设备布局、机房的气流组织、机柜的结构及其气流组织三个维度考虑。只有将以上各因素协调统一，才能实现气流组织的优化，提高冷量利用率，降低空调能耗，节约能源。
参考文献
[1] 陈修敏, 张九根. 数据中心机房空调系统设计及气流优化分析. 北京流体机械, 2014, 42(11):79–82, 86.
[2] 舒庆鑫. 变电站数据机房能耗及气流组织模拟研究. 杭州 浙江大学, 2014.
注：本文收录于《建筑环境与能源》2019年10月刊总第26期。
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