機房空調對數據中心熱環境影響的模擬研究

傅玨忻 白雪蓮* 金超強

重慶大學土木工程學院

數據中心空調系統節能技術的研究主要包括氣流組織優化，空 調參數設定和自然冷源利用[1]。其中，氣流組織是連接機房熱環境和空調系統能耗的樞紐。由于機房內服務器功率分布不均勻，各空調獨立運行，容 易導致氣流分布不均勻，產 生熱點[2]。群控使所有末端空調在安全可靠的前提下進行聯合控制，在 協同一致的狀態下運行，改 善機房氣流組織，因 此值得更深入的研究[3]。另一方面，溫 度是重要的空調參數，在空調回風控制中，不 合理的回風溫度會造成風機能耗浪費，還 會影響機房氣流組織和 IT 設備散熱效果[4-5]。本文以重慶市某數據中心為研究對象，利用6SigmaRoom 軟件模擬空調群控前后和不同回風溫度下的機房熱環境，分 析群控和回風溫度對氣流組織和能耗的影響。

1 機房現狀及現存問題

1.1 機房概況

重慶市某數據中心的機房采用地板送風、吊 頂回風的氣流組織形式，冷通道封閉。機房尺寸為22.8 m（長）× 1 7.4 m（寬）× 6 .9 m（高），架 空地板高1.1 m。機柜編號為 A～J 列，機 柜尺寸為 1.2 m（長）× 0 .6 m（寬）× 2.2 m（高），機 柜內所有服務器的實際功率為291.5 kW，占機房設計功率的41%，負載主要集中在A～D 列?？照{間設有6 臺機房精密空調，5 用1 備，額 定制冷量為150 kW，額 定風量為9000 l/s。機 房平面布局如圖1 所示。

圖1 機房平面布局

1.2 現場實測

對機房進行現場測試，將 其結果用于分析機房運行狀況。通過測試空調送回風溫度、地 板送風溫度等參數，可 以判斷氣流組織是否合理、空 調運行是否正常、控 制模式是否合理。使用 HOBO 溫濕度記錄儀測試空調送風口溫度，在 每臺空調的地板下送風口中心布置一個測點，如圖2 所示?？照{回風溫度從該數據中心環控系統中獲取。用 Testo 風量罩對機房的開孔地板進行逐個風量測試，同時讀取對應的溫度數據，得到整個機房的地板送風量和地板送風溫度。測試的儀器性能參數如表1 所示。

圖2 空調送風口測點

表1 測試儀器性能參數

1.3 現存問題

1）空調運行參數不一致，機 房熱環境不佳。該數據中心的空調均采用回風控制，設 定回風溫度為25 ℃，空 調的實測結果如表 2 所示，不 同位置的空調實際送回風溫度、送 風量有較大的差別，地 板送風溫度在16.4～20.5 ℃波動，機 房內氣流分布不均勻。經過分析，這 是因為雖然回風溫度設定值一致，但 機房內服務器分布不均勻，形成 IT 負載高密度區和低密度區，且機房空調采用單臺獨立控制模式，各 空調處于不同負載下運行，導 致冷熱氣流存在一定的摻混，既 浪費冷量，又 不利于熱環境的營造。

為了解決空調獨立控制下無序競爭、能 耗浪費的問題，提 出末端空調群控的方法，采 用優化的控制手段對空調設備進行監控和管理，優化機房氣流組織。該數據中心依據設備運行時長來輪班啟?？照{，因 此采取主從控制的群控策略，通 過模擬分析群控對機房熱環境的改善作用。

2）空 調的回風溫度設定值不合理。由 表2 還可知，空調平均送回風溫差為6.7 ℃，低 于《數據中心設計規范》G B50174-2017 要求的8～15 ℃。又 因為實測得到的地板平均送風溫度為18 ℃，在 規范的冷通道推薦溫度范圍內，如 表 3 所示，可 知回風溫度低導致溫差過小，空調送風量大，風 機能耗浪費。

為了節約風機能耗，需 要提高空調回風溫度設定值。通過模擬確定不同回風溫度對氣流組織的影響，在保證良好熱環境的前提下盡量提高空調回風溫度。

表2 空調實測參數

表3 數據中心推薦環境參數

2 數值模擬及結果分析

2.1 模擬參數設定

使用 CFD 模擬軟件 6SigmaRoom 建立的機房物理模型如圖3。該機房實際情況下只有C、D 列機柜安裝盲板，并 且負載集中在 A～D 列，其 他列以空機柜為主，服 務器上架率低。為了減小其他因素的干擾，在 機房的理想情況下研究群控和回風溫度對熱環境的影響，模 擬中機房的空機柜全部安裝盲板，且 空機柜前對應的孔板關閉。根據《實用供熱空調設計手冊》，地 板漏風量取最小值10%。不同空調回風溫度下對應的參數如表4 所示，群控模擬時空調回風的溫度都設定為25 ℃。

圖3 機房物理模型

表4 空調不同回風溫度下的參數

2.2 空調群控熱環境分析

機房空調采取主/從控制策略，即 靠近 IT 設備密集區的空調為主空調，其 余空調為從空調，通 過主空調控制器同時控制若干臺從空調的冷量輸出。機房空調為N+1 冗余，在 運行過程中，至 少有一臺處于備用狀態。為保證設備的安全運行，空 調輪換工作，各 空調擺放位置、送 回風位置不同，會 影響機房的氣流場、溫度場。因此，1#到6#空調在模擬時輪流關閉，作 為冗余空調。不同空調之間的主從關系如表5 所示。

表5 空調群控策略

圖4 群控前后地板送風溫度

圖4 為 6# 空調關閉時，群控前后的地板送風溫度。未群控時，地 板送風溫度分布不均，遠 離空調端的地板送風溫度偏低。這是因為各空調獨立運行，雖 然回風溫度設定值一致，遠 離 IT 設備密集區的空調冷量需求小，實 際送風溫度偏低。又由于靠近 IT 設備密集區的空調送風距離有限，不 能送至遠離空調端的地板，那么遠離空調端的地板送風量需由遠離 IT 設備密集區的空調來提供，從 而使得其送風溫度偏低。群控后，各地板送風溫度基本相同，均 為 18 ℃，這 說明由主空調決定從空調輸出參數的群控策略可以有效地統一空調的運行參數，提 高地板送風溫度的均勻性。

空調未群控和群控后機房在0.2 m，1.1 m 和2.0 m高度的溫度分布如圖5、圖 6 所示。由圖 5 可知，未 群控下，空 調備用情況對氣流組織有一定的影響。不同位置的空調開啟和關閉時，機 房的熱環境有較大的差異。3#，4#和6#空調關閉，對 A、B 列機柜附近的熱環境的影響較大。3# 空調關閉時最高環境溫度為34.1 ℃，熱 點主要出現在1.1 m 和2.0 m 處。最高環境溫度在32.3 ℃～34.1 ℃范圍內，差值為1.8 ℃。由圖 6可知，群 控后，哪 臺空調關閉對整體溫度分布影響并不大，最 高環境溫度在 29.3 ℃～30.6 ℃范圍內，差 值只有1.3 ℃。因 此，群 控后空調的啟停選擇更多。機 房的溫度差值由未群控的 14 ℃～34.1 ℃變為群控后的 18 ℃～30.6 ℃，最 低環境溫度提高 4 ℃，最 高環境溫度降低3.5 ℃，機 房整體的溫度分布均勻性提高。

圖5 空調未群控時機房0.2 m，1.1 m 和2.0 m 處溫度分布圖

圖6 空調群控后機房0.2 m，1.1 m 和2.0 m 處溫度分布圖

利用氣流組織評價指標 SHI 評價機房的氣流組織。供熱指數SHI 是評價冷送風和熱回風混合程度的指標，標 準值為 0，S HI 值越小說明冷送風和熱回風的混合程度越小，計 算見式（1）：

式中：Tini,j r、Touti,j r為第i行第j列機柜進出風平均溫度，℃ ；TsupC為空調送風溫度，℃ 。

表6 為群控前后的機房 SHI 值，6# 空調關閉時，SHI 值最大，說 明6#空調對機房整體氣流組織的影響最大。各空調輪流關閉，未群控下的 SHI 平均值為0.036，群 控后的 SHI 平均值為 0.005，S HI 值大幅度減小。因此，群 控使空調冷送風與IT 設備熱排風混合程度減小，機 房的氣流組織得到優化，有 利于營造良好的機房熱環境。

表6 群控前后機房SHI 值

2.3 空調不同回風溫度下熱環境分析

在采取主從控制的群控策略基礎上，對 送風溫度為 18 ℃時，回 風溫度設定值為 25 ℃、26 ℃、27 ℃、28 ℃的四種工況進行了模擬，6#空調關閉則作為冗余空調。

通過圖 7 的不同回風溫度下機房溫度分布圖可知，回風溫度設定為25 ℃，26 ℃，27 ℃和28 ℃時，機房的最高環境溫度分別為 29.3 ℃，30.2 ℃，31.2 ℃，33.5 ℃?；仫L溫度為28 ℃時，A、B 列機柜的近空調端開始出現明顯的熱點。從圖7 還可知，無論回風溫度設定為多少，對 于IT 設備密集的A～D 列熱通道，靠 近空調區域的溫度普遍要高于遠離空調區域的溫度。說明近空調端地板下的冷空氣流速大，靜 壓小，冷 通道內的空氣容易向下倒流，導致供給 IT 設備的風量不足，機 柜的出口溫度升高。

圖7 空調不同回風溫度下機房0.2 m，1.1 m 和2.0 m 處溫度分布圖

為了更好地評估回風溫度對熱環境的影響，引 入回風溫度指數 RTI 評價機架周圍氣流組織的良好程度。R TI 標準值為100%，小 于100%說明存在冷空氣旁通的現象，大 于 100%說明存在熱空氣再循環的情況，RTI 值偏離100%越大說明問題越嚴重。旁 通和再循環的問題往往同時存在，因 此RTI 反映的是旁通和再循環的相對嚴重程度。計算見式（2）：

式中：TsupC、TretC為空調送回風溫度，℃ ；Tinr、Toutr為機柜進出風溫度，℃ 。

不同回風溫度下的機房 SHI 和 RTI 值如表 7 所示?；仫L溫度越高，S HI 值越大，回 風溫度達到28 ℃時為0.079，超 過未群控下的初始值0.052。R TI 值先接近再遠離100%，在 回風溫度27 ℃時達到最佳值 98.8%?；仫L溫度越高，空調送風量和風機需求越低。綜合考慮機房熱環境和風機能耗，回 風溫度設定為 27 ℃較為合理，機房的最高環境溫度從29.3 ℃提高到 31.2 ℃，根據風機需求計算出理想情況下可節約風機能耗39.5%。因此，適 當提高空調回風溫度，能 在均勻的機房熱環境下減小空調送風量，實 現節能。

表7 不同回風溫度下機房SHI 和RTI 值

3 結論

針對重慶某實測數據中心各空調運行參數不一致，回 風溫度設定值不合理的問題，提 出對機房空調進行群控，提 高空調回風溫度設定值的措施，通 過模擬機房熱環境得出以下結論：

1）針 對目前機房內服務器分布不均、上 架率不高的情況，對 空調采取主從控制的群控策略，由 主空調計算出冷量需求，其 余從空調與主空調的冷量需求相同。這種群控策略能有效地統一空調實際回風溫度，使 機房的最高環境溫度降低3.5 ℃，S HI 值從 0.036 下降到0.005，機 房氣流組織和溫度分布更加均勻，改 善機房熱環境，提 高冷量利用率。

2）在 群控的基礎上，參 考氣流組織評價指標和機房環境溫度，在 保證機房熱環境良好的前提下盡可能提高空調回風溫度設定值，可以節省風機能耗。該數據中心的空調推薦設定回風溫度為27 ℃，空 調風機能耗節約39.5%。