AHU送风方式对数据中心机房温度影响的CFD模拟.pdf

51 Vol.40,No.1January,2024第 40 卷第 1 期2024 年 1 月IT REPORT0 引言数据中心机房作为放置服务器的环境场所，随着互联网、金融行业、5G 网络科技的快速发展，服务器数量不断增加，数据中心的规模不断扩大，由国家绿色数据中心试点工作方案可知，全球数据中心已超 300 万个，我国数据中心己超 40 万个，年耗电量占我国全社会用电量超过 15%，己成为能耗总量和密度的高度集中区1李婷婷等人通过 6sigamaroom 模拟软件对某实际项目的数据中心封闭热通道的机架下送风和地板下送风两种送风方式进行模拟研究对比得出热通道封闭宜与机架下送风结合，达到节能的目的2；陈文辉通过 DeST 能耗模拟软件对风管上送风，自然侧回风和冷墙侧送风，封闭热通道上回风的气流组织形式进行模拟研究对比得出封闭热通道的送风模式可使空调系统全年节约 23.7KWh 的能耗，节AHU 送风方式对数据中心机房温度影响的 CFD 模拟李斌斌1，2，武文婓1，2（1 内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古包头014000；2 内蒙古科技大学能源与环境学院内蒙古自治区高效洁净燃烧重点实验室，内蒙古包头014000）摘要：以内蒙古乌兰察布市某机房为研究对象，使用 CFD 模拟软件 6sigamaroom 软件模拟了热通道封闭前后AHU 送风气流组织形式，通过温度场、速度场及流线分析对比得出，热通道封闭可有效改善机房热环境，消除局部热点，并提高了 AHU 机组的制冷效率。关键词：数据机房；热通道隔离；AHU 送风中图分类号：TP308文献标志码：A文章编号：1672-4739（2024）01-0051-03CFD Simulation of the Influence of the AHU Air Supply Mode on the Temperature of the Data Center Machine RoomLI Binbin1,2，WU Wenfei1,2（1.School of Energy and Environment,Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014000,China；2.Key Laboratory of Efficient and Clean Combustion in Inner Mongolia Autonomous Region,School of Energy and Environment,Inner Mongolia University of Science and Technology Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014000,China）Abstract：In a room in wulanchabu city of Inner Mongolia as the research object,using CFD simulation software 6sigamaroom software to simulate the heat channel closed AHU air flow organization form,through the temperature field,speed field and streamline analysis comparison,hot channel closed can effectively improve the room thermal environment,eliminate local hot spots,and improve the refrigeration efficiency of the AHU unit.Keywords：data room；thermal channel isolation；AHU air supply约 9.6%的空调能耗3；傅烈虎对某个典型的数据中心封闭冷通道和封闭热通道后进行 PUE 值计算对比得出封闭冷通道后数据中心 PUE 降低 0.04，封闭热通道后 PUE值降低 0.02，封闭冷通道效果更佳4综上所述，封闭热通道后各种送风方式均有节能降耗的效果，但对 AHU 这种送风方式热通道封闭后能耗水平研究较少，本文将通过6sigamaroom 模拟软件对 AHU 送风方式热通道封闭前后热环境及能耗水平得变化进行模拟研究。1 空调系统介绍AHU 机组，即组合式空调，分为卧式、立式和吊挂式等形式，一般由过滤段、加湿段、表冷段、风机段等部分组成。此外还包括新风阀、回风阀及排风阀等部件，机组共分为三种模式，分别为新风模式、混风模式、回风模式，混风模式是三种模式中最为节能的一种模式，当室外温度低于设定温度，可以完全利用室外冷源对机房制冷；新风模式的耗能是介于混风与回风的一种模式，新风模式开启后新风阀完全打开，室外新风利用表冷段的冷冻水进行制冷降温；回风模式是耗能最大的一种模式，当室外条收稿日期：2023-11-23作者简介：李斌斌（1993.06-），男，汉族，内蒙古乌兰察布人，研究生，研究方向：数据中心温度场模拟。52 Vol.40,No.1January,2024第 40 卷第 1 期2024 年 1 月IT REPORT件较为恶劣时，如高温、暴雨、沙尘暴等天气，新风阀完全关闭，回风阀全部开启，将室内环境与外界隔离，机房需求的冷量完全由表冷段冷冻水提供。2 机房数值模拟模型建立2.1 机房基本概况本 机 房 为 内 蒙 古 某 数 据 中 心 机 房，机 房 面 积为395m2，长 16.3m，宽 12.4m，层高 4.5m，机房内有 48 个机柜，分为 4 列摆放，机柜数为 48 个，每个机柜 IT 发热量为 10KW，忽略机房维护结构，照明及人员的散热量，机房冷负荷共计为 480KW。机柜采用面对面，背靠背的方式摆放，空调间面积为 192m2，长 16.3m，宽 11.8m，层高 4.5m,机房与空调间采用内墙隔开，制冷设备采用三台 AHU 机组，单台制冷量 180kw。2.2 物理模型的建立本文研究采用 CFD 模拟软件的 6sigamaroom 仿真软件进行模拟研究，应用有限体积离散微分方程组，通过SIMPLE 算法求解速度压力耦合方程，扩散项选用中心差分的离散格式，动量方程与能量方程的离散格式选用一阶迎风格式，选用已标定残差来控制方程的收敛精度，模拟时各计算残差曲线需趋于水平以保证各参数值的稳定。数据中心属大空间湍流模型并假定机房内部门窗封闭和墙壁密闭性较好，因此在计算中采用了标准 k-模型进行分析，空调送风时选用流量进口边界条件，回风采用压力出口边界条件。数值模拟是建立在连续性方程、动量方程和能量方程之上的。模拟软件以残差值为 1 对求解方程收敛程度进行控制，在模拟计算中各个残差曲线基本平稳，说明收敛效果良好。本文研究的送风方式模型采用 3 台 AHU 机组，单台机组制冷量为 180KW，送风量为 30000m3/h，设置送风温度为 21，冷通道宽 3.0m，热通道宽 2.5m，冷通道间距为 4.8m。2.3 数学模型的建立在用数值模拟方法对数据中心机房气流组织特性进行研究之前，首先要建立三个主要的控制方程来体现各变量之间的相互联系。三个控制方程主要是质量方程、动量方程和能量方程。对任意传热与流动问题进行数值模拟时，均采用基本流体力学与数学模型作为理论基础，以此来验证数值模拟方法是否可行。因此，能量守恒方程、动量守恒方程、质量守恒方程是流体的传热和流动的基础。数据中心机房气流流动是一种大空间流动模式，不论从速度上还是从尺度上讲，数据中心机房气流流动都是湍流的，是湍流状态下的模式，雷诺数会急剧改变。在求解湍流模型时，引进涡粘系数雷诺时均方程为主要手段。Launder 和 Spalding 根据涡粘假定，提出了一方程模型和经验公式相结合的方法，建立了标准 k-模型。该模型是目前应用最广泛的湍流模型，计算精度较高。为了对数据中心机房内的气流组织进行准确的模拟和分析研究，本文采用 k-模型进行模拟求解。2.4 模型的验证通过 CFD 模拟软件 6sigamaroom 采用同样的模型步骤对内蒙古乌兰察布某数据中心温度场进行模拟，再通过数字温湿仪实地检测各点温度，将模拟得出的温度与实测温度值进行对比，验证模型步骤的正确性，测量仪器采用 FLUKE971 温湿度仪，在机房测点布置的面积不大于50m2时，应对角线 5 点布置的规定，每增加 20 50m2应增加 3 5 个测点。测点距地面应为 0.8m，距墙不应小于 1m，并应避开送回风口处。具体测点位置分布，如图 1 所示：图1 测点布置表 1 实测值与模拟值对比表测试点位实测值模拟值相对误差13733.59.4%235.832.210.1%326.627.4-3.0%427.628.2-2.2%526.628.1-5.6%626.327-2.7%729.927.67.7%832.328.89.8%927.528.6-7.7%1028.929.6-2.4%从表 1 可以看出两者的变化趋势接近于一致，最大误差在 10%内，满足工程模拟的要求，同时可以验证此软件模拟的数据在实践中具有参考意义。因此，数值模拟结果与实测数据总体上保持一致，验证了本软件数值模型标准 k-模型的有效性。3 机房模拟结果3.1 温度场模拟结果温度场云图可以直观地将不同地点的温度数据通过不同颜色表现出来，通过数值模拟计算，当 CFD 残差值趋近于 1 时得出计算结果，AHU 送风热通道封闭前后机柜 53 Vol.40,No.1January,2024第 40 卷第 1 期2024 年 1 月IT REPORT不同高度温度场云图如下图 2 所示：（a）机柜底部温度 （b）机柜中部温度 （c）机柜顶部温度 （d）机柜底部温度 （e）机柜中部温度 （f）机柜顶部温度图 2 AHU 热通道封闭前后机柜不同高度温度场对比图从上图 2（a）、图 2（b）、图 2（c）可看出热痛道封闭前随着高度的增加，冷热气流掺混愈发严重，产生了局部热点，机柜顶部的掺混最为严重，局部热点温度最高，原因主要为冷气流密度大分布于下部，热气流密度小分布于上部，大量热气流集聚于上部导致机柜中高部局部温度偏高，由图 2（d）、图 2（e）、图 2（f）可看出机柜在封闭后机柜不同高度冷热气流掺混明显减少，且冷热通道内温度均分布较为均匀，回风温度显著提升，提高了机组的制冷效率。3.2 速度场模拟结果数值模拟计算的速度值通过不同的颜色直观地显示在图里面，热通道封闭前后不同高度速度场分布如图3所示：（a）机柜底部 0.1m 速度 （b）机柜中部 1m 速度（c）机柜顶部 1.8m 速度（d）机柜底部 0.1m 速度 （e）机柜中部 1m 速度（f）机柜顶部 1.8m 速度图 3 AHU 热通道封闭前后机柜不同高度速度场对比图从图 3（a）、图 3（b）、图 3（c）可以看出热通道封闭前，随着高度的增加，冷气流的速度逐渐减少，空调机组在近端主要以浅蓝色和黄色为主，到远端主要由深蓝色为主，这表明冷气流在机组近端到远端的过程中逐渐的衰减，最终减为 0，在机柜顶部尤为突出，并且可以看出在热通道内冷气流速度矢量密度较大，冷通道内冷气流速度矢量密度反而较小，机房两侧冷通道尤为突出，表明大量冷气流进入热通道与热通道的热气流掺混，极易产生局部热点，原因主要是机组出来的高速冷气流直吹碰到机柜及墙壁，改变了流向，进入到热通道。热通道封闭后如图3（d）、图 3（e）、图 3（f），由于热通道封闭，整个房间变为冷池，冷气流分布均匀，冷热气流无掺混，有效的消除了局部热点。3.3 流线图模拟结果图 4（a）所示为热通道封闭前流线图，流线图中流线由蓝变红代表气流温度由低到高，蓝色流线表示其为送风温度，红色流线为回风温度，从图中可看出在热通道封闭前气流组织混乱，出现冷热气流掺混现象，并且气流出现了涡旋，降低了气流流速，对流换热效果降低，热通道封闭后，冷热气流有了有效的隔离，从图 4（b）可以看出，冷气流在冷通道内分布均匀，机房整体的温度得到了有效的降低，流线清晰，冷热气流掺混现象不明显，并且热气流聚集于热通道，回风温度提高，供风温差变大，换热效率提高，机房热环境得到有效改善，冷气流利用效率明显提高。（a）热通道封闭前流线图 （b）热通道封闭后流线图图 4 AHU 热通道封闭前后流线图4 结论本文使用 CFD 软件 6sigamaroom 数值模拟了乌兰察布市某数据中心 AHU 送风气流组织形式，通过温度场、速度场及流线分析了热通道封闭前后气流组织变化情况，得出在热通道封闭后，冷热气流分布均匀，掺混情况明显改善，有效的降低了局部热点现象的发生，此外，由于冷热通道有效的隔离，使送回风温差变大，提高了 AHU 机组的制冷效率。综上可得，对于 AHU 机组送风形式，通过热通道封闭可有效改善机房热环境并且使机房用电更加节能。参考文献：1 李婷婷，黄翔，耿志超等.送风方式对热通道封闭数据中心热环境影响的模拟研究J.流体机械，2019，47（6）：62-632刘义军,马志荣,陈萌,等.地板下送风方式和几何参数对数据中心热性能的影响J.制冷学报,2023,44(01):71-80.3陈文辉.热通道在数据中心应用分析J.洁净与空调技术，2020：115-1164傅烈虎.封闭通道后数据中心的 PUE 分析J.智能建筑与城市信息，2010，27（1）：21-24