一、引言

1946年數(shù)據(jù)中心誕生于美國，至今已經(jīng)歷4個(gè)階段近70年的發(fā)展歷程，數(shù)據(jù)中心從最初僅用于存儲(chǔ)的巨型機(jī)，逐漸轉(zhuǎn)向多功能、模塊化、產(chǎn)品化、綠色化和智能化。在越來越注重節(jié)能和精細(xì)化的今天，數(shù)據(jù)中心的每一個(gè)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)都閃耀著工程師智慧的光芒。他們對(duì)于數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃設(shè)計(jì)，不再滿足于僅停留在功能這一基本的要求上，現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心你會(huì)看到更多關(guān)于節(jié)能環(huán)保及工程之美、綠色之美等設(shè)計(jì)理念。

評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心的優(yōu)劣，與其提供的服務(wù)質(zhì)量，成本控制及綠色程度密切相關(guān)。能夠提供穩(wěn)定及具備高可用性的服務(wù)是對(duì)云服務(wù)商和數(shù)據(jù)中心的基本要求。在此基礎(chǔ)上具備良好的成本控制能力是數(shù)據(jù)中心綜合能力的體現(xiàn)。此外，《穹頂之下》已為我們揭開的環(huán)境污染遮羞布，不容許作為占全球用電量1.5%的數(shù)據(jù)中心行業(yè)保持沉默。綠色程度，是數(shù)據(jù)中心勇于承擔(dān)社會(huì)責(zé)任的詮釋。

數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運(yùn)行的前提是必須保證各個(gè)設(shè)備部件的正常工作，目前保證各個(gè)設(shè)備部件正常工作的做法是由運(yùn)維人員定期進(jìn)行設(shè)備巡檢，依靠運(yùn)維人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)以及給設(shè)備設(shè)定的告警閥值進(jìn)行判斷。由于沒有準(zhǔn)確的判斷標(biāo)準(zhǔn)，或因告警閥值設(shè)置不合理而出現(xiàn)資源浪費(fèi)甚至因延遲事故告警時(shí)間影響數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運(yùn)行是目前讓運(yùn)維人員非常頭痛的問題。基于此，本文引入計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件，將機(jī)房物理建模（CFD仿真），根據(jù)機(jī)房實(shí)際負(fù)荷計(jì)算并展示出機(jī)房目前的氣流組織及機(jī)房空調(diào)冷量使用情況。發(fā)現(xiàn)機(jī)房過熱或者過冷區(qū)域，通過模擬調(diào)節(jié)，尋找最佳氣流組織設(shè)置方案，消除局部過熱及過冷現(xiàn)象，以期達(dá)到消除安全隱患，發(fā)掘節(jié)能潛力的目的。

1、CFD實(shí)例說明

下面結(jié)合具體事例闡述氣流組織合理設(shè)計(jì)配置的重要意義。

某機(jī)房，自2012年7月投入使用以來已運(yùn)行了2個(gè)年頭。為評(píng)估目前機(jī)房內(nèi)散熱性能是否與初始設(shè)計(jì)一致，需要對(duì)機(jī)房內(nèi)的熱物理參數(shù)進(jìn)行分析。但是，氣流具有不可視且流動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，若直接采集數(shù)據(jù)工作量極大，且分析工作難度很大。本文采用CFD仿真模擬，計(jì)算出機(jī)房內(nèi)的溫度場、壓力場和速度場等數(shù)據(jù)，直觀地展示關(guān)鍵熱物理參數(shù)，大大降低分析氣流與傳熱過程的難度，給氣流組織優(yōu)化設(shè)計(jì)配置工作帶來極大便利。

1.1.機(jī)房基本信息及建模

某運(yùn)營商合建機(jī)房位于中國南方熱帶地區(qū)（該地區(qū)普通數(shù)據(jù)中心PUE約1.7~2.0），由物流倉儲(chǔ)改造而成，面積約數(shù)百平方米。部署了10列機(jī)柜數(shù)千臺(tái)服務(wù)器。每個(gè)機(jī)柜設(shè)計(jì)電流20A。機(jī)柜采用冷暖通道布置，且冷通道封閉。制冷采用11臺(tái)某品牌某型號(hào)空調(diào)，按照7用4備的運(yùn)行方式為機(jī)房提供冷量。根據(jù)機(jī)房的建筑結(jié)構(gòu)、IT設(shè)備、制冷設(shè)備、配電設(shè)備等實(shí)際布局建立物理模型如圖1所示。

圖1 某機(jī)房布局仿真模型圖

1.2.機(jī)房初始狀態(tài)現(xiàn)象描述

以現(xiàn)場實(shí)際采集電、冷、風(fēng)的相關(guān)數(shù)據(jù)作為輸入條件，模擬出機(jī)房目前的運(yùn)行狀態(tài)。圖2、3是通過計(jì)算得到的機(jī)房靜壓箱內(nèi)壓力溫度分布和機(jī)房空間內(nèi)壓力溫度分布情況。

從靜壓箱的壓力分布情況（圖2a）來看，靜壓箱下壓力分布并不均勻。在房間中部出現(xiàn)了綠色區(qū)域，表明了機(jī)房中部存在低氣壓甚至負(fù)壓現(xiàn)象，負(fù)壓會(huì)使得氣流倒流，影響冷熱空氣的正常循環(huán)，應(yīng)盡量避免。

圖2靜壓箱中熱參數(shù)圖

從（圖2b）靜壓箱的溫度分布情況可以看出，機(jī)房地板下的冷空氣中出現(xiàn)了2個(gè)局部溫度偏高的區(qū)域（綠色）。如果不及時(shí)處理，這部分“問題”的冷空氣可能會(huì)進(jìn)入機(jī)柜。由于這部分冷空氣溫度與設(shè)計(jì)值不一致，將無法按設(shè)計(jì)要求帶走相應(yīng)的熱量，從而影響后續(xù)一系列換熱過程。此外，該高溫區(qū)域的氣流還會(huì)對(duì)靜壓箱中其他部位的冷空氣造成“污染”，消耗一部分由其他空調(diào)產(chǎn)生的冷量。

圖3 機(jī)房中的熱參數(shù)圖

圖3展示的是機(jī)房空間中的壓力和溫度分布情況，從圖中可以看出，機(jī)房區(qū)域溫度場分布不均勻，底部第一個(gè)冷通道內(nèi)左右兩側(cè)存在溫差。機(jī)房整體呈現(xiàn)中部較冷，上下部偏熱的情況。

1.3.原因分析

根據(jù)靜壓箱中溫度不均勻現(xiàn)象，結(jié)合調(diào)取空調(diào)運(yùn)行參數(shù)（圖4）綜合分析發(fā)現(xiàn)，空調(diào)送風(fēng)溫度不均勻、水閥開度差別很大，風(fēng)機(jī)基本都維持在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的區(qū)域，能耗較大。

圖4 空調(diào)運(yùn)行參數(shù)

如圖4顯示173號(hào)、180號(hào)兩臺(tái)空調(diào)水閥開度零，表明他們并未開啟。也就是說，這兩臺(tái)空調(diào)沒有起到制冷作用，僅僅是作為風(fēng)扇，將熱通道的回風(fēng)未加任何冷處理直接送入地板下，這才出現(xiàn)了173號(hào)、180號(hào)兩臺(tái)空調(diào)送風(fēng)溫度偏高現(xiàn)象（圖4）從而使與之相對(duì)應(yīng)的冷通道出現(xiàn)溫度偏高的情況（圖3b）。173號(hào)空調(diào)輸送的熱風(fēng)與其對(duì)面的177號(hào)空調(diào)輸送的冷風(fēng)進(jìn)入同一個(gè)冷通道，導(dǎo)致給該通道機(jī)柜送風(fēng)的冷通道出現(xiàn)了左熱右冷的情況（圖3b）。自動(dòng)調(diào)節(jié)模式關(guān)閉了173號(hào)、180號(hào)兩臺(tái)空調(diào)水閥，客觀上證明了機(jī)房空間開啟的5臺(tái)空調(diào)所產(chǎn)生的冷量已能夠滿足IT設(shè)備散熱需求。如再增加新的空調(diào)設(shè)備，不但不會(huì)減輕其他空調(diào)的負(fù)擔(dān)，反而使其負(fù)荷增加，既影響IT設(shè)備散熱，又加大了數(shù)據(jù)中心運(yùn)行成本，據(jù)此我們建議關(guān)停部分空調(diào)。

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