基于CFD模拟数据机房气流组织方案的对比分析

2020年第11期Ventilation&air conditioning
［通风与空调)
基于CFD模拟数据机房气流组织方案的对比分析
蒋建云孟庆礼彭琳李洋赵婷婷陆浩
(中建一局安装工程有限公司北京102600)
摘要：本文以某数据中心为研究对象，利用CFD软件对机房的气流组织和热工环境进行模拟，通过对采用冷通道封闭+地板下送风的送风方案和热通道封闭+吊顶回风两种送风方案下数据机房内温度场、气流流线和
机柜进口温度进行对比分析，得出气流组织方案的优缺点，为数据中心的机房空间布局和气流组织方案选择提
供理论参考和实践基础.
关键词：数据中心气流组织数值模拟方案对比
中图分类号：TU834文献标识码：B文章编号：1002-3607(2020)11-0034-03
数据中心机房的规模在不断扩大，如今的大型数据中心机房普遍面临设备发热密度高、电力能耗大等问题。

《数据中心设计规范》(GB 50174-2017)规定主机房空调系统的气流组织形式，应采用计算流体动力学(CFD)对主机房气流组织进行模拟和验证巾。

1CFD数值模型建立
本文模型对象为某数据中心，利用CFD模拟软件建立数据中心机房模型，并对机房的气流组织进行模拟分析。

数据机房长46.1m,宽40.4m,高7m,面积约1862m2,机架数量为408个，单机柜负载为12kW,IT负载总共为3264kW,机柜采用背靠背方式安装。

机房配置16台额定制冷量为290kW及2台额定制冷量为110kW,风量为80000m3/h的冷冻水空调。

机柜尺寸600mm(W)x1200mm(B) x2500mm(H)的52U机柜，机柜内放置服务器，各机柜安装服务器数量按实际布置，设定两种不同的送风方
案，并分别建模。

1.1方案一：无吊顶，封闭冷通道，
地板下送风，上部回风
(1)机房所需冷风为机房内下
送，每个AHU(冷量为290kW)送
风口为地板下部出风，回风口设置在
AHU后部，整个气流组织为下送后
回，AHU分别位于机房东、西两侧的
空调间中，空调间与模块机房之间以
轻质隔墙隔开，顶部开回风孔。

(2)架空地板高度为0.6m叫
(3)冷通道封闭，冷通道架空地
板设置格栅地板(见图1)。

091方案一：数据机房送风三维模型图
1.2方案二：机柜下送风，封闭热通
道，吊顶回风
(1)机房内下送风，送风温度
为23°C,每个AHU(冷量为290kW)
送风口大小为2500mm x2500mm
(其中110kW的AHU对应的送风口是
2500mm x1000mm),回风口设置
在AHU后部。

AHU分别位于机房东、
西两侧的空调间中，空调间与模块机
房之间以轻质隔墙隔开，下部开送风
孔，送风以射流形式送入机房空间。

(2)无架空地板。

(3)吊顶高度3.6m,采用热通
道封闭直送至吊顶空间(见图2)。

图2方案二：数据机房送风三维模型图
Ventilation&air conditioning总第342期（通风与空调
模型假设如下：机房内空气密度变化不大，流体密度变化仅对浮升力产生影响。

机房内空气为低速不可压缩流体，忽略由于流体黏性力做功引起的耗散热，机房内气流为稳态湍流。

采用零方程湍流模型描述机房内气流的运动，包括以下方程叫
连续方程：
du t
,=0
式中
吗—
—勺方向的速度分量，m/s, i=1,2,30
运动方程:
訂伽厲）
其中：
“eff=Ut+U
Ut=0.03874pu/
式中：
u i—匕方向的速度分量，m/s；
P—流体密度，kg/m3；
P—时均压力，Pa；
"eff—湍流有效黏度，kg/（m-s）；
B—热膨胀系数，m/K；
T。

—流体初始温度，K；T为流体温度，K；
他一湍流黏度，kg/（m・s）；
g—自由落体加速度，m/s?；
0.03874—经验系数；
□—平均速度；
i—
—湍流脉动长度标尺，m。

能量方程：
訂伽0=扫橙倦+誥）+却
式中：
Pr eff—湍流有效普朗特数；
q—热源强度，W/m3；
c p—
—空气定压比热容，kJ/
（kg・K）o
2气流组织管理方案对比分析
2.1温度场分析
根据CFD软件计算的结果，可
以对机房不同剖面的温度分布进行绘
图，形成按照色温标示热像截面图
（见图3）,选取机柜中部1.5m位置
的温度分布图进行对比可知，方案一
在热通道靠近空调侧的区域有明显的
热点，且机房内工作人员活动空间为
除封闭冷通道之外的空间，该空间与
热通道相联通，温度较高，维护人员
日常工作环境恶劣。

而方案二在冷热
通道的温度分布都相对均匀。

另一方
面，通过图4可以看出方案一中热通
道地板上方局部换热明显，说明存在
局部热损失，其原因为由于地板下静
图3机柜中部1.5m（水平高度）处温度分布图
压箱压力作用造成的冷热气流短路，
方案一热通道平均温度相对较低；而
方案二中由于热通道封闭，且机房层
高较高的原因，通道内热空气易形成
烟囱效应，有利于优化气流组织，比
较两种方案可以发现，方案二热通道
平均温度较高，使空调回风温度与空
调系统换热器盘管的温差加大，有利
于提高空调水的供回水温度，延长冷
冻水系统利用自然冷源的时间，为数
据中心运行节能提供了条件。

2.2速度场分析
对机房速度场的分析，依然选取
代表性的截面。

两种送风方案在X方
向（水平面垂直于机柜排布方向，距
离南侧内墙面）不同位置处的速度截
面见图5。

方案一中靠近空调端的冷通
道端口的局部风速较大，根据伯努利
效应，此处产生了较强的卷吸效应，
导致冷通道气流输送不均匀，不利于
冷空气均匀输送至机柜处。

而方案二
机架下送风方案没有静压箱作用，冷
图4机柜中部（竖直方向）处温度分布图
2020年第11期Ventilation & air co nditioning
1通风与空调）
空气直接进入机房，在该截面机柜进 风口处速度较均匀。

2.3机柜进口温度对比
两种送风方案设定的空调控制条
件、机柜负荷条件均相同的情况下， 根据图6可知，采用送风方案一即地板
下送风+冷通道封闭的送风模式时，由
于机柜靠近空调机房侧地板出风口风
速较大，此处的冷通道处容易出现风
压较低的空间，造成气流短路，有较
多机柜的进风温度超过《数据中心设
计规范》(GB 50174-2017 )推荐 温度的27°C O 而采用方案二即机房内
弥散式送风+封闭热通道结合吊顶回 风模式，进风温度高于279的机柜明 显减少，冷却效果较好。

方案二得益
于机房空间弥散式送风方式⑷，使得
两侧空调出风口近端风速得到控制，
空调机房内风速可以更均匀地输送至
机柜空间冷通道内，对于消除机房热
点非常有效。

3结语
通过采用冷通道封闭+地板下送
风的送风方案与采用热通道封闭+吊
顶回风送风方案模拟计算结果的对比
分析，可以得到以下结论：
(1 )地板下送风方式的空调送
风先送入地板下，后进入机房，空调
出口至冷通道格栅地板处由于流速较
大，存在卷吸效应，导致冷通道气流 输送不均匀，冷却效果较差，容易造
成局部热点。

(2) 封闭冷通道存在机房内空 间温度偏高，人员维护环境偏差，而
封闭热通道的方式可以改善机房内温 度，将高温空气集中至封闭热通道中
吊顶空间内，利用热空气烟囱效应，
可实现气流组织优化。

(3) 封闭热通道配合吊顶回风
方式，充分利用层高优势，采用吊顶
作为回风通道可提高空调送回风温度 差，有利于提高空调供回水温度，延
长免费自然冷却时间，为数据中心运 行节能提供了条件。

综上所述，采用封闭热通道+吊
顶回风的方式为大型数据中心节能运
行提供了一种有效的解决途径。

方案
方案二
图5机房处热通道内速度分布对比图
H
<J <
1T >a?le >s r <
M
三=
==-g
三三三三
=1=18
a
晉=====三
三
□
方案一
-一-二二三」「二
B H m m n n H H I H n r n T r g T n l
方案二
图6两种方案机柜平均进风温度对比图
参考文献：
[1]中国电子工程设计院•数据中心设计规范： GB 50174-2017IS].北京：中国计划出版
社，2017.
⑵张伟，曹连华，孙晓翠•架空地板高度及通道
封闭对机房冷却效果影晌的数值模拟分析 智能建筑,2018 (8) : 67-70, 73.
⑶黄庆河，曹连华，邱靖国，等•基于零方程湍
流模型大空间数据机房气流组织数值模拟[JI.
暖通空调，2016 (1 ) :73- 78.
⑷狗国林，夏春华，王培，等•张北某数据中
心空调系统设计J •暖通空调，2019 (4): 92-95, 127.
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巨s
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