典型数据机房热环境分析及气流组织优化_高彩凤
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风口处所吸收的热 量 与 冷 气 流 由 地 板 送 风 口 到 服
７］ ， 这 一值 务器机柜出风口所吸收的热量的百分比 ［
可以反映冷气流在 正 式 使 用 之 前 的 冷 量 损 失 占 使 用后冷量损失的 百 分 数 ， 这 个 值 越 小， 表示冷量利 用效率越高 ， 浪费越少 ； ＲＨ Ｉ 为冷气流在机柜中用 于冷却服务器所损 失 的 冷 量 占 冷 气 流 从 地 板 风 口
１ ０ ２
暖通空调 ＨＶ ＆ Ａ Ｃ ２ ０ １ ３ 年第 ４ ３ 卷第 ９ 期
专题研讨
整个社会的能 源 和 环 境 带 来 巨 大 的 挑 战 。 采 用 先 进的技术进行节能 降 耗 已 经 是 新 建 数 据 中 心 的 必 也是既有数据中心节能改造迫在眉睫的任 由之路 ， 务。 本文主要从数据中心空调系统冷风供给角度 研究一个典型 数 据 机 房 的 热 环 境 状 况 。 通 过 对 典 型数据机 房 热 环 境 进 行 实 测 获 得 边 界 条 件 ， 利用 Ｃ Ｆ Ｄ 软件 在 原 有 气 流 组 织 的 基 础 上 进 行 模 拟 优 化， 研究气流组织优化带来的节能潜力 。 １ 数据中心的物理架构 典型的数据 机 房 ， 机 架 通 常 以 面 对 面、 背对背 的方式摆放 ， 便于形成冷热通道 。 地板采用架空活 冷气流通过地板处装设的送风口进入机房 动地板 ， 或机柜内 。 热气流从空调顶部回风 ， 形成下送上回 的气流组织形式 。 ２ 数据机房热环境评价指标 ２． １ 温度 美国 Ａ Ｓ ＨＲ Ａ Ｅ Ｔ Ｃ ９． ９ 根据机柜吸入口处
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①
０ 引言 ） 数据中心 （ 拥有 大 量计 算机 设备、 ｄ ａ ｔ ａ ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ 服务器设备 、 网络设备及存储设备等关键设备 。 为实现这些关键设备的安全稳定运行 ， 除了不 间断电力供给之外 ， 还需要辅助系统 （ 如空调系统 、 。 数据中心散热设备 照明系统及安全监控系统等 ） 多、 散热量大 、 设备 运 行 时 间 长 及 设 备 对 环 境 温 湿 度有较严格的要求 等 特 点 决 定 了 数 据 中 心 的 能 耗 量必然相当可观 。 美国劳伦 斯 伯 克 利 国 家 实 验 室 （ Ｌ Ｂ Ｎ Ｌ） ２ ０ ０ ３ 年的测试研 究 表 明 ， 一般的商业建筑能耗为５ ０～
高彩凤 ， 女， 博士 ， 工程师 １ ９ ８ ０年１ ０ 月生 ， １ ０ ０ ０ １ ３ 北京市朝阳 区 北 三 环 东 路 ３ ０号中国建筑科学研究 院建筑环境与节能研究院 １ １ １室 （ ）６ ０ １ ０ ４ ５ １ ７ １ ８ １ ： Ｅ－ｍ ａ ｏ ｃ ａ ｉ ｆ ｅ ｎ ｍ ａ ｉ ｌ ． ｃ ｏ ｍ ａ ｉ ｌ ＠ｇ ｇ ｇ 收稿日期 ： ２ ０ １ ２－１ ２－０ ３ 一次修回 ： ２ ０ １ ３－０ ３－０ ８ 二次修回 ： ２ ０ １ ３－０ ８－０ ５
专题研讨
暖通空调 Ｈ Ｖ＆Ａ Ｃ ２ ０ １ ３ 年第 ４ ３ 卷第 ９ 期
１ ０ １
典型数据机房热环境分析及 气流组织优化 ＊
中国建筑科学研究院 高彩凤 ☆ 于 震 吴剑林
摘要 介绍 了数 据 机房 的 热 环 境 评 价 指 标 。 以 某 典 型 数 据 机 房 为 研 究 对 象 ， 对其热环境 进行了现场实测和 Ｃ 发 现 存 在 冷量 浪 费 的 现 象 。 在 原 有 送 回 风 方 案 的 基 础 上 分 别 采 Ｆ Ｄ 模拟 ， 用在 冷 通 道 侧 机 架顶 部 加 装隔板 和 部分 封闭 冷 通 道 两 种 方 案 改 善 机房气 流 组织 。Ｃ Ｆ Ｄ 模拟 结 果显 示 ， 两 种 优 化 方 案对提 高 冷量利 用 效 率 均 有 效 ， 其中 冷 通 道 部分 封闭 的方 式 能 将 冷 气 流 更 大限 度地 局 限于 冷 通 道内 ， 能 更 有 效 地 提 高 机房空 调 冷量利 用 效 率 。 关键词 数 据 机房 热 环 境 气 流 组织 冷 通 道 冷量利 用 效 率
７］ ， 到机柜出风口处总的冷量损失的百分比 ［ 即 冷量
真正被有效利用的部分所占的比例 ， 因此该值越大 越好 ， 等于 １ 则是最理想的状态 。
ＳＨ Ｉ 和 ＲＨ Ｉ 可分别表示为 Ｑ Ｓ Ｈ Ｉ＝ δ ＝ Ｑ ＋δ Ｑ
的空气温度衡量空 气 冷 却 散 热 设 备 的 数 据 中 心 热 环境质量 。 数据中 心 按 照 温 湿 度 要 求 的 严 格 程 度 分为 Ａ 每个等级有推荐范围 １～Ａ ４ ４ 个不同等级 ， 和允许范围 ， 见图 １ 中黑色包络线所示范围 。
２［ ２］ ／ 。２ ３ ２ ３ ０Ｗ ｍ ０ １ ０ 年美国数据中心耗电量约为 · ， 亿 为 当 年 全 美 耗 电 量 的 １． ９ ５ １． ６ ｋＷ ｈ ７％ ～ ［］ ２． ２％ ３ 。 在中 国 ， ２ ０ １ １年数据中心总耗电量达 占全社会用电量的 １． ７ ０ ０ 亿 ｋＷ ·ｈ， ５％ 。 随 着云
计算的快速发展 ， 未来 ５ 年我国对数据中心流量处 理能力的需求将增长 ７～１ 机房面积需要再翻 ０倍， ４］ 。数据中心庞 一番才能满 足 云 计 算 发 展 的 需 求 ［ 大的能耗量不仅给企业造成了沉重的负担 ， 而且给
①☆
— —先 进 建 筑 设 备 系 统 ＊ 科技部国际科技技 术 合 作 课 题 项 目 — ， 技术的适应 性 研 究 和 示 范 （ 编 号： 中国建筑科 ２ ０ １ ０ Ｄ Ｆ Ａ ７ ２ ４ ０ ０ ４） － ） 学研究院青年科研基金课题项目 （ 编号 ： ２ ０ １ １ ０ １ ０ ９ ３ ３ １ ０ ２ ０ ０ ０ ７
ｒ ， ｉ ｎ ｉ ｊ
ｊ
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（ ｔ ∑ ∑Ｍ ｃ ［
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Ｓ Ｈ Ｉ ＋Ｒ Ｈ Ｉ ＝１ （ ） ， （ ） 式 １ ２ 中 Ｑ 为冷气流从地板送风口到服务 δ 器机柜进风口处所吸收的热量 ； Ｑ 为冷气流在 机柜 ｉ 个机柜 的 气 流 质 量 流 量 ； ｃ ｐ 为空气的比定压热 ｒ ｒ （ 容； ， ， ｔ ｔ ｉ ｎ） ｉ ｏ ｕ ｔ） ｉ ｊ和 （ ｊ 分 别 为 第ｊ 排 第ｉ 个 机 柜 进 口
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２ ／ ， ／ 而数据中心的能耗为１ １ １ ０Ｗ ｍ ２ ０～９ ４ ０Ｗ ２［ １］ ｍ 。 随着网 络 信 息 和 计 算 机 技 术 的 飞 速 发 展 ，
近年来各国大型的 云 计 算 中 心 如 雨 后 春 笋 般 纷 纷 涌现 ， 数据中心的设 计 能 耗 密 度 已 经 达 到 １ ０ ８ ０～
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［ ５］
除了简单直接的温度值外 ， 国外学者在研究数 据机房热环境时 ， 提出一些由温度构建的评价指标 评价数据中心热环境的品质 ， 其中较为广泛使用的 回热指数 ＲＨ 有供热指数 ＳＨ Ｉ， Ｉ 及机架冷却指数
Ｒ Ｃ Ｉ。 ２． ２ 供热指数 ＳＨ Ｉ 和回热指数 ＲＨ Ｉ ＳＨ Ｉ 为冷气流从地板送 风 口 到 服 务 器 机 柜 进
图 １ 我国国标和美国 Ａ Ｓ Ｈ Ｒ Ａ Ｅ 推荐的数据中心温湿度范围
∑ ∑Ｍ
ｊ ｉ
ｒ ， ｉ ｊ ｐ
ｒ （ ， ｃ［ ｔ ｔ ｉ ｒ ｅ ｆ］ ｉ ｎ） ｊ－
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Ｑ Ｒ Ｈ Ｉ＝ ＝ Ｑ＋ Ｑ δ
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） －Байду номын сангаас ｔ）］
７］ ， 这 一值 务器机柜出风口所吸收的热量的百分比 ［
可以反映冷气流在 正 式 使 用 之 前 的 冷 量 损 失 占 使 用后冷量损失的 百 分 数 ， 这 个 值 越 小， 表示冷量利 用效率越高 ， 浪费越少 ； ＲＨ Ｉ 为冷气流在机柜中用 于冷却服务器所损 失 的 冷 量 占 冷 气 流 从 地 板 风 口
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暖通空调 ＨＶ ＆ Ａ Ｃ ２ ０ １ ３ 年第 ４ ３ 卷第 ９ 期
专题研讨
整个社会的能 源 和 环 境 带 来 巨 大 的 挑 战 。 采 用 先 进的技术进行节能 降 耗 已 经 是 新 建 数 据 中 心 的 必 也是既有数据中心节能改造迫在眉睫的任 由之路 ， 务。 本文主要从数据中心空调系统冷风供给角度 研究一个典型 数 据 机 房 的 热 环 境 状 况 。 通 过 对 典 型数据机 房 热 环 境 进 行 实 测 获 得 边 界 条 件 ， 利用 Ｃ Ｆ Ｄ 软件 在 原 有 气 流 组 织 的 基 础 上 进 行 模 拟 优 化， 研究气流组织优化带来的节能潜力 。 １ 数据中心的物理架构 典型的数据 机 房 ， 机 架 通 常 以 面 对 面、 背对背 的方式摆放 ， 便于形成冷热通道 。 地板采用架空活 冷气流通过地板处装设的送风口进入机房 动地板 ， 或机柜内 。 热气流从空调顶部回风 ， 形成下送上回 的气流组织形式 。 ２ 数据机房热环境评价指标 ２． １ 温度 美国 Ａ Ｓ ＨＲ Ａ Ｅ Ｔ Ｃ ９． ９ 根据机柜吸入口处
， ， ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａ ｃ ａ ｄ ｅ ｍ ｏ ｆ Ｂ ｕ ｉ ｌ ｄ ｉ ｎ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ★ Ｃ ｙ ｇ ｊ ｇ
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０ 引言 ） 数据中心 （ 拥有 大 量计 算机 设备、 ｄ ａ ｔ ａ ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ 服务器设备 、 网络设备及存储设备等关键设备 。 为实现这些关键设备的安全稳定运行 ， 除了不 间断电力供给之外 ， 还需要辅助系统 （ 如空调系统 、 。 数据中心散热设备 照明系统及安全监控系统等 ） 多、 散热量大 、 设备 运 行 时 间 长 及 设 备 对 环 境 温 湿 度有较严格的要求 等 特 点 决 定 了 数 据 中 心 的 能 耗 量必然相当可观 。 美国劳伦 斯 伯 克 利 国 家 实 验 室 （ Ｌ Ｂ Ｎ Ｌ） ２ ０ ０ ３ 年的测试研 究 表 明 ， 一般的商业建筑能耗为５ ０～
高彩凤 ， 女， 博士 ， 工程师 １ ９ ８ ０年１ ０ 月生 ， １ ０ ０ ０ １ ３ 北京市朝阳 区 北 三 环 东 路 ３ ０号中国建筑科学研究 院建筑环境与节能研究院 １ １ １室 （ ）６ ０ １ ０ ４ ５ １ ７ １ ８ １ ： Ｅ－ｍ ａ ｏ ｃ ａ ｉ ｆ ｅ ｎ ｍ ａ ｉ ｌ ． ｃ ｏ ｍ ａ ｉ ｌ ＠ｇ ｇ ｇ 收稿日期 ： ２ ０ １ ２－１ ２－０ ３ 一次修回 ： ２ ０ １ ３－０ ３－０ ８ 二次修回 ： ２ ０ １ ３－０ ８－０ ５
专题研讨
暖通空调 Ｈ Ｖ＆Ａ Ｃ ２ ０ １ ３ 年第 ４ ３ 卷第 ９ 期
１ ０ １
典型数据机房热环境分析及 气流组织优化 ＊
中国建筑科学研究院 高彩凤 ☆ 于 震 吴剑林
摘要 介绍 了数 据 机房 的 热 环 境 评 价 指 标 。 以 某 典 型 数 据 机 房 为 研 究 对 象 ， 对其热环境 进行了现场实测和 Ｃ 发 现 存 在 冷量 浪 费 的 现 象 。 在 原 有 送 回 风 方 案 的 基 础 上 分 别 采 Ｆ Ｄ 模拟 ， 用在 冷 通 道 侧 机 架顶 部 加 装隔板 和 部分 封闭 冷 通 道 两 种 方 案 改 善 机房气 流 组织 。Ｃ Ｆ Ｄ 模拟 结 果显 示 ， 两 种 优 化 方 案对提 高 冷量利 用 效 率 均 有 效 ， 其中 冷 通 道 部分 封闭 的方 式 能 将 冷 气 流 更 大限 度地 局 限于 冷 通 道内 ， 能 更 有 效 地 提 高 机房空 调 冷量利 用 效 率 。 关键词 数 据 机房 热 环 境 气 流 组织 冷 通 道 冷量利 用 效 率
７］ ， 到机柜出风口处总的冷量损失的百分比 ［ 即 冷量
真正被有效利用的部分所占的比例 ， 因此该值越大 越好 ， 等于 １ 则是最理想的状态 。
ＳＨ Ｉ 和 ＲＨ Ｉ 可分别表示为 Ｑ Ｓ Ｈ Ｉ＝ δ ＝ Ｑ ＋δ Ｑ
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２［ ２］ ／ 。２ ３ ２ ３ ０Ｗ ｍ ０ １ ０ 年美国数据中心耗电量约为 · ， 亿 为 当 年 全 美 耗 电 量 的 １． ９ ５ １． ６ ｋＷ ｈ ７％ ～ ［］ ２． ２％ ３ 。 在中 国 ， ２ ０ １ １年数据中心总耗电量达 占全社会用电量的 １． ７ ０ ０ 亿 ｋＷ ·ｈ， ５％ 。 随 着云
计算的快速发展 ， 未来 ５ 年我国对数据中心流量处 理能力的需求将增长 ７～１ 机房面积需要再翻 ０倍， ４］ 。数据中心庞 一番才能满 足 云 计 算 发 展 的 需 求 ［ 大的能耗量不仅给企业造成了沉重的负担 ， 而且给
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Ｓ Ｈ Ｉ ＋Ｒ Ｈ Ｉ ＝１ （ ） ， （ ） 式 １ ２ 中 Ｑ 为冷气流从地板送风口到服务 δ 器机柜进风口处所吸收的热量 ； Ｑ 为冷气流在 机柜 ｉ 个机柜 的 气 流 质 量 流 量 ； ｃ ｐ 为空气的比定压热 ｒ ｒ （ 容； ， ， ｔ ｔ ｉ ｎ） ｉ ｏ ｕ ｔ） ｉ ｊ和 （ ｊ 分 别 为 第ｊ 排 第ｉ 个 机 柜 进 口
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２ ／ ， ／ 而数据中心的能耗为１ １ １ ０Ｗ ｍ ２ ０～９ ４ ０Ｗ ２［ １］ ｍ 。 随着网 络 信 息 和 计 算 机 技 术 的 飞 速 发 展 ，
近年来各国大型的 云 计 算 中 心 如 雨 后 春 笋 般 纷 纷 涌现 ， 数据中心的设 计 能 耗 密 度 已 经 达 到 １ ０ ８ ０～
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［ ５］
除了简单直接的温度值外 ， 国外学者在研究数 据机房热环境时 ， 提出一些由温度构建的评价指标 评价数据中心热环境的品质 ， 其中较为广泛使用的 回热指数 ＲＨ 有供热指数 ＳＨ Ｉ， Ｉ 及机架冷却指数
Ｒ Ｃ Ｉ。 ２． ２ 供热指数 ＳＨ Ｉ 和回热指数 ＲＨ Ｉ ＳＨ Ｉ 为冷气流从地板送 风 口 到 服 务 器 机 柜 进
图 １ 我国国标和美国 Ａ Ｓ Ｈ Ｒ Ａ Ｅ 推荐的数据中心温湿度范围
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