浅议电信IDC机房的气流组织

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　　摘要：本文先阐述了机房环境系统建设的基本原则及一体化解决方案，然后论述机房气流组织形式，并重点阐述了上送风方式和控制精确送风的CFD数值模拟，为实现通信机房有效的热管理和节能改造提供了依据。
　　关键词：机房环境；气流组织；CFD数值模拟；
　　0前言
　　通信机房作为数据处理和电子通讯设备的存放基地，热负荷大，对环境条件要求高。机房空调系统主要是为电子信息设备散热服务的，它的冷却方式、气流组织形式也是随着电子信息设备的发展而不断演变的。通常风冷的气流组织形式有“下送上回”、“下送侧回”、上送上回”和“上送侧回”几种。
　　近年来随着电子设备的体积小型化、功能多样化以及运行速度的不断提高，单位面散热量大幅增长，对机房的环境条件要求越来越高；另一方面，作为通信机房热管理主要设备的空调系统每年消耗大量的电能。CFD被广泛用来分析和优化通信机房和数据处理设备内部的气流组织和温度分布、确定地板高度及开孔面积、对比不同的机架布局方式对机房环境的影响等，同时还提出了无量纲参数、能量等评估方法来评估机房的运行工况和能量利用效率。CFD模拟了通信机房内的气流组织，分析了速度场和温度的分布，为通信机房的节能改造提供指导。
　　1机房环境系统建设的基本原则及一体化解决方案
　　1.1系统设计原则
　　1.1.1通用性
　　系统的设计要符合相关国家设计标准。
　　1.1.2稳定性
　　机房所有产品都经过全球主要电信商、数据网长期的运行考验，在业界具有领先的技术、领先的制造和领先的品牌。
　　1.1.3可维护性
　　主设备采用模块化结构设计，便于故障的维护处理。
　　1.1.4智能化设计
　　空调均采用智能化设计，便于远程监控。
　　1.1.5经济性
　　系统整体设计，可合理设计设备容量，减少设备成本。
　　1.2机房环境建设一体化解决方案
　　以某电信分公司IDC中心机房为例，其建筑面积705.6平方米，层高4.3米，按照功能的要求分为A区、B区、C区及D区，第一消防分区为A区，第二消防分区为B区、C区及D区。如下图：
　　
　　考虑建筑热负荷及设备（计算机等）热负荷,A区所需冷量不小于210Kw,B区、C区及D区所需冷量不小于190Kw。在这个方案中，如果考虑应用舒适空调，以5P为例，即使不考虑备份，也需要32套，应用中无法达到IDC机房需要的温湿度、洁净度标准。同样中央空调也无法实现这个IDC机房的空气调节要求。合理的机房专用空调应用及设计方案，才能满足机房环境建设的合理性、安全性、可扩容性。此IDC机房空调方案分析如下：
　　1.2.1A区机房采用4台机房专用空调产品（其中1台备用），单台机组可制冷量为.77.3Kw，可提供总冷量为309.2Kw；B区、C区及D区机房采用4台机组（其中1台备用），单台机组可制冷量为66.6Kw，可提供总冷量为266.4Kw，以上推荐配置机组均能完全满足机房冷负荷的要求，并均实现3+1备份，任意机组故障或维护，其它机组正常工作，保障系统安全性。
　　1.2.2空调机组采用上送风形式，单机送风风量为15680m3/h，主用机组工作实现IDC机房换气次数30.96次，符合IDC机房设备换热特点以及风量设计要求。
　　1.2.3室外冷凝器按当地照室外环境温度配置；
　　1.2.4空调机组通过智能通讯接口，直接接入环境监控系统实现远程及本地监控。
　　1.2.5空调机组自带漏水报警器，对机组附近可能发生的漏水情况进行实时监测及报警。
　　1.2.6空调机组严格按照标准机房空调环境条件要求进行设计，满足恒温恒湿、噪音、洁净、供电、抗电磁干扰及A级安全等级的要求。
　　2机房内气流组织形式
　　2.1制冷方式的演变
　　设备的冷却方式最早是采用自然通风的方法，以后随着设备功率密度的增加，设备发热量越来越大。为了使设备能正常工作，就在设备上增加了风扇，对整个设备进行强制风冷。当设备热密度再增加时，这种泛泛的强制风冷已经不能保证设备，特别是重要元器件的正常工作，因此就在强制风冷的基础上又增加了对重要元器件的单独冷却。这些冷却方法的基础都是建立在常温的空气已经足够带走设备产生的热。一旦常温空气不能完全把设备产生的热带走，则设备将越来越热，最终导致元器件失效，设备不能工作。
　　而降低空气的温度，不但冷却设备的效果好，工艺也不复杂，而且容易实现，所以目前多采用这种方法。
　　2.2送风方式的演变
　　降低机房空气的温度是目前在机房制冷中采用最多的一种方法。在所有机房其他条件相同的情况下，对设备的冷却效果与机房采用的气流组织形式即对机柜的送风方式有很大的关系。
　　通常机房内气流的组织形式有“下送上回”、“下送侧回”、“侧送侧回”、“上送上回”和“上送侧回”几种。
　　最先机房送风都是采用“侧送侧回”方式，这也是目前小机房仍然采用的一种简单的送风方式。它的原理就是采用空调机使机房内的空气温度降低，设备的冷却由设备商自己解决。该送风方式的优点是简单、便宜，但机房内温度冷热不均。比较适用于规模小、设备少、设备发热量不大、不是很重要的机房。
　　当机房规模大、设备多时，“侧送侧回”方式造成的机房内温度冷热不均问题会十分严重，四处摆放空调也不现实，就产生了“上送”或者“下送”的送风方式。起初的“上送”、“下送”方式都是采用风道将空调机吹出的冷风直接送到需要冷却的设备或机柜处。这样一台大功率空调可以给许多设备冷却，既解决了空气温度冷热不均的问题，也不用在机房内摆放多台空调。
　　但管道送风有其局限性：风速太小，送风距离不远；风速太大，风机功率加大，噪音增加。所以风速一般只能限定在某一个范围内。要想将冷空气送的更远，就必须增加管道的口径。而在机房这样空间十分紧张的地方，管道口径的增加是十分有限的。管道送风的优点是能够保证重要设备得到重点照顾。优秀的管道设计方案，可以基本上解决在一定范围内的机房温度冷热不均的问题。管道送风可以把管道设计在吊顶上，也可以在活动地板下。把管道设计在吊顶上的送风方式就是通常所说的“上风”。[!--empirenews.page--]
　　进入21世纪的最初几年，随着电信大型IDC机房的建设，使“上送上回”成为一种时尚。它的产生主要原因有如下几个：
　　2.2.1电信IDC机房内的设备发热量相对现有的计算机来说比较小，采用“上送风”方式可以满足设备的工作需要。
　　2.2.2电信IDC机房布线操作比较频繁，采用上走线利于维护和使用。采用活动地板的主要目的就是为了容易走线，采用上走线方式，活动地板就显得有些多余了。
　　2.2.3电信IDC机房一般面积很大，撤除吊顶和地板，可以大大降低造价。没有了地板，“下送风”方式就不存在了。
　　2.3当选择上送风时，机房必须符合下列基本要求：
　　2.3.1当数据机房面积过大时，宜将机房间隔成几个空气调节区，减少气流组织上的难度；也可以选择在几个不同区域建空调主机房，以缩短风管送风距离。
　　2.3.2机柜排列宜采用面对面、背靠背排列方式。
　　2.3.4为保证大型机房长距离风管末端的气压符合要求，有条件时还可以在机房上方做静压箱。送风口应密集布置，避免采用长条型风口代替数个分立送风口方式，保证过道上的冷热气流分布均匀。每个送风口应能输出满足对应机柜设备制冷所需最大风量要求，且有能完全调节风量大小的装置；送风口还应有能灵活改变气流下射角度的导风装置。
　　3CFD数值模拟
　　精确送风是目前较为推广的一种方式，如何实现精确送风，如何控制精确送风量，要对机房气流进行CFD（计算机模拟气流组织）。
　　3.1模拟对象及其简化
　　以某电信分公司IDC机房作为研究对象，此机房处于五楼，长23.48m，宽14m，高3m，除了机房的东墙是外墙其它都与具有相同环境条件的机房用隔离墙隔开，没有冷量的流通，东墙内表面进行了特殊的隔热处理。机房内一共有8排机架，每排机架数量8到16不等，机架的几何尺寸为：长×宽×高=1m×0.6m×2m。机房采用非典型的上送侧回送风方式，送风口高度为3m，一共有9排，每排5个，分布于两排机架中间上部的天花板，几何尺寸为：长×宽：0.25m×0.5m，回风口有两个，设在机房的西侧靠南墙面，几何尺寸分别为：长×宽：2m×1.8m和1.6mX1.8m，空调系统全天候运行。
　　因为涉及到典型的流速和特征尺寸，流动为湍流，所以采用k一￡双方程模型对通信机房进行模拟。模拟过程作如下假设：(1)室内气体低速流动，可视为不可压缩流体，忽略由流体粘性力做功所引起的耗散热；(2)流动为稳态紊流；(3)满足Boussi-nesq假设，认为流体密度的变化仅对浮升力产生影响。
　　3.2网格划分及边界条件处理
　　首先采用Fluent公司的Gambit软件建立几何模型，整个计算空间873m3，考虑到通信机房的复杂性，本文采用混合网格对计算区域进行离散，对送风口、回风口以及机架周围进行网格加密，所得网计算节点313929个，离散单元1691792个。
　　重点分析在实测条件下此通信机房的气流组织分布情况，送风口设置为速度边界条件，送风温度12.1℃，风速根据实测值设置，大小0～8.5m不等，各风口风风速详见表1，回风口为压力出口，在机房环境条件下回风。通信机架设为热通量边界(HeatFlux)，数值上取其总发热量与散热表面积之比。此通讯机房处于五楼，周围为相同温度条件的通讯机房，机房的围墙、地板设为恒温边界。
　　
　　表1实测各送风口速度（单位：m/s）

　　3.3数值模拟结果及分析
　　3.3.1速度场分析
　　上图分别为通信机房不同高度平面的速度矢量图。通信机房的进深较大，回风口设在房间的一角，从图中可以看出，上送侧回的送风方式造成房间气流组织的不均匀，室内个部分风速差异明显，大小0.0037～7.86m不等，这跟实际情况相符合。远离回风口一侧的闲置空间上方没有送风口，空气扰动微弱形成了滞留区。F排左侧没有放置机架，回风口低压使来自前面机架的回风在这一区域加速，形成的风阻使F排和G排右侧机架间空气滞留，回风困难。
　　从图Z=0.3可以看出，大风量送风口形成的高速射流未来得及衰减可以直接到达地面形成反冲，同时卷吸周围空气，在地面附近和风口周围形成涡流，加速了空气流动。小风量送风口风速偏低，并且易受周围空气特别是相邻风口的风速影响，在达到地面之前已经衰减完毕，因此小风量送风口下方空气扰动较小。对比三张图可以发现，空气扰动随着高度的增加而减小，这是因为射流宽度同到射流源的距离成正比，在2m处射流还没有扩张开来，在1m处射流进一步扩张并卷吸周围空气扰动加强，在接近地面处反冲使空气沿着地面流动，扰动强化。
　　3.3.2温度场分析
　　在远离送风口的一侧(东北角)出现了局部过热，达到28℃左右；接近回风口的两排机架周围也有不同程度的温度相对过高。这跟上面速度场的分布相符。机架的散热能力跟周围空气的运动密切相关，空气的高速流动加强了与机架的对流换热，使机架的热量能随着周围空气的循环及时的排出，相反，空气滞留区的对流换热强度小，同时由于滞留热量很难通过空气循环带出，使这一区域的空气温度升高，减小了换热驱动力。
　　对比同一排送风口下不同高度处机架的温度，大约有0～2.5℃的温度梯度，这在通信机房中是符合要求的。高速送风口下在Z=2高度处机架温度略高，而低速送风口下Z=0.3高度处机架温度略高，Z=1高度处机架温度介于两者之间。风速过高，在达到机架顶部之前还没有扩展开，机架表面处于卷吸形成的涡流边缘，这一部分的对流换热程度较弱；在Z=1高度涡流扩散开来加强了换热，未衰减完全直接到达地面形成反冲形成的绕动加强了底部机架的换热；小风量送风口的风速在通信机架顶部扩散开来，到达中部完成衰减，通信机架的中上部换热效果良好。由此可得，不同风量的送风口交错排列相对于同风量送风口相邻排列换热效果较好，有利于提高冷空气的利用率节省能量。
　　4结束语
　　总之，气流组织是机房基础建设的重要因素，它会直接影响到设备的安全稳的持续运行。在研究通信机房的热管理过程中，结合CFD数值模拟可以得到合理的机架摆放位置以及气流组织方式，以便在保证通信机房的微观环境条件的前提下，提高冷空气的利用率，降低空调能耗。[!--empirenews.page--]
　　
　　参考文献：
　　[1]王金．3G网络拒绝重复建设[N]．通信产业报，2006-4-20．