郑匡庆付连凯方旭寅印明佳程戈亮摘要 选取某冷通道封闭机房为实测对象，验证了 CFD模拟结果的准确性。利用CFD模
拟软件对冷通道封闭前后机房的气流组织进行了模拟，通过7种热环境评价指标定性及定量 分析了模拟结果。研究表明：冷通道未封闭的机房存在冷气流短路、热气流回流、冷通道纵向
空气温度分层等现象;冷通道封闭后，冷气流集中、冷热掺混现象改善，局部热点消除。地板出
风量表现相近，机柜冷却指数低值表现稍差，可通过提高空调回风温度以优化指标并达到节能
目的；机柜进风温度、冷通道纵向温度分布、地板送风流线、供热指数、机柜冷却指数高值这5 项指标在冷通道封闭后大为改善。关键词数据中心热环境评价指标冷通道封闭气流组织Air distribution of computer rooms with closed cold aisles in data centers based on thermal environment evaluation indexesBy Qin Bingyue* , Yong Xin , Yon Too, Yang Fan , Zheng Kuongqing,Fu Lionkoi, Fong Xuyin、 Yin Mingj io and Cheng GeliongAbstract Selects a typical computer room with closed cold aisles as an actual measurement object to
verify the accuracy of CFD simulation. Simulates the air distribution of the computer room with closed cold aisles and without closed cold aisles by CFD simulation software, respectively. Qualitatively and quantitatively analyses the simulation results w让h seven evaluation indexes. The results show that there exists the phenomenon of short circuit of cold air, return flow of hot air and air temperature longitudinal stratification of cold aisle side in the computer room without closed cold aisles. After enclosing cold aisles, concentration of cold air flow and mixing of cold and hot airflow are both improved, without the local hot spots. The performance of floor air output is similar, and the low temperature value of cabinet cooling index is slightly poor, which can be improved by increasing return air temperature of air conditioning to save energy. Supply air temperature of cabinet, air temperature longitudinal stratification of cold aisle side, supply air flow line of floor, heating index and high temperature value of cabinet cooling index are obviously improved by enclosing cold aisles.Keywords data center, thermal environment, evaluation index, closed cold aisle, air distribution★ Agricultural Bank of China, Shanghai, China0引言随着互联网、金融等大数据行业业务量的激
IT设备工作环境恶化，带来不必要的生产安全隐 患。☆秦冰月，女，1992年2月生，硕士研究生，工程师200120上海市浦东新区澳尼路88号中国农业银行股份有限
公司数据中心E-mail: qinbywork@ 163. com收稿日期:2019-06-26一次修回:2019-09-25二次修回:2020-07-08增，数据中心IT设备数量不断增加，机房设备趋 于高功率、高密度部署，既有机房存在冷量分配不
合理、局部过热点较难消除等问题,合理的机房热 环境难以保障.这不仅会导致机房投资和运行费用
的大幅提高，还会造成空调能源的巨大浪费，导致124暖通空调HV&AC 2020年第50卷第8期专题研究不合理的气流组织形式是造成上述问题的重 1研究方法要原因⑴。采用CFD数值模拟方法对机房气流
1.1软件模拟组织进行模拟分析，可以事先发现问题，减少局
6SigmaRoom仿真模拟软件是专用于数据中 部热点的发生，对数据中心的IT设备布局和机 心CFD仿真分析的软件,有以下特点：房运维有一定的指导意义。将数值模拟结果结
1） 丰富的模型库。合热环境评价指标进行计算分析，可以直观地对 2） 自动划分网格。机房热环境进行定性及定量分析评价。然而，目 3） 强大的后处理功能。前热环境评价指标众多図，分析角度亦不同，运
12定性及定量评价指标法维人员需要抓住几个核心指标，快速定位问题, 采用定性及定量热环境评价指标相结合的方 直观分析结果。本文结合实际，以冷通道封闭前
法，选取7个指标分析评价冷通道封闭前后机房的
后的机房为例，利用CFD模拟封闭前后机房的气 气流组织及热环境。具体指标为：1）设备最高进
流组织及热环境，并从7个评价指标出发，分析 风温度;2）冷通道纵向界面温度分布；3）地板出 模拟结果，剖析机房气流组织的问题，帮助数据 风量;4）髙架地板送风流线；5）机房供热指数
中心工作者理解冷通道封闭技术的优势，并学会
SH/；6）机房机柜冷却指数高值RCImi7）机房机 利用多种评价方法分析机房环境，对实际运维具
柜冷却指数低值RCI^O前4种指标较为常见，不
有参考作用。再赘述，后3种指标⑷的具体含义及说明见表1。表1机房热环境及气流组织评价指标说明供热指数SHI机柜冷却指数高值RCIm机柜冷却指数低值RCZu>定义式8Q
：1 严—“X 100%Q + 5Q('max,a
m*ax.r[1 -严\min.r -—_ *min,a― )n] X 100%含义反映冷气流在进入到IT设备之前的冷反映机柜进风温度高于推荐温度范围反映机柜进风温度低于推荐温度范围量损失程度上限的程度下限的程度数值说明越趋近于0 •表明机架平均进口温度越1为最理想,越偏离1,表明整体机柜进1为最理想•越偏离1，表明整体机柜进接近空调送风温度；数值越大•表明风状况偏离标准上限越远风状况偏离标准下限越远冷热气流掺混越多、冷量损失越大注为冷气流从地板送风口到服务器机柜进风口处所吸收的热量;Q为冷气流在机柜中用于冷却服务器所损失的冷量；s为机柜送风口
的温度与也\"分别为推荐温度范围的上、下限值.如“ =27 5亦” =18 -Ci（raax“与张“分别为允许温度范围的上、下限值, r™x.\" = 32匸，治”“ =15 为机柜送风口数量。2典型机房CFD模拟及实测验证送风地板开孔率、新风管道等部件对机房气流组
2. 1典型机房实测及建模织的影响，参照电缆、地板、新风管道实际布局及 选取某冷通道封闭机房为研究对象，对该机 尺寸、开孔率建模。模拟所需参数（空调回风温
房的热环境进行现场实测，实测结果为CFD模拟
度设定值、IT设备用电量等）根据实测结果输入
提供边界条件及用于验证CFD模拟结果的准确 模型,通过负荷计算确定围护结构、照明等边界 性。该机房分布有11排机柜，除个别交换机外，
条件,并输入模型进行气流组织及热环境模拟。 大部分机柜采用前进风、后出风的方式，2列机柜 采用K-e湍流模型，选用软件默认设置的残差来 构成一个通道单元，机柜间面对面一侧形成冷通
控制求解方程的收敛精度。道，背对背一侧形成热通道。该机房目前部分负
本次研究通过在机房中选取若干点进行温度 荷运行。采用高架地板送风方式，地板开孔率为
实测，并将实测结果与模拟结果进行对比分析，从
17%。共布置19台房间级精密空调，其中11台 而判定模拟结果的真实可靠性。采用温度自记仪
精密空调位于北侧精密空调房间，8台精密空调 （测量精度为±0.5 C）记录不同位置的气流温度。
位于机房内南侧.采用14台主用、5台备用的运
在机房冷通道设备进风侧布置12个测量点。为更 行模式，单台空调制冷量为89 kW,采用回风温 加准确地验证模拟结果的可靠性，分别在距离地板
度控制，设定回风温度为25 C,调节区间为士 1
0.5,1.0,1.5 m3个高度进行测量,机房设备布局 °C。根据机房实际尺寸，利用CFD软件建立机房 及测点位置如图1所示。全尺寸三维几何模型，同时考虑到地板下电缆、
2.2实测验证及误差分析2020(8)秦冰月，等:基于热环境评价指标的数据中心冷通道封闭机房气流组织研究125北何林帝空--------
TlILILILItK——
参现走《8立柱-南
II.II.II.H.HJ•wSMt gm 0MW注：1〜12为温度测点。图1机房设备布局及温度測点位置2 5 2O
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12趨度渕点缩号a距地»0.5 mg度处2 5P
、翌
2O
1
2 3 4 5 6 7S!
8 9 10 11 12温度测点号b距地板I.OmK度处25
2O
1 2 3 4 5 6 7Si
8 9 10 11 12温度测点号C距地板1.5m离度处图2送风温度模拟结果与实測结果的对比送风温度模拟结果与实测结果的对比如图2 所示。由图2可见，送风温度模拟结果与实测结果的 偏差为1 C左右，误差比例保持在6%以内。产生
误差的原因为：1）机房冷负荷与空调制冷量始终 维持动态平衡，实测结果反映的是机房瞬时状态, 而模拟结果则是稳态结果；2）不可克服的测量误
差，软件计算模型的局限性;3）未考虑设备后出风 侧电缆、地板漏风等因素对气流组织的影响。鉴于
模拟结果与实测结果的变化趋势始终保持一致，且
误差在实验测量允许范围内，可认为模拟结果与实 测结果基本一致，模拟采用的湍流模型及模拟相应
设置正确，此次模拟结果具有较高的可信度。因 此，对后续基于此模拟方法的研究及参数的设置都 具有指导意义。3机房冷通道封闭前后CFD对比模拟为对比冷通道封闭前后的效果,选取满负荷设 计工况下的机房建模分析。机房规划满负荷功率
为685 kW,结合机房设备规划布局,依据上述边界
条件模拟参数，建立满负荷运行时机房模型，研究 预测机房满负荷运行时开放通道与封闭冷通道的 气流组织及热环境情况。机房结构及设备布局物 理模型如图3所示。图3机房结构及设备布局物理模型为了对比开放通道机房与封闭冷通道机房的
气流组织及热环境,设计了 2种工况:工况A,开放
通道，作为参照工况，未采用任何节能措施;工况
B,封闭冷通道，机柜空槽位封闭，冷热气流隔离。 工况A,B的数据机房物理模型如图4所示。a I»Ab工况B图4 2种工况的数据机房物理模型4评价指标分析模拟结果机房内气流组织及热环境受到多种因素影响, 各种因素的影响程度有所差异。本文利用热环境 评价指标对模拟结果进行分析，选择7种评价指
标，见1. 2节。4.1设备最大进风温度对比图5显示了 2种工况下设备最大进风温度的
对比。GB 50174^2017«数据中心设计规范》规 定:冷通道或机柜进风区域的温度应为18〜27126暖通空调HV&AC 2020年第50卷第8期专题研究影阮
127 CVtW32- -L k x xa工泊■ t>32 r127 r 效率，从而提高制冷系统的整体能效。这不仅可以 消除设备进风温度过低的情况，还能实现节能效 果。过冷隐患可以通过提高相应空调回风设定温度有 所缓解,而机房过热隐患往往是机房工作者重点关 4.2冷通道纵向界面温度对比图7显示了 2种工况冷通道纵向截面温度的 对比。由图7a可以看岀，开放通道，冷通道内纵81度18 19 20 21 22 23 右5注的问题.通过跟踪过热机柜的回风流线,分析得 出造成局部过热的原因主要为：1） 机房中部分交换机安装方向与其他设备 反向，为后进风、前出风的方式，如图5a红框所 示。这些设备从热通道吸入温度较高的气流，通 a工况A b工况B过自身散热使气流温度进一步升高后排入冷通 道，这部分热气流被交换机附近的IT设备再次 吸收，因此，造成交换机及附近设备出现温度偏 髙的情况。图7 2种工况冷通道纵向截面温度对比向空气温度分布不均匀，岀现分层现象，即靠近 地板处的气流温度与空调送风温度相近，越往上 温度越髙，由此造成在同一机柜内，高处设备的 进风温度明显高于低处。在这种模式下，单台设 2） 机柜内无设备的空闲U位上未安装盲板， 导致机柜内部环境气流紊乱，IT设备排出的热气 流通过空闲U位回流到IT设备进风口，如图6a 所示。备的送风温度难以预测，可能出现同一机柜内部 分设备送风温度过低，而部分设备送风温度偏高 的情况。分析冷通道内纵向空气温度分布不均 3） 为实际布线方便，机房内同列机柜间的挡 板被拆除，使得热气流通过机柜间的空隙、设备与 导轨间的空隙回流到设备进口端，造成入口温度偏 高，如图6b所示。由图5b可以看出，与开放通道（即冷通道封闭 匀的主要原因为热气流回流，即被1T设备加热 后的热空气通过空闲U位、同列机柜之间的空 隙、设备与导轨间的空隙又返回到冷通道。当然 另一个原因是，热气流的密度低于冷气流密度， 空气上升被周边机柜加热，温度继续升高，但此 原因影响较小。由于开放式通道机房存在冷通 道内纵向空气分层及局部过热的现象，数据中心 前）相比，封闭冷通道后,机柜过热点全部消除，机 柜最高进风温度整体下降，但很多机柜进风温度较 低。此时，可以考虑提高空调的回风温度或关闭多 余的空调，较高的回风温度有助于提升盘管的换热 工作者即便采用不断调节送风（或回风）温度设 定值的方法,可能也无法保证每个冷通道各机柜 2020(8)秦冰月，等:基于热环境评价指标的数据中心冷通道封闭机房气流俎织研究127进风温度达到国标要求。由图7b可以看岀，封闭冷通道后，冷通道内 各点温度与空调送风温度基本相同，通道内未出 现温度分层现象。因此，采用这种模式可以准确 预测各设备的进风温度，方便空调送（回）风温度 的设定与调节。工况B中2个冷通道温差较明 显，这主要受设备负荷分布与空调控制模式的影 响。在相同回风温度控制时，IT负荷小而空调送 风量大的情况下送风温度会相对较高。由于封 闭冷通道，冷热气流掺混现象减少，工作区域（热 通道）的温度上升，若有长期在工作区域操作的 工作人员，其舒适度会下降，因此采用冷通道封 闭模式时，空调的回风温度不应设置过高以保证 人员舒适度。4.3地板出风量地板出风量受高架地板静压及地板下桥架的 影响，图8显示了 2种工况高架地板出风量的对风 ft/(mVh)X X.665X 北791 ■-917 .■ 10441 170Hllll.ll.ll.ill.ll ll ll.ll.l a工况AIA«/(m7h) ■MM X 北r 665 791■ 917 .■ 11 044170lllllill.lllll.llll ll.ll.lb工况B图82种工况高架地板出风■对比比，可以看出，无论冷通道是否封闭，髙架地板出 风量变化不大。以工况A（见图8a）为例分析，开 放式通道的地板出风量大部分都在1 000〜1 170 rrf/h范围，说明大部分地板出风量均匀；只有近 南侧空调的地板岀风量为665-707 m3/h,几乎 是其他地板出风量的一半。分析得岀：1）大部分 地板出风量均匀是因为采用南北空调对吹（此机 房进深较大，采用空调对吹保证气流组织均匀）， 会平衡风量差异；2）近空调端地板出风量较小， 而远端风量较大，是因为沿着送风方向气流动压 减小，静压增大，地板出风量随静压增大而增大。 近南侧空调地板出风量小的现象尤为明显，原 因：其一是南端出风地板离空调距离更近，静压 更小;其二是南侧空调开启数量比北侧少，风量 比北侧小。通过机房纵深界面送风速度矢量图 （见图9）,可直观分析静压对地板出风量的影响，离开空调的冷气流速度越来越小，动压逐渐转化 成静压，近空调侧静压小于远端，因而地板格栅 出风量小于远端，冷却效果不如远端（北侧空调 通过空调机房吊顶回风口进行回风，南侧空调通 过吊顶风管进行回风）。4.4高架地板送风流线通过对比高架地板送风流线（见图10）,能够 充分反映2种工况下机房的气流组织状况。由图 10可以看出：冷通道封闭前,部分冷气流从高架地 板流出，没有直接进入机柜，而是从机柜上方绕过 机柜与周围环境的热气流混合，说明机房内存在一 定程度的冷气流短路现象，冷气流未得到有效利 用;而冷通道封闭后,冷热气流隔离，不再掺混，冷 气流集中冷却IT设备。a工酒i-i ,期:liltb工况B riijhMD图10 2种工况高架地板送风流线对比图11显示了 2种工况下某一冷通道处高架地 板送风流线的对比。可以看出，2种工况的冷气流 在冷通道内都存在自循环现象（红圈标注），这说明 2种工况都有少许冷量浪费。4.5供热指数与机柜冷却指数在数值模拟分析结果的基础上.为进一步定量 分析机房热环境，基于1. 2节关于热环境评价指标 的总结分析，选择SHI,RCIii},RCA,评价整个机 房热环境。冷通道封闭后,SHI由0. 114减小至0.026,说128暖通空调HV&AC 2020年第50卷第8期专题研究b I31B图11 2种工况下某一冷通道处髙架地板送风流线对比明冷气流在未进入机柜前的冷量损失减小，冷气流 短路现象减少，空调冷量利用率提高；rciH］由 99. 5%升至100%, —直处于理想范围，说明封闭 冷通道后,机柜最高进风温度全部低于27 C,机柜 送风温度整体下降，意味着热空气回流问题减少, 冷热掺混问题减弱，减少了不必要的冷量浪费，这 对节能有益;但是RCIW由90. 1%下降至71.7%, 意味着多个机柜进风温度低于18 C,空调系统回 风温度可以适当提高，系统具有进一步节能潜力。 这3个热环境定量指标与前文分析结果一致，论证 了文中探讨的热环境评价指标法对气流组织评价 的有效性。在原有模型基础上，逐步增大空调回风温度设 定值，当空调回风温度设定值增大至27 C时，模拟 得到各机柜最高进风温度，如图12a所示，可以看 出，机房过热点全部消除，机柜最高进风温度全部 在国标18〜27 C范围内；而回风温度设定值提高 至28 C后，如图12b所示，可以看出，机房出现局 部过热隐患。这说明在保证机柜进风温度符合国 标条件下，该机房空调最大可行回风温度设定值为 27 C,采用冷通道封闭技术后.机房节能效果显 著。5结论1）满负荷运行且冷热通道未封闭的机房存在 一定程度的局部过冷点、过热点、冷通道内纵向空 气温度分布不均匀等问题，主要原因是冷气流短 路、冷热气流掺混和热气流回流（热空气通过空闲 越度tt>32 r27 *CVtW32 V18 *CVtW27 r15 ,C MMB HMi MlM ■27 *CVtW32 r18 X?VtW27 r15 CVtW18 rtwi5 rmiN O ii muH ill b回风温度设定为28 °C图12提高空调回风温度后各机柜最高进风温度模拟结果U位、同列机柜之间的空隙、设备与导轨间的空隙 回流）。2） 机柜空闲U位上加装盲板，可起到隔绝冷 热气流的作用，在中低密度机房能有效避免出现局 部热点。3） IT设备安装反向易引起机房局部过热，实 际安装IT设备时需注意其进风方向，确保气流从 冷通道流入设备并排入热通道。4） 采用冷通道封闭技术，可减少局部热点的 发生，防止冷热气流混合，从而使IT设备进风温 度均匀。通过消除冷气流短路及热气流回流问题, 提高空调系统制冷效率。5） 在封闭机房冷通道基础上,适当提高空调 回风温度设定值，可有效提升空调制冷效率，实现 机房节能。在保证机柜进风温度符合国标条件下， 本文机房空调最高回风温度设定值可提升至276） 无论机房冷通道是否封闭，地板出风量存 在近空调端大、远空调端小的现象，主要因为沿着 送风方向气流动压减小，静压增大,地板出风量随 静压增大而增大。7） 结合运维实际，可以通过结论2）〜5）的措 施改进机房气流组织，避免冷量浪费。8） 采用7个定性、定量热环境指标能够快速 有效评价机房整体气流组织及热环境，帮助数据中 心工作者快速锁定问题、分析评估原因，对比冷通（下转第39页）2020(8)李骥,等:中深层地埋管供热技术综述及工程实测分析39暖通专业尚需重点研究高温热源的效能提升，即重 点关注该技术的换热机理、关键参数、换热稳定性 [4] 1029343. html中国工程建设标准化协会.关于印发«2018年第二批 协会标准制订、修订计划》的通知[EB/OL], [2020 - 等问题。2) 目前国内外并无统一认可的中深层地埋管 传热模型,这与该技术还处于发展初期、项目数量 05 - 20]. http： //www. zbxsgaq. com/biaozhunguifan/ 222. html和数据有限、从业人员的认知有限有很大关系。这 与浅层地埋管技术的发展历程是类似的，早期关于 [5] 中华人民共和国住房和城乡建设部.住房和城乡建设 部关于印发2019年工程建设规范和标准编制及相关 浅层地埋管技术的数学模型也是百花齐放，差异较 工作计划的通知[EB/OL]. [2020 -05 - 20]. http： // www. mohurd. gov. cn/wjfb/201901/t20190128 _ 239336. html大，随着工程实践的积累和研究人员的持续投入， 最终形成业内认可的数学模型。[6] 任彦舟.严寒地区中深层土壤源热泵系统实验研究 3) 由于国内中深层地埋管供热项目体量尚处 于增长初期,供热实际运行数据积累存在不足。笔 者所在团队将继续对更多项目进行实测分析，并将 数据与各研究团队建立的理论模型相比对,提炼成 [7] [D],哈尔滨:哈尔滨工业大学,2019:35-37邓杰文，魏庆咸.张辉.中深层地热源热泵供暖系统能耗 和能效实测分析EJ1暖通空调,2017,47(8):150-154[8] LIU J, WANG F H, CAI W L, et aL Numerical investigation on the effects of geological parameters 果融入所编制的标准中，以期为推动行业发展作贡 献。and layered subsurface on the thermal performance of 4) 本文研究涉及的2个项目运行数据初步显 示出中深层地埋管供热技术具有良好的推广应用 前景。中深层地埋管地源热泵系统相比浅层地埋 管地源热泵系统具有换热器占地面积小、换热强度 medium-deep borehole heat exchangerEJ]. Renewable Energy. 2020, 149:384-399[9] [10] 王德敬，胡松涛.高志友，等.中深层套管式地埋管换 热器性能的参数分析[J].区域供热,2018(3):1-7孔彦龙.陈超凡,邵亥冰，等.深井换热技术原理及其 大、对全年冷热负荷平衡要求低等特点。但由于地 换热量评估[J].地球物理学报,2017, 60 (12)： 下传热机理的复杂性，很多根本性和机理性问题还 未解决，推广过程中应秉承循序渐进、因地制宜、适 度发展的原则.保证技术的可持续发展。4741-4752[11] SONGX Z. WANG G S, SHI Y,et al. Numerical analysis of heat extraction performance of a deep coaxial borehole heat exchanger geothermal system 参考文献：[1] 张家云.我国中深层地热能供暖现状及问题研究分析[J]. Energy, 2018,164： 1298-1310[12] HUANG Y B, ZHANG Y J, XIE Y Y, et al. EJ1 科技创新导报.2017,14(36):44-45[2] 国家能源局.关于印发《地热能开发利用“十三五”规 Thermal performance analysis on the composition attributes of deep coaxial borehole heat exchanger for 划》的通知[EB/OIJ. 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