数据中心机房空调系统地板送风气流组织优化

1引言

在数据中心众多用电成本支出中,空调的用电占有相当大的比例。根据调查了解,仅精密空调运行耗电就占机房电费总量的50%以上。因此,合理设计数据中心的空调系统,对降低数据中心机房的运行成本具有重要意义。

机房中,因设计不合理等因素制约,会造成机房气流组织不合理、不通畅,从而导致局部热点、机房能源利用率低等问题。因此,不仅需要合理设计机房的空调系统,更需要在空调系统运行阶段利用CFD软件模拟分析数据中心主机房气流组织情况,并提出气流组织优化设计方案,这对数据中心机房的节能减排有着巨大的作用。

2工程概况

本文设计对象———数据中心机房大楼位于江苏省南京市,为四层钢筋混凝土框架建筑,总面积2522m2,机房楼层高5.5m,净高3m。主要分为一层UPS区(约312m2),二层网络、介质区(797m2),三层主机房区(827m2),四层设备维运区(174m2)等主要区域。

3机房环境技术要求

根据枟电子信息系统机房设计规范枠,该程控机房为A级,其设计的参数要求如表1所示。为使机房达到上述温度、湿度、洁净度等要求,需用机房专用精密空调以满足要求。

4空调系统设计

4.1负荷计算

数据中心负荷一般包括墙体、窗、人等冷负荷及服务器产生的显热冷负荷。其负荷特点是:发热量大且相对稳定,需要全年制冷。

空调负荷计算结果如表2所示。

数据中心机房空调系统地板送风气流组织优化

4.2空调方式设计

目前数据中心机房空调系统主要有3种空调方式:

(1)风冷直接蒸发式精密空调机组;

(2)水冷直接蒸发式精密空调机组;

(3)冷冻水型精密空调机组。

结合现场环境条件,以及在建筑格局、可靠性、安全性、初投资方面的比较,本工程选择水冷直接蒸发式精密空调机组的空调方式,主要采用冷媒直接蒸发式蒸发器,冷凝器采用循环水直接冷却方式,系统制冷介质为冷媒(R22)。系统原理如图1所示。由图1可知,系统主要由室内空调机组,冷却水系统(含冷却塔、水泵、管路)构成。冷却塔一用一备,水泵设计为2用1备,冷却水管采用机械循环同程式布置。冷却塔放置楼顶,循环水泵房设置在冷水机房。

数据中心机房空调系统地板送风气流组织优化

4.3气流组织方式设计

由于机房机柜以面对面、背对背方式布置,在机房内形成冷热通道分离。因此,主机房区采用下送上回的气流组织方式,热空气从机房空调机顶部进入,经冷却后送入地板下的送风静压箱,由穿孔地板进入机房,使末端送回风温差增大,减少循环风量,送风口与回风口分别采用孔板风口600mm×600mm、格栅风口600mm×600mm。

4.4新风系统设计

根据《电子信息系统机房设计规范》要求:(1)主机房与其它房间、走廊的压差不宜小于5pa,与室外静压差不宜小于10pa。(2)空调系统的新风量应取下列两项中的最大值:按工作人员计算,每人40m3/h;维持室内正压所需风量。

数据中心机房新风量计算公式为:

L=SHN(1)

式中L———新风量,m3/h

S———房间面积,m2

H———机房有效高度,m

N———换气次数,取N=1.5次/h

以主机房为例,主机房面积为400m2,层净高5.5m,则主机房所需新风量应不小于3300m3/h,根据该参数选择新风机。新风经过三级过滤,过滤效率达到95%以上,能够保证每升空气中大于或等于0.5μm的尘粒数少于18000粒,处理新风温度至23℃后送至室内。

新风机进风口由风管接至室外吊顶安装,送风风管在机房内安装,风管上接散流器,将新风均匀地送至机房内。另室内设置余压阀,当室内正压超过10pa,能够自动启动泄压。

4.5消防排烟系统设计

主机房区和UPS区采用七氟丙烷(FM200)气体灭火系统,当发生火灾经气体灭火后,为有效排出灭火后的废气,需设气体灭火后的排气系统。

根据消防排烟系统特点以及《气体灭火系统设计规范》的规定:“灭火后,防护区应及时进行通风换气,换气次数可根据防护区的性质考虑:通信机房、计算机机房可按每小时5次进行”,本工程采用5次/h的换气次数作为主机房及UPS室的排烟风量。

排风量计算公式为:

Q=NV(2)

式中Q———排风量,m3/h

N———换气次数,取5次/h

V———房间体积,m3

以主机房为例,计算出主机房所需排风量为11000m3/h,以此参数来选择消防排烟风机。由于七氟丙烷的密度比空气大,当灭火后气体聚集在房间的下部,因此需在架空地板上和下分别设置排烟风口。

4.6高密度制冷方案设计

一方面,在机房不同区域内,由于刀片式服务器的分布不均等原因,导致机房各个部位发热量不同,加上一些机房因下送上回的送风方式,使得地板下线路拥堵,阻碍气流流通;另一方面,在业务增长而增加网络设备过程中,不同机柜内以及区域的功率密度也会变得不再均衡,导致不同节点设备辐射的热量不同。这些问题都会使机房出现局部设备附近过热现象,即产生局部热点,严重增加机房能耗,影响机房效率。

为降低能耗,本工程使用冷水背板技术,一种近距离制冷技术来改善局部空间发热密度过高的问题。该背板安装在机柜门后,不占用机房空间,使用过程中没有功率损耗,也不产生噪声,能够满足密度大的机房冷却需要。该技术原理如图2所示。

数据中心机房空调系统地板送风气流组织优化

5气流组织模拟分析及优化

目前数据中心空调节能技术归结起来,可分为自然冷源利用、气流组织优化、提高空调设备本5气流组织模拟分析及优化目前数据中心空调节能技术归结起来,可分为自然冷源利用、气流组织优化、提高空调设备本身效率3种方式。本文仅以数据中心主机房为例,从气流组织优化角度进行气流分析与优化。

5.1数据中心主机房模型

为研究对象建立3D模型如图3所示。

数据中心机房空调系统地板送风气流组织优化

(1)房间面积为400m2,高为5.5m。机房采用防静电高架地板,铺设高为750mm。

(2)根据测量资料,主机房内人员及照明等冷负荷为32W,服务器显热冷负荷为444W,采用精密空调机7台,5用2备。

5.2气流组织模拟分析

数据中心主机房应运行在一个稳定、合理、温湿度分布均匀的环境中,主机房采用下送上回的气流组织方式。下送风的气流方式,虽然有简单、制冷效果好等优点。但其应用中极易出现地板下走线拥堵等问题,导致气流组织不合理,增长空调能耗。为避免以上问题,本文使用IBM机房专用气流模拟分析软件对主机房气流组织、温度场进行模拟,分析机房布局与气流组织的合理性。因本工程主机房门窗较为密封,且开启时间相当少;室外空气难以渗透进室内,加上主机房无人值守,故假设此主机房空调系统运行在理想状态下,室外温度仅通过主机房外墙导热到机房内,并且假设没有室外湿度进入。

经过模拟后,主机房气流组织模拟与温度分布如图4~7所示。

数据中心机房空调系统地板送风气流组织优化数据中心机房空调系统地板送风气流组织优化

根据气流模拟图与温度分布图,需观察分析如下数据:

(1)模拟气流组织,监视冷热气流的交汇,以观察造成的能量损失情况;

(2)验证空调总制冷量计算及设计是否正确;

(3)验证空调送风量计算及设计是否满足要求;

(4)验证静电地板下的温度、压力情况是否符合设计要求;

(5)验证地板下气流组织是否符合设计要求;

(6)验证离地1.6m情况下,是否存在“热点”问题;

通过模拟图,可以看出程控机房的空调整体设计满足基本的要求,气流组织良好,满足设计需求,但在热气流模拟图与温度分布图中发现,主机房气流出现几处混乱,存在多处热气流和冷气流混合的情况,并伴随着局部热点,主要集中在靠近空调的区域。分析原因是总的制冷量足够,但是风量不够(越靠近精密空调的区域,风量越小)。

5.3气流组织优化设计

(1)冷池技术解决气流混乱问题冷池技术是在机柜内构建机柜设备制冷用的冷通道,从而将冷空气限制在机柜中,避免了冷热空气混合,并限制冷气设备散热作用,从而改善冷空气利用率、减少气流紊乱问题。

本机房采用“冷池”技术隔绝精密空调送风,使其不参与与环境空气以及服务器排风的混合过程,这样空调系统就能提供更多有效送风风量,解决气流紊乱问题的同时可降低精密空调制冷能耗。

优化设计后,用IBM专用CFD软件进行模拟,分析优化后其气流组织情况如图8所示,发现气流组织良好,气流混乱问题解决的效果良好,验证了方案的有效性。

数据中心机房空调系统地板送风气流组织优化

(2)变风量辅助制冷单元解决局部热点问题变风量辅助制冷单元温感探头安装在受控服务器机柜区域,感测设备的出风温度,调节送风机转速改变风量。由于风量调节的过程中对地板送风静压箱内的静压产生影响,故用静压传感器采集静压变化,实现空调送风机的变频调节,以达到节能优化的目的。

优化后进行模拟实验,观察温度与气流分布如图9所示,发现机房的温度分布得到了明显的改善,气流也趋于稳定。

数据中心机房空调系统地板送风气流组织优化

6结语

本数据中心工程已经竣工并投入使用,目前运行情况良好,机房内温湿度稳定,工程中气流优化设计能很好解决局部热点等问题,使气流组织分布均匀,既满足了空调设计规范要求,又能满足数据中心长远发展的需要。本工程参考国内外的机房建设经验,汲取现代数据中心机房工程前沿技术,设计了本数据中心的的空调节系统,该空调系统满足机房高密度设备的制冷要求。

根据机房绿色节能要求,从气流组织优化的角度,结合IBM专用CFD软件模拟,分析了主机房的气流组织及温度场,发现主机房存在的局部热点等问题,并对存在的问题提出节能优化方案。模拟仿真结果表明优化设计节能方案,能有效解决机房中存在的局部过热等现象,对同类机房的节能设计与优化具有一定的参考意义。

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