数据中心机房上送风空调气流组织及运行模式分析

数据中心机房专用上送风空调机是单元式空调器，采用方形送风口上部送风、下部回风；在机房内工作的计算机等电子发热单元机柜内部具有小型风扇，一侧进风，气流与发热电子器件换热后，带走热量、温度升高，从另一侧排出，如图1所示。

图1机房专用上送风空调机及电子发热单元机柜示意图

经 查各厂家样本数据，采用大风量、小焓差的机房专用空调机，送风风速一般均在3m/s以上，送、回风风速相等；机柜内风扇的风速也都在2m/s左右，所以当 多台空调机和电子发热单元机柜同时置于一个封闭机房内时，整个空间将呈现出极其混乱、复杂的湍流状态，如图2所示（以空调机回风口高度云图为例）。

图2空调回风口高度气流矢量及温度云图

该 模型基本符合雷诺平均法（RANS）中涡黏模型的基本条件，该模型不使用微分方程，而用代数关系式，把湍动黏度与时均值联系起来，利用零方程模型来处理雷 诺应力项。用湍流的时均连续方程和Reynods方程组成方程组，把方程组中的Reynods应力用平均速度场的局部速度梯度来表示。

工程实例

选 取位于长沙市某通信综合楼的1个全封闭数据中心机房，房间内尺寸为8.5m×11m，层高4.2m。机房内共安装机柜43个，机柜内摆放电子发热单元，每 个单元发热量基本一致，都在1.2kW左右；经计算，机房需要冷量61kW，设计采用完全相同的3台上送风机房专用空调机，名义制冷量为31kW；机房平 面及机柜、空调机安放位置见图3。

图3机房平面布置图及轴测图

基于电信行业的规范要求，运行时采用两用一备方式，以保证空调系统整体可靠性，该机房的空调运行状况存在3种可选的模式，如表1所示，在3种空调运行模式中，机房空调的总制冷量不变，且每台空调机的运行参数完全一致。

表1数据中心机房空调运行模式

中外研究者普遍采用CFD模拟技术和仪器实测方法对数据中心机房的气流组织进行模拟和实验，取得了良好的效果。文献[15]对此工程案例，采用数值计算的方法研究了该机房内的温度场和气流场分布特征，并对实测与模拟数据进行了对比分析，验证了涡黏模型适用于此案例的研究。

数据中心机房空调不同运行模式的计算分析

鉴 于每台电子发热设备重要性相同，厂家设计其工作环境温度均相同，所以机房室内环境、特别是电子发热设备风扇吸风口温度均匀为最佳，发热电子设备风扇出风口 温度代表了该设备运行温度情况，各个设备的出风温差越小，说明其工作越稳定；每台机房专用空调机地位也相同，所以其运行的稳定性、同步性也成为衡量标准之 一。

数据设备风扇出风温度对比

根据数值计算结果，图4，5分别给出了43台发热电子 设备上、下部风扇出风温度在3种模式下的对比。可以看出，在同一模式下，不同发热电子设备风扇的出风温度不尽相同，最大温差约为6℃。说明在室内外参数相 同的条件下，机房内的温度分布并不均匀，每个数据设备的工作温度是不同的。而对于同一数据设备来说，在不同的模式下，其风扇的出风温度也不相同，个别数据 设备风扇出风温差可达4.87℃。说明仅通过改变空调机的运行模式，就可以使机房内部各数据设备的工作温度发生改变，局部设备的温度变化还很大。

​图4 3种模式下数据设备上部风扇出风温度对比

​图5 3种模式下数据设备下部风扇出风温度对比

从图6，7可以看出，模式1下各台数据设备工作温度最不均匀，模式3次之，模式2最均匀，这意味着，在模式2下整个机房内的温度场最为均匀。

图7数据设备下部风扇出风温度波动曲线

空调机回风温度对比

取3种模式下各空调机回风口的平均温度，并进行处理，结果见表2。通过分析，在不同空调运行模式下，同时开启工作的2台空调机的回风温度并不相同，温差最大达2.8℃以上；意即在回风量相等的前提下，每台空调机的实际运行负荷是不同的。

​表2空调机回风口平均温度及温差

模式2开启工作的2台空调机回风口温度最接近，说明这2台空调机运行同步且稳定，其压缩机运行时间、强度接近，更利于延长空调机寿命，所以模式2最佳。

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