一、引言

1946年數(shù)據(jù)中心誕生于美國，至今已經(jīng)歷4個階段近70年的發(fā)展歷程，數(shù)據(jù)中心從最初僅用于存儲的巨型機，逐漸轉(zhuǎn)向多功能、模塊化、產(chǎn)品化、綠色化和智能化。在越來越注重節(jié)能和精細(xì)化的今天，數(shù)據(jù)中心的每一個細(xì)節(jié)設(shè)計都閃耀著工程師智慧的光芒。他們對于數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃設(shè)計，不再滿足于僅停留在功能這一基本的要求上，現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心你會看到更多關(guān)于節(jié)能環(huán)保及工程之美、綠色之美等設(shè)計理念。

評價數(shù)據(jù)中心的優(yōu)劣，與其提供的服務(wù)質(zhì)量，成本控制及綠色程度密切相關(guān)。能夠提供穩(wěn)定及具備高可用性的服務(wù)是對云服務(wù)商和數(shù)據(jù)中心的基本要求。在此基礎(chǔ)上具備良好的成本控制能力是數(shù)據(jù)中心綜合能力的體現(xiàn)。此外，《穹頂之下》已為我們揭開的環(huán)境污染遮羞布，不容許作為占全球用電量1.5%的數(shù)據(jù)中心行業(yè)保持沉默。綠色程度，是數(shù)據(jù)中心勇于承擔(dān)社會責(zé)任的詮釋。

數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運行的前提是必須保證各個設(shè)備部件的正常工作，目前保證各個設(shè)備部件正常工作的做法是由運維人員定期進行設(shè)備巡檢，依靠運維人員的個人經(jīng)驗以及給設(shè)備設(shè)定的告警閥值進行判斷。由于沒有準(zhǔn)確的判斷標(biāo)準(zhǔn)，或因告警閥值設(shè)置不合理而出現(xiàn)資源浪費甚至因延遲事故告警時間影響數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運行是目前讓運維人員非常頭痛的問題。基于此，本文引入計算流體力學(xué)仿真軟件，將機房物理建模（CFD仿真），根據(jù)機房實際負(fù)荷計算并展示出機房目前的氣流組織及機房空調(diào)冷量使用情況。發(fā)現(xiàn)機房過熱或者過冷區(qū)域，通過模擬調(diào)節(jié)，尋找最佳氣流組織設(shè)置方案，消除局部過熱及過冷現(xiàn)象，以期達(dá)到消除安全隱患，發(fā)掘節(jié)能潛力的目的。

1、CFD實例說明

下面結(jié)合具體事例闡述氣流組織合理設(shè)計配置的重要意義。

某機房，自2012年7月投入使用以來已運行了2個年頭。為評估目前機房內(nèi)散熱性能是否與初始設(shè)計一致，需要對機房內(nèi)的熱物理參數(shù)進行分析。但是，氣流具有不可視且流動性強的特點，若直接采集數(shù)據(jù)工作量極大，且分析工作難度很大。本文采用CFD仿真模擬，計算出機房內(nèi)的溫度場、壓力場和速度場等數(shù)據(jù)，直觀地展示關(guān)鍵熱物理參數(shù)，大大降低分析氣流與傳熱過程的難度，給氣流組織優(yōu)化設(shè)計配置工作帶來極大便利。

1.1.機房基本信息及建模

某運營商合建機房位于中國南方熱帶地區(qū)（該地區(qū)普通數(shù)據(jù)中心PUE約1.7~2.0），由物流倉儲改造而成，面積約數(shù)百平方米。部署了10列機柜數(shù)千臺服務(wù)器。每個機柜設(shè)計電流20A。機柜采用冷暖通道布置，且冷通道封閉。制冷采用11臺某品牌某型號空調(diào)，按照7用4備的運行方式為機房提供冷量。根據(jù)機房的建筑結(jié)構(gòu)、IT設(shè)備、制冷設(shè)備、配電設(shè)備等實際布局建立物理模型如圖1所示。

圖1 某機房布局仿真模型圖

1.2.機房初始狀態(tài)現(xiàn)象描述

以現(xiàn)場實際采集電、冷、風(fēng)的相關(guān)數(shù)據(jù)作為輸入條件，模擬出機房目前的運行狀態(tài)。圖2、3是通過計算得到的機房靜壓箱內(nèi)壓力溫度分布和機房空間內(nèi)壓力溫度分布情況。

從靜壓箱的壓力分布情況（圖2a）來看，靜壓箱下壓力分布并不均勻。在房間中部出現(xiàn)了綠色區(qū)域，表明了機房中部存在低氣壓甚至負(fù)壓現(xiàn)象，負(fù)壓會使得氣流倒流，影響冷熱空氣的正常循環(huán)，應(yīng)盡量避免。

圖2靜壓箱中熱參數(shù)圖

從（圖2b）靜壓箱的溫度分布情況可以看出，機房地板下的冷空氣中出現(xiàn)了2個局部溫度偏高的區(qū)域（綠色）。如果不及時處理，這部分“問題”的冷空氣可能會進入機柜。由于這部分冷空氣溫度與設(shè)計值不一致，將無法按設(shè)計要求帶走相應(yīng)的熱量，從而影響后續(xù)一系列換熱過程。此外，該高溫區(qū)域的氣流還會對靜壓箱中其他部位的冷空氣造成“污染”，消耗一部分由其他空調(diào)產(chǎn)生的冷量。

圖3 機房中的熱參數(shù)圖

圖3展示的是機房空間中的壓力和溫度分布情況，從圖中可以看出，機房區(qū)域溫度場分布不均勻，底部第一個冷通道內(nèi)左右兩側(cè)存在溫差。機房整體呈現(xiàn)中部較冷，上下部偏熱的情況。

1.3.原因分析

根據(jù)靜壓箱中溫度不均勻現(xiàn)象，結(jié)合調(diào)取空調(diào)運行參數(shù)（圖4）綜合分析發(fā)現(xiàn)，空調(diào)送風(fēng)溫度不均勻、水閥開度差別很大，風(fēng)機基本都維持在高速運轉(zhuǎn)的區(qū)域，能耗較大。

圖4 空調(diào)運行參數(shù)

如圖4顯示173號、180號兩臺空調(diào)水閥開度零，表明他們并未開啟。也就是說，這兩臺空調(diào)沒有起到制冷作用，僅僅是作為風(fēng)扇，將熱通道的回風(fēng)未加任何冷處理直接送入地板下，這才出現(xiàn)了173號、180號兩臺空調(diào)送風(fēng)溫度偏高現(xiàn)象（圖4）從而使與之相對應(yīng)的冷通道出現(xiàn)溫度偏高的情況（圖3b）。173號空調(diào)輸送的熱風(fēng)與其對面的177號空調(diào)輸送的冷風(fēng)進入同一個冷通道，導(dǎo)致給該通道機柜送風(fēng)的冷通道出現(xiàn)了左熱右冷的情況（圖3b）。自動調(diào)節(jié)模式關(guān)閉了173號、180號兩臺空調(diào)水閥，客觀上證明了機房空間開啟的5臺空調(diào)所產(chǎn)生的冷量已能夠滿足IT設(shè)備散熱需求。如再增加新的空調(diào)設(shè)備，不但不會減輕其他空調(diào)的負(fù)擔(dān)，反而使其負(fù)荷增加，既影響IT設(shè)備散熱，又加大了數(shù)據(jù)中心運行成本，據(jù)此我們建議關(guān)停部分空調(diào)。

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