數據中心機房空調系統(tǒng)氣流組織研究與分析

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IDC機房空調系統(tǒng)氣流組織研究與分析 摘要：本文闡述了IDC機房氣流組織的設計對機房制冷效率有重要影響，敘述現有空調系統(tǒng)氣流組織的常見形式。同時重點對IDC機房常見的幾種氣流組織進行了研究與分析，對比了幾種氣流組織的優(yōu)缺點，從理論與實踐中探討各種氣流組織情況下冷卻的效率。 關鍵詞：IDC、氣流組織、空調系統(tǒng) 一、概述 在IDC機房中，運行著大量的計算機、服務器等電子設備，這些設備發(fā)熱量大，對環(huán)境溫濕度有著嚴格的要求，為了能夠給IDC機房等提供一個長期穩(wěn)定、合理、溫濕度分布均勻的運行環(huán)境，在配置機房精密空調時，通常要求冷風循環(huán)次數大于30次，機房空調送風壓力75Pa，目的是在冷量一定的情況下，通過大風量的循環(huán)使機房內運行設備發(fā)出的熱量能夠迅速得到消除，通過高送風壓力使冷風能夠送到較遠的距離和加大送風速度；同時通過以上方式能夠使機房內部的加濕和除濕過程縮短，濕度分布均勻。 大風量小焓差也是機房專用空調區(qū)別于普通空調的一個非常重要的方面，在做機房內部機房精密空調配置時，通常在考慮空調系統(tǒng)的冷負荷的同時要考慮機房的冷風循環(huán)次數，但在冷量相同的條件下，空調系統(tǒng)的空調房間氣流組織是否合理對機房環(huán)境的溫濕度均勻性有直接的影響。 空調房間氣流組織是否合理，不僅直接影響房間的空調冷卻效果，而且也影響空調系統(tǒng)的能耗量，氣流組織設計的目的就是合理地組織室內空氣的流動使室內工作區(qū)空氣的溫度、濕度、速度和潔凈度能更好地滿足要求。 影響氣流組織的因素很多，如送風口位置及型式，回風口位置，房間幾何形狀及室內的各種擾動等。 二、氣流組織常見種類及分析： 按照送、回風口布置位置和形式的不同，可以有各種各樣的氣流組織形式，大致可以歸納以下五種：上送下回、側送側回、中送上下回、上送上回及下送上回。 1)投入能量利用系數 氣流組織設計的任務，就是以投入能量為代價將一定數量經過處理成某種參數的空氣送進房間，以消除室內某種有害影響。因此，作為評價氣流組織的經濟指標，就應能夠反映投入能量的利用程度。 恒溫空調系統(tǒng)的“投入能量利用系數”βt，定義： （2-1） 式中：t0一一送風溫度， tn一一工作區(qū)設計溫度， tp一一排風溫度。 通常，送風量是根據排風溫度等于工作區(qū)設計溫度進行計算的．實際上，房間內的溫度并不處處均勻相等，因此，排風口設置在不問部位，就會有不同的排風溫度，投入能量利用系數也不相同。 從式(2—1)可以看出： 當tp= tn時，βt=1.0，表明送風經熱交換吸收余熱量后達到室內溫度，并進而排出室外。 當tp>tn 時，βt>1.0，表明送風吸收部分余熱達到室內溫度、且能控制工作區(qū)的溫度，而排風溫度可以高于室內溫度，經濟性好。 當tp tn時，故而βt >1.0。經濟性好。但是，下部送風溫差不能太大。在上述條件下，采用下送上回形式是一種較為理想的氣流組織形式。 三、IDC機房的氣流組織研究: 根據IDC機房的特點，機房氣流組織的確定,—般要從以下幾個主要方面來考慮。 1)IDC機房的結構與建筑面積。 2)IDC設備的裝機功率及散熱量。 3)計算機設備的采用的冷卻方式。如自然冷卻機柜或自帶風機強制送風冷卻、用冷卻水或冷卻液冷卻、冷卻水和冷空氣綜合冷卻等。 4)同時考慮自帶風機機柜的進排風口位置，便于迅速排走機柜內的熱量。 1.IDC機房的氣流組織 數據中心機房空調系統(tǒng)的氣流組織簡單的說就是送風口回風口的位置設計布置以及采用相應的風口型式，以下是幾種常用氣流組織形式。 1)上送下回氣流組織 上送下回氣流組織是通常采用的全室空調送回風的基本方式。上送還可分為機房頂送或緊靠機房頂下的上部側送兩種形式。下回通常采用為機房的下部側回形式。 圖3-1上頂送下側回氣流組織 上圖3-l 所示的上頂送下側回的氣流組織，送風經過頂棚上的空調風口往下送冷空氣，至室內先與機房內的空氣棍合，通過設備自帶的風機，再進入需送風冷卻的計算機設備。機房頂棚安裝散流器或孔板風口送風，頂棚風口送下的冷空氣與機柜頂上排出的熱空氣，兩股氣流逆向混合，導致進入機柜的空氣溫度偏高，影響了對機柜的冷卻效果，我們曾在調查中發(fā)現這類情況。由于機柜進風溫度偏高，機柜內得不到良好的冷卻效果，必然造成機柜內的氣溫偏高，導致計算機不能進行有效的正常工作。 因此采用上頂送下側回的氣流組織，對于散熱量較大的機房，只有采用較低(12—16℃)的空調送風溫度，來維持機房較低的(20土2℃)空調溫度基數。機柜才能獲得較好的冷卻效果，但這樣的能源消耗較大。 圖3-2上側送下側回氣流組織 圖3-2所示的上側送下側回氣流組織，在機房室內凈空較低以及計算機設備布置較密時，部分回風氣流有可能被機柜阻擋，形成不了一個通暢的氣流回路，造成局部滯流或出現小區(qū)的渦流。機房內出現的不均勻溫度場，影響著部分機柜散熱的冷卻效果。 因此上送下回氣流組織宜用在機房面積不大于100m2，散熱量較小的小型計算機及微型計算機機房，這種方式用在大型的IDC機房，效果并不理想。 2)上送風上回風氣流組織 在多排機柜排列時，當機柜與機柜采用背對背的形式布置時，可采用上送風上回風氣流組織方式，出風口與回風口的位置可以采用圖3-3的方式布置。形成以機柜冷熱通道相間隔的狀態(tài)（圖3-4）。 圖3-3上送上回氣流組織 上送上回氣流組織如果要使用在IDC機房，出風口的位置應該略低于機柜的高度，同時在每排列柜的中間盡量減少通道的數量，避免出現氣流短路的情況發(fā)生。 圖3-4機柜冷熱通道相間隔 3)下送上回氣流組織 IDC機房內可設架空的活動地板，活動地板下的空間,用作空調送風的通道?？諝馔ㄟ^在活動地板上裝設的送風口進入機房或機柜內。下送上回氣流組織如圖3-5所示．它把機房空調與機柜設備冷卻合二為一個送風系統(tǒng)，回風通過機房頂棚上裝設的風口回至空調裝置。 圖3-5下送上回氣流組織 下送風機房活動地板的空調送風風口一般布置在機柜近側或機柜底部。冷卻空氣從設在機柜近側或機柜底部的活動地板風口送出，送出的低溫空氣只在瞬間與機房內的熱空氣混合，即刻從機柜的進風口進入機柜，有效地提高了送入機柜冷卻空氣的質量，用較少的風量，提高了機柜的冷卻效果。 為了形成以機柜冷熱通道相間隔的狀態(tài)（圖3-4），也可以采用機柜背對背的形式布置，在IDC機房采用下送風方式，可以采用圖3-6的氣流組織形式。 圖3-6下送風氣流組織 下送風頂回風的氣流組織有以下幾方面的顯著優(yōu)點：1．活動地板下用作送風靜壓箱,當計算機設備進行增減或更新時．可方便地調動或新增地板送風口及機柜接線口的位置及數量。2．機房頂部留有的空間既可用作回風靜壓箱，又可敷設各種管線。 2.采用下送上回氣流組織在設汁中需要注意的問題： 1)保持活動地板下一定的均勻靜壓值： 機房內架空的活動地板下的空間，用作送風風道，通風截面較大，為矩形形狀，截面豎向間隔有許多活動地板的支撐桿，造成空氣沿地板長度方向流動過程中的壓力損失。如果送風沿途的距離較長，選用的通風機全壓值雖能克服地板長距離送風的全部壓力損失，但送風的始、終端的壓差較大，不利于地板下保持均勻的靜壓值，因此，不能在地板下敷設各種通信線纜，同時要適當控制地板下送風的距離。架空地板的高度也要把握。數據中心機房活動地板敷設高度至少為0.4米， 2)控制活動地板下的送風口風速： 機房空調向活動地板下送風，送風口不宜集中在一個出處，由于機房空調送風風量大，送風口過分集中在—個斷面出口，往往在一定全壓條件下，出口處的動壓值較大，靜壓值較小，如果離送風出口附近的不遠處設有地板送風風口,那么這個風口很可能要變?yōu)閷嶋H上的吸風口。為防止產生這種不良現象，可在端部送風截面上橫向多開幾個送風口。如果機房地板上設立有多臺專用空調機時，也應將空調機沿機房長度方向，適當間隔一定距離布置，以利于活動地板下的氣流分布均勻。 3)樓地面必須符合土建規(guī)范要求： 機房設計采用下送風方式。樓地面必須符合土建規(guī)范要求的平整度。地面需要進行防塵處理?；顒拥匕逑戮浰⑵崽幚?，達到不起塵的作用，從而保證空調送風系統(tǒng)的空氣潔凈。活動地板安裝過程中，地板與墻面交界處，活動地板需精確切割，切割邊需封膠處理后安裝，避免風道漏風。 3.幾種送回風方式的冷卻效果比較 IDC計算機機柜是個散熱量大而又集中的設備，運行中的機柜內溫度不斷升高，此時，機柜的一部分熱量向機房內散放，使機房內的室溫升高，同時，又影響到機柜的散熱。當機柜的散熱不充分時，機柜內的溫度將繼續(xù)升高到一定值時(極限溫度為60℃)，易造成電子元器件發(fā)生故障。因此，機房空調與機柜冷卻兩者互為關聯(lián)，空調首要要保證機柜冷卻，其次才是機房的環(huán)境冷卻。機房的送回風方式不但關系到機柜的冷卻效果，而且也關系到空調的送風風量及初次投資和日常的經濟運行。 我們對某些單位進行過一些調查，機房單位面積的耗冷量相近，而空調采用的送回風方式不同，機柜實際得到的冷卻效果相差甚遠，也可這樣認為在機房單位面積的耗冷量相近，送風溫度相近，采用下送上回的氣流組織，機柜實際獲得的冷卻效果，優(yōu)于上送風方式。 同時從調查中了解到，無論采用上送或下送的送風方式，只要空調送風系統(tǒng)的工況管理調節(jié)好，機房內工作區(qū)的風速，均能達到設計要求。 四、機房空調送風量計算 機房空調送風量，按機房在夏季最大的得熱負荷結合采用的氣流組織進行計算。對于IDC機房這樣的大型計算機機房，一般要分別計算機房空調送風量及機柜冷卻風量。 機房空調送風量在機房溫濕度空調參數確定后，根據機房最大的熱負荷及得濕負荷，從濕空氣焓濕圖(h—d圖)上查得送風溫差，按設計規(guī)范在室溫允許波動范圍大于1℃時，送風溫差可在6~10℃范圍內取用，即可算得機房空調送風量。 1．機房上送下回氣流組織的送風量按下式計算 （式4-1） 式中： G1——機房送風風量，kg／s； Q1——機房建筑圍護結構傳熱量，W； Q2——計算機設備散熱量，W； Q3——人體散熱量，W； Q4——照明燈散熱量，W； hn——機房空氣焓，kJ／kg； hs——機房送風空氣焓，kJ／kg； tn——機房空調溫度．℃， ts——機房空調送風溫度，℃； c——干空氣定壓比熱，1.01kJ／kg?℃ 2．機房與機柜下送上回氣流組織的送風量計算： (1)機房送風量按下式計算： （式4-2） 式中符號含義同上。 (2)機柜冷卻送風量按下式計算： （式4-3） 式中： G2——計算機機柜需送風冷卻的送風風量，kg／s； Q5——需送風冷卻的計算機機柜散熱量，W； t3——送風冷卻機柜的出口排風溫度，鍺管元件取不大于26℃；集成電路宜取28—30℃；機柜出口排風的相對濕度宜取45～50％； ts——地板風口的出口送風溫度，℃；金屬地板宜取量17~20℃； 從計算公式也可以看出，達到相同制冷效果的前提下，下送風所需風量比上送風所風量小，機柜下送風送風量比機房下送風送風量小，這也就說明了下送上回式風比上送下回氣流組織效率更高。機柜下送風比機房下送風氣流組織效率更高。 五、總結 空調系統(tǒng)的氣流組織有五種，數據中心機房空調系統(tǒng)氣流組織通常采用下送上回、上送下回及上送上回等幾種氣流組織。數據中心機房采取何種制冷方式應根據機房基本情況和機柜物理結構及數據設備密集度等實際情況進行選擇，從制冷效果和效率來看，下送風方式優(yōu)于上送風方式，所以在機房條件允許的前提下，可以確定以下送風為主，上送風為輔的設計方式。 參考資料： 1.中國電信數據中心機房電源、空調環(huán)境設計規(guī)范 2.中國電信數據中心機房電源、空調環(huán)境驗收規(guī)范 3.GB50174-93中華人民共和國國家標準電子計算機機房設計規(guī)范 4.計算機機房空調設計