谢静

上海邮电设计咨询研究院有限公司

5G 时代随着物联网、云计算、人工智能等技术的迅猛发展，数据处理需求巨大增长，极大地带动了高密度机房的建设和发展[1]。受限于建设条件，有相当数量的高密度机房是利用既有建筑进行改建的[2]，在既有建筑结构条件下，如何进行充分的有效冷却，确保高密度机房的安全运行，是亟待深入探讨和解决的问题[3]。

对于单机柜功率10 kW 高密度机房，通常采用液冷、背板空调、列间空调等就近制冷方式[4-6]，项目受限于既有建筑上下二层的特殊空间结构形式，需另辟蹊径寻求新的解决途径。本文尝试借助CFD 软件对流体进行数值计算和仿真模拟，优化机房气流组织，采用房间级专用空调解决高密度机房的制冷问题。

项目为上下二层钢结构既有建筑，一层高度3.8 m，二层高度4.2 m，一、二层间为钢格栅地板，因自身条件制约，建筑不具备加固条件。一层满足设备承重，但高度偏低无法安装2.2 m 高机柜。二层高度满足机柜安装条件，但地板无法承受电池设备重量，且一、二层间无法实现各自密闭。结合既有建筑的特殊空间特点，将一层规划为设备间，设有敷设各类管线的架空地板，其上放置房间级专用空调、电池设备，二层规划为高密度机房，机柜放在钢格栅地板上。建筑3D 模型详见图1。

图1 建筑物3D 模型

二层高密度机房面积约275 m2，含三个模块，共计104 个机柜、6 个UPS、6 个PDU，单机柜功率10kW。机柜采用背靠背、面对面的布置方式，机柜间形成冷、热通道，非冷、热通道处用静电地板进行密封。单模块最大机柜数36 个，IT 设备发热量360 kW，UPS发热量36 kW，围护结构冷负荷35 kW，单模块冷负荷为360+36+35=431 kW，考虑10%冷量损失，单模块空调冷负荷为431 kW×1.1=475 kW。一层设备间单模块配置冷冻水房间级专用空调6 台，用5 备1，单台空调制冷量为100 kW，冷冻水供回水温度为17/23 ℃，送风温度在18～27 ℃[7]。二层高密度机房布置详见图2。

图2 二层高密度机房布置图

2.1 气流组织方案

为确保机柜冷量需求及有效减少冷、热气流掺混，采用冷通道封闭，气流组织形式为上送侧回式[8]。一层空调送风经静压箱进入封闭冷通道，对二层的高密度机柜进行制冷，冷风经机柜后温度升高，热风由于负压作用，由机柜背面回到一层空调回风口。

2.2 模型建立

采用CFD 模拟软件6SigmaRoom，建立三维模型，对机房的热工特性进行分析[9]。通过机房垂直送、回风速度场及温度场分布来分析空调系统制冷效果。

1）建模尺寸按照机房面积275 m2（18.0 m×15.3 m），一层高度3.8 m，二层高度4.2 m。机柜采用背靠背、面对面的布置方式，封闭冷通道，冷、热通道间距均为1.8m，冷、热通道钢格栅网开孔率为75%。

2）机柜尺寸600 mm（宽）×1200 mm（深）×2200 mm（高），机柜内服务器均匀布置，功率为10 kW。机柜前、后门为网孔门，开孔率68%，间隙处加盲板以防止热空气回流，考虑盲板泄漏率为5%。

3）UPS 尺 寸1200 mm（宽）×1200 mm（深）×2200 mm（高），功率均匀分布。PDU 设置为空机柜，考虑缝隙泄露。

4）空调尺寸为2100 mm（宽）×900 mm（深）×1900 mm（高），制冷量为100 kW,风量为28000 m3/h，送、回风口尺寸为2000 mm（长）×800 mm（宽）。

5）空调采用送风温度控制，设定送风温度19±1 ℃。冷通道外环境温度为设定值32±1 ℃，室外屋顶温度设定为45±1 ℃。

初步方案为空调分开布置，每个模块内6 台专用空调正常运行。初步方案详见图3～图5。

图3 初步方案空调布置图

图4 初步方案送风立面图

图5 初步方案气流组织剖面图

2.3 求解控制

求解计算采用标准的κ-ε 湍流模型。软件选用已标定的残差来控制求解方程的收敛精度，模拟时各计算残差曲线都收敛于1，代表各参数值趋于稳定[10]。

2.3.1 速度场分布

通过CFD 模拟分析机房内速度场分布。机柜不同高度速度分布差异较大，空调静压箱内气流紊乱，风速偏高，箱内最高速度达到9m/s。速度场分布详见图6。

图6 初步方案速度场分布

2.3.2 温度场分布

风量、风速对气流的作用都会反映到温度场分布上，机房适宜的温度环境是保证服务器正常运行的关键，所以温度场的分析研究对改善机房气流组织能进行有效地指导，通过CFD 模拟分析机房内温度场分布。空调平均送风温度19 ℃，平均回风温度28 ℃，靠近二层顶部出现了33～39 ℃高温层，高温层厚度为1.0 m。温度场分布详见图7。

图7 初步方案温度场分布

2.3.3 气流组织分析

一层高度3800 mm，其中梁高850 mm，架空地板高度600 mm，空调及其风管高度2100 mm，静压箱高度为3800-850-600-2100=250 mm，静压箱高度过小，导致箱内气流混乱，最大风速高达9 m/s，局部出现紊流。高风速带来送风系统高压损，冷通道静压不足，风速衰减严重，二层顶部空气流动性差，出现超过35 ℃高温层。

高密度机房出现了送风气流紊乱，局部温度过高问题。

2.4 气流组织优化

空调制冷量满足高密度机房冷负荷要求，风系统压损大，机房风量不足导致气流组织不理想，出现顶部热量积聚现象。减少风系统压损，要改变空调静压箱高度过小、箱内气流混乱现象。调整空调布置形式，充分利用现有空间的结构特性，对初步方案的气流组织进行改进，增大静压箱高度，降低箱内风速。

2.4.1 改进方案——调整空调布置形式

采用改进方案——调整空调布置形式，空调由分开布置调整为背靠背布置。充分利用梁间高度空间850 mm，将静压箱高度由原250 mm 提高250+850=1100 mm，静压箱高度显著提高。改进方案为空调背靠背布置，每个模块内6 台专用空调正常运行。改进方案详见图8～图10。

图8 改进方案空调布置图

图9 改进方案送风立面图

图10 改进方案气流组织剖面图

通过CFD 模拟对比分析机房内速度场及温度场变化。整体风速相对稳定，减少了风系统的压损，冷、热通道内压力较均衡。空调静压箱内速度由9 m/s 降至4 m/s，机柜不同高度速度分布差异减小。速度场分布详见图11。空调平均送风温度19 ℃，平均回风温度28 ℃，在靠近二层顶部热量积聚高温层减薄，温度范围为32～34 ℃，较初步方案下降5 ℃。温度场分布详见图12。

图11 改进方案速度场分布

图12 改进方案温度场分布

2.4.2 改进方案气流组织分析

改进方案——调整空调布置形式，空调背靠背布置从根本上解决了静压箱高度过小、箱内气流混乱问题，减少了风系统压损，静压箱内气流回归到合理的速度，箱体对送风气流起到了稳流、均压作用，提高了冷通道静压，机柜不同高度风速分布更均匀。风系统压损降低，加强了整个空间空气流动性，二层顶部高温层厚度明显减小、温度降低。高密度机房气流组织得到了显著改善，但二层顶部仍存在薄层的高温带。

建筑上下二层钢结构特殊空间，循环空间远大于地板式送风、弥漫式送风等气流组织形式，对循环风量要求较高。专用空调一般选用直流无刷免维护型EC 风机，受空调自身空间限制，均为标配产品，对其选型很难进行调整。在初步方案温度场分布二层顶部出现了1.0 m 厚高温层，改进方案降低了风系统压损，气流组织得到了显著改善，二层顶部高温层减薄、温度下降，但高温带仍旧清晰可见，说明专用空调自身配备的风机压力是无法满足大空间循环风量要求的，只有新增循环风机，对专用空调风机的循环动力进行补充，对改进方案进行完善，提高整个空间的空气流动性，才能避免局部热量积聚，消除二层顶部高温层。

2.4.3 完善方案——新增循环风机

充分利用建筑上下二层钢结构特殊空间，在一、二层间钢格栅地板主梁下，吊装布置若干数量的EC 风机，新增风机处于机柜背面的排风热通道，气流方向由热通道进风，排风至专用空调回风口上部，与专用空调风机形成接力，提高整个大空间的气流扰动，力争消除顶部高温层。完善方案为空调背靠背布置，每个模块内6 台专用空调正常运行，并在一层顶吊装若干数量的EC 风机。完善方案详见图13、图14。

图13 EC 风机布置图

图14 EC 风机布置剖面图

通过CFD 模拟对比分析机房内速度场及温度场变化。冷、热通道内压力更为均衡，机柜不同高度速度分布差异减小，空调静压箱内速度由背靠背布置4/s提高至4.8 m/s，空调系统风量整体增加，EC 风机处风速超过8 m/s，速度场分布详见图15。空调平均送风温度18 ℃，平均回风温度28 ℃，靠近二层顶部热量积聚高温带基本消失，温度范围为27～30 ℃，较改进方案下降4～5 ℃，温度场分布详见图16。

图15 完善方案速度场分布

图16 完善方案温度场分布

完善方案——新增循环风机，空调循环动力增加，加大了空调送、回风量，整个空间风量增加，加强了空气流动性，二层顶部高温带基本消失、温度下降，机房气流组织良好，无局部热点，满足高密度机房安全运行要求。

通过CFD 模拟对比分析机房内速度场及温度场变化，制冷方案经历了初步确定、改进提升、优化完善三个阶段，最终确定采用完善方案作为高密度机房实施方案。

2.5 效果评价

按照完善方案，每个模块配置6 台冷冻水空调，3个模块在一层设备间安装30 台冷冻水空调，布置方式为背靠背，冷冻水空调的管道、阀门等配件敷设于一层架空地板内，架空地板下设有排水口、应急泄水口及地湿告警装置，确保内部无积水。空调及蓄电池安装于架空地板上，在一层顶钢格栅地板主梁下吊装60台EC 风机，吊装风机总风量与空调设备总风量基本接近。

项目施工自2019 年3 月起，历时8 个月完成，并进行了为期15 天的假负载测试。经假负载测试，各项指标均符合高密度机房运行要求，确定高密度机房可以投入使用。

高密度机房2020 年5 月投入使用，至今运行情况良好，各项指标正常。

通过对该特殊空间高密度机房热工性能的模拟，针对机房气流混乱、部分区域风量不足和局部热点等问题，通过CFD 模拟对比分析机房内速度场及温度场变化，调整空调布置形式、提高循环风量，对高密度机房气流组织进行了优化完善，得出如下结论：

1）特殊空间高密度机房气流组织有别于常规建筑，采用CFD 软件模拟预测室内空气分布情况，对机房速度、温度等物理量进行评估，有针对性的进行气流组织优化，是解决特殊空间高密度机房制冷问题行之有效的方法。

2）在既有特殊空间建筑内建设高密度机房，要根据其空间特点，充分利用现有条件合理布置设备及配件，要敢于打破常规思维模式，因地制宜地选择制冷解决方案，经过严谨的评估及深入的研究，在某些特殊空间采用房间级专用空调是可以解决单机柜功率10 kW高密度机房制冷需求。

3）特殊空间建筑因其空间属性，当专用空调制冷量满足机房冷负荷需求，模拟中却出现热点时，可能存在多方面的原因。进行气流组织优化，提高冷量利用率是解决热点问题的方向之一。

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