上海郵電設(shè)計(jì)咨詢研究院有限公司      謝靜   沈利民   蔣雅靖   原世杰

摘   要：通過現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)、建立幾何模型、進(jìn)行模擬計(jì)算，提出針對某在用通信機(jī)房改善氣流組織的優(yōu)化方案，對CFD熱仿真技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)踐探討。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測，改造方案取得了消除局部熱點(diǎn)和節(jié)約空調(diào)運(yùn)行能耗的雙重效果。文末總結(jié)了機(jī)房氣流組織優(yōu)化改造措施，對在用通信機(jī)房氣流組織優(yōu)化具有推廣意義。

關(guān)鍵詞：在用通信機(jī)房；氣流組織；CFD；冷通道；熱通道

       0   引言

       在網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)背景下，單機(jī)柜功耗不斷增加，許多在用通信機(jī)房存在空調(diào)氣流組織混亂、冷源得不到充分利用等情況，造成機(jī)架局部溫度過熱、空調(diào)冷量不足等問題，機(jī)房的制冷成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸。單純依靠不斷增加空調(diào)設(shè)備制冷量來降低環(huán)境溫度，不符合國家對于節(jié)能減排的要求，不利于機(jī)房資源的有效利用。因此，在用通信機(jī)房進(jìn)行因地制宜、安全合理的氣流組織優(yōu)化是十分必要的。

       1   研究方法及研究內(nèi)容

       1.1   研究方法

       計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics）簡稱CFD，是通過數(shù)值求解控制流體流動(dòng)的微分方程，得出流體在連續(xù)區(qū)域上的離散分布，從而近似的模擬流體的流動(dòng)情況。近年來，CFD熱仿真技術(shù)，在通信機(jī)房熱評估中得到廣泛的應(yīng)用。通過建立三維幾何模型，設(shè)置邊界條件，進(jìn)行模擬計(jì)算，既可為新建通信機(jī)房提供最佳設(shè)計(jì)方案，又可為在用通信機(jī)房氣流組織優(yōu)化提供改造依據(jù)。

       1.2   研究內(nèi)容

       借助CFD熱仿真技術(shù)，研究某在用通信機(jī)房的速度場和溫度場分布情況，找出與機(jī)房氣流組織相關(guān)的主要影響因素，進(jìn)而對氣流組織進(jìn)行優(yōu)化。按照優(yōu)化方案，機(jī)房進(jìn)行工程改造，并對機(jī)房進(jìn)行改造后評估，實(shí)測優(yōu)化方案的實(shí)際效果。

       2   某在用通信機(jī)房氣流組織分析與優(yōu)化

       2.1   某在用通信機(jī)房現(xiàn)狀

       某在用通信機(jī)房位于3層程控機(jī)房內(nèi)，為近年新配置的數(shù)據(jù)化的傳輸機(jī)房，設(shè)備功耗相對較高，與程控機(jī)房通過鐵絲網(wǎng)進(jìn)行隔斷。傳輸機(jī)房空調(diào)冷負(fù)荷為92.64kW，空調(diào)設(shè)備可提供顯冷量為97.2kW，可以滿足機(jī)房的制冷需求。機(jī)房氣流組織采用架空地板下送風(fēng)上回風(fēng)方式，機(jī)房架空地板高度為350mm。傳輸機(jī)房平面如圖1所示。

圖1   傳輸機(jī)房平面圖

       2.2   某在用通信機(jī)房的CFD數(shù)值仿真模擬

       通過建立機(jī)房幾何模型，劃分網(wǎng)格，制定邊界區(qū)域。

       通信機(jī)房氣流組織的模擬計(jì)算是在6SigmaDC軟件上進(jìn)行的。依據(jù)送風(fēng)溫度17℃，送風(fēng)速度v=1.5m/s的要求進(jìn)行模擬（此邊界條件參照現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)確定）。在通信機(jī)房數(shù)值計(jì)算結(jié)果中選取典型斷面溫度場進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)通信機(jī)房內(nèi)部三維湍流數(shù)值計(jì)算。

圖2   自定義立面局部放大溫度云圖

       由圖2可以看出，機(jī)柜功耗較高的D列與E列（圖1）機(jī)柜間的熱通道溫度達(dá)到32℃，機(jī)架出風(fēng)口溫度37℃，機(jī)房內(nèi)局部熱點(diǎn)的情況較為嚴(yán)重。

       2.3  某在用通信機(jī)房的現(xiàn)場測試及氣流組織問題分析

       2.3.1   現(xiàn)場測試

       測試時(shí)間及氣象參數(shù)：上午10點(diǎn)，室外溫度30/38℃。

       在機(jī)房內(nèi)實(shí)測D、E列（圖1）之間的熱通道溫度為38.0℃。實(shí)測機(jī)柜最高出風(fēng)溫度為44.4℃。由熱成像儀拍攝的機(jī)柜背面的最高溫度達(dá)到39.8℃。利用溫度記錄儀采集E列2號機(jī)柜的溫度數(shù)據(jù)，連續(xù)記錄24h機(jī)柜冷、熱通道的溫度。E列冷通道溫度均在20℃以上，最高達(dá)到25℃。熱通道溫度均在30℃以上，局部最高達(dá)到36℃。實(shí)測溫度與模擬溫度對比如表1

表1   實(shí)測溫度與模擬溫度對比表

       數(shù)值模擬的結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果之間存在一定偏差，但溫度場的計(jì)算與測試結(jié)果兩者基本一致，變化趨勢相接近。因此可以認(rèn)為模擬結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果能較好地吻合，數(shù)值模擬結(jié)果接近實(shí)際情況，具有一定的準(zhǔn)確性和可靠性。

       2.3.2   氣流組織問題分析

       根據(jù)機(jī)房調(diào)研情況分析，氣流組織主要存在以下問題： 

     （1）傳輸機(jī)房與程控機(jī)房邊界處架空地板下部無隔斷、上部為鐵絲網(wǎng)隔斷，使得專用空調(diào)的冷量擴(kuò)散至程控機(jī)房內(nèi)，冷量無法充分利用；

     （2）傳輸機(jī)房內(nèi)架空地板破損且部分地板設(shè)有出風(fēng)百葉，漏風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重，造成空調(diào)冷量無法完全送入機(jī)架內(nèi)；

     （3）架空地板下近空調(diào)送風(fēng)口布放有大量電纜，影響了空調(diào)的送風(fēng)量；

     （4）部分機(jī)柜底部進(jìn)風(fēng)口無送風(fēng)導(dǎo)流板，致使風(fēng)量未進(jìn)入機(jī)柜送風(fēng)通道直接由后部排出；

     （5）部分機(jī)柜內(nèi)的送風(fēng)口封閉或設(shè)備與柜門間的送風(fēng)通道過于狹小，送風(fēng)量無法滿足設(shè)備的散熱要求；

     （6）機(jī)柜內(nèi)未安裝服務(wù)器的位置無密封組件，導(dǎo)致機(jī)柜內(nèi)氣流組織紊亂，冷量未得到有效利用。

       2.4   某在用通信機(jī)房氣流組織優(yōu)化方案

       2.4.1   架空地板改造方案

       考慮消防疏散的要求，無法將架空地板上方進(jìn)行物理分隔，僅在鐵絲網(wǎng)處的架空地板下方采用實(shí)體隔斷封閉，確保專用空調(diào)的冷量得到充分利用，避免冷量在架空地板下部擴(kuò)散至程控機(jī)房內(nèi)；修復(fù)機(jī)房內(nèi)破損的架空地板并取消出風(fēng)百葉，確保架空地板靜壓箱的密閉性。

       2.4.2   電纜改造方案

       將架空地板下近空調(diào)出風(fēng)口布放的電纜上翻至機(jī)柜上部，減少送風(fēng)阻力，增加空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)量。

       2.4.3   機(jī)柜改造方案

       A、C、F、G列（圖1）機(jī)柜采用底進(jìn)風(fēng)后出風(fēng)的機(jī)柜，單機(jī)柜功耗較低，機(jī)柜底部進(jìn)風(fēng)量可基本滿足設(shè)備的制冷需求。B列（圖1）機(jī)柜無發(fā)熱設(shè)備。故不對A、B、C、F、G列（圖1）機(jī)柜進(jìn)行改造。D~E列（圖1）單機(jī)柜功耗較高，內(nèi)部氣流組織混亂，需對其機(jī)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。
機(jī)柜改造的主要措施包括：

    （1）對機(jī)柜正面進(jìn)行改造，將機(jī)柜正門外移150mm，使得設(shè)備正面與機(jī)柜正門之間形成封閉冷通道，加強(qiáng)設(shè)備的散熱效果；

     （2）對部分機(jī)柜未打開的送風(fēng)口擋板進(jìn)行拆除，每個(gè)機(jī)柜底板前部設(shè)置一個(gè)可調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)口，尺寸規(guī)格應(yīng)≥400mm（寬）×350mm（深），使得進(jìn)風(fēng)口大小可在全開和全閉之間連續(xù)調(diào)節(jié)；

     （3）進(jìn)風(fēng)口上方設(shè)置一個(gè)高度為180mm~260mm 的導(dǎo)流罩，引導(dǎo)冷風(fēng)進(jìn)入機(jī)柜前門與設(shè)備面板之間的區(qū)域；

     （4）每個(gè)機(jī)柜內(nèi)設(shè)備正面板平面配置必要的密封組件，以確保冷風(fēng)全部進(jìn)入設(shè)備正面板進(jìn)風(fēng)口，而不致泄漏。

       2.5   某在用通信機(jī)房氣流組織優(yōu)化改造后CFD數(shù)值仿真模擬

       根據(jù)氣流組織優(yōu)化改造方案重新建立機(jī)房幾何模型。

       選取典型斷面溫度場及速度場進(jìn)行計(jì)算。如圖3所示，機(jī)房改造后的溫度場及速度場更為均勻，局部溫度熱點(diǎn)數(shù)量減少，機(jī)房內(nèi)環(huán)境溫度有明顯改善。

圖3   D、E列機(jī)柜間熱通道溫度場

       2.6   某在用通信機(jī)房氣流組織優(yōu)化改造后評估

       機(jī)房氣流組織優(yōu)化改造完成施工后對機(jī)房內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)測。

       測試時(shí)間及氣象參數(shù)：

       下午2:00，室外溫度29~36℃。

       在機(jī)房內(nèi)實(shí)測D、E列（圖1）之間的熱通道溫度為32.0℃，下降6.0℃。

       機(jī)房內(nèi)服務(wù)器設(shè)備風(fēng)扇都恢復(fù)正常轉(zhuǎn)速，設(shè)備板卡溫度明顯下降。溫度數(shù)據(jù)對比如圖4所示。改造前部分設(shè)備溫度接近告警閥值，服務(wù)器風(fēng)扇處于高速運(yùn)行狀態(tài)；改造后的設(shè)備溫度下降明顯，風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

      

圖4   改造前后設(shè)備板卡溫度值及設(shè)備板卡溫度閥值

       利用溫度記錄儀采集E列2號機(jī)柜的溫度數(shù)據(jù)，連續(xù)記錄24h機(jī)柜冷、熱通道的溫度。比較改造前、架空下方實(shí)體隔斷封閉及完全改造完成后測試數(shù)據(jù)如圖5所示。  

      

圖5   E列2架冷、熱通道溫度

       從圖5可以看出，改造后機(jī)柜內(nèi)冷、熱通道的溫度有明顯下降，冷通道下降約4℃左右、熱通道下降約5℃左右。改造前專用空調(diào)始終處于制冷工作狀態(tài)，空調(diào)運(yùn)行能耗較高；改造后空調(diào)處于制冷運(yùn)行與風(fēng)機(jī)送風(fēng)交替運(yùn)行的工作狀態(tài)，空調(diào)運(yùn)行能耗下降。

       氣流組織優(yōu)化改造后，機(jī)房環(huán)境溫度得到了明顯的改善，設(shè)備板卡溫度下降，服務(wù)器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速正常，空調(diào)運(yùn)行能耗減少，消除了機(jī)房內(nèi)的局部溫度熱點(diǎn)。

       經(jīng)機(jī)房改造后評估確定，機(jī)房氣流組織優(yōu)化改造方案是行之有效的，取得了消除局部溫度熱點(diǎn)和節(jié)能運(yùn)行的雙重效果。

       3   總結(jié)在用通信機(jī)房氣流組織優(yōu)化改造措施

    （1）機(jī)房應(yīng)按照不同的功率密度區(qū)域進(jìn)行物理隔離，隔離區(qū)內(nèi)的各機(jī)柜功率宜接近。較高功率密度機(jī)柜宜在封閉的小范圍內(nèi)，設(shè)置專門的空調(diào)系統(tǒng)；

     （2）根據(jù)在用通信機(jī)房的實(shí)際情況，不具備物理隔離條件的，下送風(fēng)機(jī)房可在架空地板下方采用實(shí)體隔斷封閉，上送風(fēng)機(jī)房可安裝移動(dòng)封簾，將不同功率密度區(qū)域進(jìn)行隔離；

     （3）作為空調(diào)送風(fēng)的架空地板和空調(diào)回風(fēng)的吊頂內(nèi)不應(yīng)布放與本專業(yè)無關(guān)的通信及電力線纜，不符合此要求的機(jī)房，隨通信設(shè)備的調(diào)整，在條件許可的條件下，可有計(jì)劃的實(shí)施改造；

     （4）機(jī)柜的結(jié)構(gòu)及氣流組織應(yīng)滿足其設(shè)備的散熱要求。機(jī)柜應(yīng)有合理的送、回風(fēng)口及送、回風(fēng)通道設(shè)計(jì)，其內(nèi)部的流通阻力及散熱需要的風(fēng)量應(yīng)與其服務(wù)器風(fēng)扇的選型相匹配；

     （5）當(dāng)機(jī)柜內(nèi)未裝滿設(shè)備時(shí)，未安裝設(shè)備的位置應(yīng)統(tǒng)一安裝密封組件，防止冷空氣直接由該位置進(jìn)入熱通道，造成冷氣流短路、降低制冷效率；

     （6）做好機(jī)房的密封，以保證地板下送風(fēng)靜壓及機(jī)房潔凈度要求。

       機(jī)房的空調(diào)設(shè)備及通信設(shè)備均應(yīng)根據(jù)通信設(shè)備的散熱需求合理布置，應(yīng)將冷風(fēng)直接送達(dá)機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)口，機(jī)柜能根據(jù)負(fù)荷需求，順利的吸入需要的冷風(fēng)，并將熱風(fēng)排至回風(fēng)通道，回風(fēng)氣流應(yīng)能夠順暢回至空調(diào)機(jī)組，減少在機(jī)房內(nèi)的滯留時(shí)間。所以在用通信機(jī)房氣流組織優(yōu)化，是整個(gè)送、回風(fēng)路徑上相關(guān)各環(huán)節(jié)的優(yōu)化。
       在用通信機(jī)房的氣流組織優(yōu)化可以從機(jī)房的設(shè)備布局、機(jī)房的氣流組織、機(jī)柜的結(jié)構(gòu)及其氣流組織三個(gè)維度考慮。只有將以上各因素協(xié)調(diào)統(tǒng)一，才能實(shí)現(xiàn)氣流組織的優(yōu)化，提高冷量利用率，降低空調(diào)能耗，節(jié)約能源。

參考文獻(xiàn)

       [1] 陳修敏, 張九根. 數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及氣流優(yōu)化分析. 北京流體機(jī)械, 2014, 42(11):79–82, 86.

       [2] 舒慶鑫. 變電站數(shù)據(jù)機(jī)房能耗及氣流組織模擬研究. 杭州 浙江大學(xué), 2014.

注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2019年10月刊總第26期。
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