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)能和精細化的今天，數(shù)據(jù)中心的每一個細節(jié)設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于節(jié)能環(huán)保及工程之美、綠色之美等設計理念。

評價數(shù)據(jù)中心的優(yōu)劣，與其提供的服務質(zhì)量，成本控制及綠色程度密切相關。能夠提供穩(wěn)定及具備高可用性的服務是對云服務商和數(shù)據(jù)中心的基本要求。在此基礎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)中心勇于承擔社會責任的詮釋。

數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運行的前提是必須保證各個設備部件的正常工作，目前保證各個設備部件正常工作的做法是由運維人員定期進行設備巡檢，依靠運維人員的個人經(jīng)驗以及給設備設定的告警閥值進行判斷。由于沒有準確的判斷標準，或因告警閥值設置不合理而出現(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?；诖?，本文引入計算流體力學仿真軟件，將機房物理建模（CFD仿真），根據(jù)機房實際負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置方案，消除局部過熱及過冷現(xiàn)象，以期達到消除安全隱患，發(fā)掘節(jié)能潛力的目的。

1、CFD實例說明

下面結合具體事例闡述氣流組織合理設計配置的重要意義。

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)千臺服務器。每個機柜設計電流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)機房的建筑結構、IT設備、制冷設備、配電設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、風的相關數(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壓現(xiàn)象，負壓會使得氣流倒流，影響冷熱空氣的正常循環(huán)，應盡量避免。

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計值不一致，將無法按設計要求帶走相應的熱量，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)送風溫度不均勻、水閥開度差別很大，風機基本都維持在高速運轉的區(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，僅僅是作為風扇，將熱通道的回風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)送風溫度偏高現(xiàn)象（圖4）從而使與之相對應的冷通道出現(xiàn)溫度偏高的情況（圖3b）。173號空調(diào)輸送的熱風與其對面的177號空調(diào)輸送的冷風進入同一個冷通道，導致給該通道機柜送風的冷通道出現(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設備散熱需求。如再增加新的空調(diào)設備，不但不會減輕其他空調(diào)的負擔，反而使其負荷增加，既影響IT設備散熱，又加大了數(shù)據(jù)中心運行成本，據(jù)此我們建議關停部分空調(diào)。

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