通信机房空调气流组织合理化研究

王凯

中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司河南郑州450000

摘要：随着我国通信事业及信息产业的发展，各种数据业务大量涌现。机房能耗已成为通信产业及信息产业重要的运行成本。通过对通信机房某空调上送风和机架下送风机房建立CFD计算模型，利用Fluent模拟得出两种空调气流组织形式下机房内环境情况，得出机架下送风的气流组织方式能更有效地降低数据设备的温度；该下送风机架内部在现有设备布置方式下距机架出风口距离近的部位具有更佳的换热效果，因而通信机房在层高满足的条件下应优先合理。

关键词：通信机房；空调；利用效率

空调成为机房中的主要用电设备；而且机房业务发展快，设备种类多，设备功耗大，冷热布局不合理，导致通信机房中的空调冷量不能满足通信设备工作的恒温恒湿环境条件。因此，如何降低空调电费的开支，是通信企业迫切需要研究的重要课题。对于通信机房这类几乎全年都需要向外排热的特殊场所，全年运行空调能耗很大，目前国内存在以下几种节能节支手段：变频技术；机房空调机组自适应控制技术；新风冷却技术；合理的空调气流组织形式等。在设计时采用正确、合理的空调气流组织形式可以有效减少空调的运行时间，在节约空调用电的同时延长空调的使用寿命，提高能源利用率，保护环境，减轻国家能源的供需压力。

一、计算模型的建立

CFD是室内空气流场数值模拟最有效的方法。其把原来在时间、空间坐标中连续的物理量的场用有限个离散点上的值的集合来代替，将流场的数理方程组差分成代数方程组并求解之，以获得流场物理量场的近似解。CFD具有模拟较复杂或较理想的工况等优点，它可以拓宽实验研究的范围，减少实验的工作量。从某种意义上说，在特定参数下用计算机进行一次数值计算相当于进行一次试验。机房内的气流组织应包括机房大环境的气流组织和通信机柜内部的气流组织，所以机房空调气流组织的科学化解决方案应立足这两方面予以考虑。

机房内空调系统气流组织的科学化是合理解决机房环境要求的必要条件，也是实现节能效应的有效途径[1]。目前采用的机房专用空调机组的送风方式，即上送风方式和下送风方式。为比较上、下送风两种不同气流组织下机房空调能耗情况，现分别选取采用上送风某通信工程采用下送风的某机房作为分析对象，在此基础上建立合理的CFD计算模型，对机房模拟得出的流场和温度场分析后评价两种不同空调送风方式气流组织的合理性。通过该机房的实测数据分析得出上、下送风两种不同空调送风形式下能耗情况并得出结论，为以后新建机房的设计和现有机房的改造提供参考。机房平面布置给出了机架实施方案，空调系统设计参数如表所示。

二、机房内气流组织合理化

通过机房模拟得出下送风和上送风机架在不同竖直面上的温度场和速度场，可以看出下送风时从地板送出的冷气流在机架的左侧形成了一个冷通道，冷气流先分别与各层设备换热之后流入右边的热通道，最后由机架上部的出风口流入机房。由流场分布可知冷气流先与机架内发热设备换热后再进入房间，冷量损失少，使得冷气流能首先被用来降低设备温度而非房间内空气。而上送风时由风口出来的冷气流首先降低的是室内空气，并在两排机架中间形成冷通道，温度降低后的空气再进入到机架内部降低设备的温度，期间部分冷气流未与设备换热而直接进入回风口，增加了冷量损失。计算知机架中间剖面上的平均温度：下送风为T=299.01K，上送风为T=293.19K。上送风方式的房间该剖面平均温度明显低于下送风（△t=5.82K），说明了上送风耗用了更多的冷量来降低房间温度而非散热设备。

图给出下送风在竖直面上的温度、速度分布曲线，可看出随着高度的上升温度逐渐上升，在机架出口高度处温度出现拐点说明下送风由于机架的阻隔作用使得机架内外部温度分布出现了明显变化，冷量充分用于降低机架内设备温度。在上送风时机架立面到送风口中心线在水平面上的温度和速度分布曲线，可以看出在出风口中心线处温度最低，冷气流未充分用于设备的降温，冷量损失严重。研究结果可知为解决目前机房内存在的局部过热问题，并使机房内气流组织合理高效从而实现较好的节能效果，对发热量大的IDC机房，建议在层高满足的条件下优先采用地板下送风方式。应针对不同的设备采取不同的气流组织方式并选用适当的机房专用空调机组。

三、机柜内气流组织合理化

为了使机柜内部安装的设备产生的热量能及时散发到周围的环境中，一方面要求机房大环境有良好的气流组织和适宜的环境参数，另外一方面要求通信机柜具备良好的散热工艺与合理的气流组织形式。通信机柜的结构形式应充分考虑散热工艺的要求，否则会造成热量在机柜内部堆积而无法及时散发到周围的环境中去，从而影响通信设备的正常运行，严重时会造成通信设备故障率明显增加。机架下送风时机架内部温度场和流场矢量CFD模拟结果，可以看出在机架上部距离热通道出口处垂直距离小的数据发热设备较下部设备具有更低的温度，说明了上部的换热效果优于下部，主要是因为出口处形成的抽吸作用增强了换热。因而在机架内部设备的布置时对于下送风的该类型机架可以考虑将发热量较大的设备优先放置在距机架出风口垂直距离近的层板上。

上送风时机架内部温度场和流场矢量CFD模拟结果，可以看出数据设备表面的温度相对较高。目前一些上送风通信机柜的结构形式在散热工艺上存在一些缺陷，存在的问题主要包括：机柜前后门开孔率不足，有些在前柜门位置还设置有防尘网，造成冷气进入阻力过大；有些机房通信机柜内部堆放的设备过于密集，气流流道过于狭窄，内部气流循环不通畅；柜内气流组织不合理，冷、热气流混合现象明显；一些散热量大的通信设备机柜缺少风扇强制排风，仅靠机柜内部自然排风散热效果较差。对通信机柜内部存在的系列问题，必须在机柜前期结构研发阶段对一些环节进行优化处理：内部结构形式寻求更合理的流道设计，散热量大的机柜应考虑强制排风，进风量应可以根据柜内设备安装情况进行调节。根据国内外一些工程的经验，对一些设备散热量较大且采用上送风的机房应增加柜门开孔率，可以考虑采用开放型货架式机柜，通信设备均搁置在完全敞开式的托架平台上，设备散发的热量可以迅速地释放到周围环境中，散热效果得到极大改善。

结论

通过合理的空调气流组织形式出发研究通信机房的节能方案。对现有分别采用下送风和上送风的两个机房建立CFD计算模型，通过对机房内部的温度场和流场分析说明了下送风较上送风能更有效地降低设备温度，温度场分布更趋于合理，同时机架内气流组织合理化也将直接影响到数据设备的有效换热，并得出以下结论。

通信企业设备运行的耗电量已经成为不断增加的重要成本。在众多的用电成本中，空调用电费占有相当大的比例，是节能节支的主要方面之一。

上送风出来的冷空气部分会出现气流短路直接回到机组，有冷量损耗；而下送风冷空气首先直接降低的是机架内设备的温度后再与室内空气换热后回到机组，遵照“先冷设备、后冷环境”原则，保证机柜内部环境，冷量能充分利用。所以对发热量大的IDC机房在层高满足的条件下优先采用地板下送风方式。

机架内部气流组织分析表明下送风时机架上部距离热通道出口处垂直距离小的数据发热设备较下部设备具有更低的温度，说明了机架内部在现有设备布置方式下其上部的换热效果优于下部。

参考文献：

[1]汤广发.室内气流数值计算及模型试验[M].长沙：湖南大学出版社，2016：56-70.

[2]吴喜平，龚光彩.CFD技术在暖通空调制冷工程中的应用[J].暖通空调，2017，29（6）：25-27.

[3]林素菊.高大空间分层空调内气流的数值模拟[J].制冷与空调，2017，5（1）：4-6.

[4]吴国珊，杨攀.通信机房专用空调机组的深度维护及节能分析[J].制冷与空调，2016，11（1）：87-89.