数据中心配风动态制冷系统与应用

1、数据中心配风动态制冷系统与应用来源：机房技术与管理 作者：于郡东 更新时间：2012-3-8 11:07:01 摘要：数据中心机房为了更加节省IDC的土建、或是用户的楼宇租赁费用，一些大型化、高密度化、数据大集中的IDC和云计算中心越来越普及。但是高密度化服务器机房的散热问题也越来越难解决。 窗体顶端窗体底端目前数据中心机房普遍采用下送风空调系统，并配合冷热通道分离。尽管如此，冷热风气流组织的短路（回流、漏流）和横向混合（旋流、涡流）现象依然十分严重（如图1所示）。这会造成为数众多机房的IT机架上半部分处于热气团的包围之中，此外机房高架地板内线槽等阻挡送风的障碍物也堵塞了冷气的输出，导致机架供

2、应冷气风量风压严重短缺。 图1 数据中心机房冷热风气流短路和横向混合打破平均分布散热模式近期，数据中心机房为了更加节省IDC的土建、或是用户的楼宇租赁费用，一些大型化、高密度化、数据大集中的IDC和云计算中心越来越普及。但是高密度化服务器机房的散热问题也越来越难解决。如果机房仍然采用传统均匀制冷设计模式，那么精密空调系统能耗会加大，PUE值居高不下。更为严重的是，机房局部热点问题并非只局限于高密度机房，在中密度甚至低密度机房也经常出现。例如传统的程控交换机房，因空调摆放于机房一侧，也会出现远端的局部热点。在以往的设计中按室内设定温度2024时，机架功率在15KW，风量在4000m3/h5000

3、m3/h的情况下，一个机架散热的红外热像分析图和机柜冷却/散热分析如图2所示，从中可见高架地板的冷却效果会受地板开孔和空调送风影响巨大。图2 机架散热红外热像分析图和机柜冷却/散热分析精确配风解决之道针对机架散热负荷（kw/rack）的不同，就需要采用精确送风、按需冷却的解决方案，以满足数据中心机房每个机架动态制冷的需求。数据中心机房红外/正风压测控配风地板系统解决方案，采用在机房局部增加风机强制通风的配风地板来满足机房热点冷却需求；解决了局部热点后，继而就可以避免机房过度冷却，通过提高空调设置温度来减少空调机组的运行数量和供冷量，最终达到机房节能的效应。配风地板单元（ADU），是数据中心机房

4、空调系统送风气流组织的一种远端辅助部件，用于将空调机组所产生的冷量（冷气流）强制的配送到IT机架的前面板进气口处，以解决传统空调系统送风方式的不足、尤其是能够满足高功率密度机架的散热需求（参见图3）图3 配风地板单元应用数据中心机房红外/正风压测控配风地板系统可以明显改善机柜前端的送风冷却效果，解决了高热密度（虚拟机、刀片服务器）负荷的散热差以及机房局部热岛效应的难题；并有相应空调节能效应。行级制冷般的效果传统的地板下送风的气流组织方式，已经无法解决高密度机柜的制冷需求。随着IT技术的发展，机柜功率越来越大，需要的配风风量也相应的增加。但是，地板下送风存在两个瓶颈：地板下送风截面积和地板的出风

5、口有效出风面积。为了解决地板下出风口的截面积瓶颈，目前铺设的地板越来越高，普遍需要架设到600mm以上。但是地板出风口的面积已经达到了极限，而孔板通风率不可能达到100%；增加每机柜拥有的通风地板数量又须增加机房面积。所以，地板下送风的平均分布气流组织方式，目前只能满足每机柜4KW以下的功率密度要求。至此业界内绝大多数下送风机房的地板送风风压也仅有25Pa，甚至还有许多的送风风压为负压区域（受流体力学伯努利原理所限）的机架，以至不能安置高负荷的设备。目前，配风地板单元机由高通风率的风口地板、强制送风机、红外温度传感器、静态/动态送风风压传感器以及群控软件系统等组成，单元机的尺寸与标准地板相同，

6、现场安装时只需在有需求的机柜前替代原来的地板即可。数据中心机房安置了配风地板系统可以产生的优势是：1、能彻底解决机柜局部过热问题，提高主机设备运行环境的安全性；2、通过提升回风温度，提高空调制冷效率，有效节省机房空调系统能耗；3、可提高IT设备的机柜容积率和出租率，减小耗能PUE值，增效降耗；4、令老机房经过技改焕发新的生机，可大幅节省新机房建设的投资；配风地板单元机样式如下图所示： 按倒葫芦起了瓢数据中心机房红外/正风压测控配风地板系统并非只是为了解决数据中心局部热点问题，而是借助对送风气流的全面控制，达到对数据中心制冷精确控制的目的。如果仅仅是采用ADU产品，虽然可以暂时解决局部热点问题，

7、但是很可能导致按倒葫芦起了瓢，旧的热点解决了，新的热点有会出现。在新的系统中，通过采用红外线测温探头连续探测机柜表面温度，探测温度稳定可靠，满足机架内设备或局部区域对温度控制要求。如果采用红外线测温探头，探测的机柜设备进风口或局部区域温度，那么就可以自动调整IDC机房红外/正风压测控配风地板的风量和风速。新系统具有风压差设定功能，可通过人机界面设定风机进出端的压差和配风地板送风风压，自动控制风机的风速、风压。新系统适用于电子信息机房高热密度负荷之散热点区域，与下送风机房空调系统、防静电地板组合送风冷却机柜内设备负荷。摘要：在互联网数据中心(IDc)机房中，运行着大量的计算机，服务器等电子设备，

8、这些设备中，使用了大量的集成电路和电子元件，对使用环境条件有严格的特定要求，不符合要求的运行环境会造成电子元气件的寿命降低，设备运行故障以及设备腐蚀等严重后果。而当前IDc机房空调普遍存在气流组织状态差、不能为数据设备体有效降温、室内空气洁净度不能满足国家规范的问题。作者根据多年来对IDC机房空调设计的经验，浅谈个人的心得和设计建议。 互联网数据中心(InternetDataCenter。简称IDC机房设备运行环境要求： 1)IDC机房设备间的温度、湿度和尘埃对微电子设备的运行及使用寿命有很大的影响。 (1)高室温会使元件效率急剧下降，低室温则会使磁介质等发脆、易裂；温度的过大波动致使微电子不

9、能正常运行。 (2)相对湿度过低，易产生静电而对微电子设备造成干扰相对湿度高会使微电子设备内部焊点和插座的接触电阻增大。 (3)空气不洁净，产生的尘埃颗粒积聚，会使导线被腐蚀断掉。 2)IDC机房空调设计应按设备生产厂家提供的机组运行环境要求进行设计，当通讯设备不能确定，提不出具体通讯设备环境要求时，可依据我国计算机房设计规范(GB50l7493)。 2IDC机房空调的特点 1)设备的功耗大，发热量大。 IDC设备在运行过程中，机柜的散热量大且集中，热负荷强度高，约在400600Wm2左右。 2)机房显热比高，散湿量小。 IDC机房所得热量中，主要来自设备运行所产生的热量，显热约占总热量的95

10、左右，显热比通常高达085095；机房散湿量较小，主要来自工作人员和渗入的室外空气，总散湿量约在8169In2。空气处理过程接近于等湿冷却的干式降温过程。 3)温湿度控制精度要求高且稳定。 IDC机房不仅要求温湿度的波动幅度不得超过规定的范围，而且对温度变化的梯度有明确的要求。 4)需要全年持续、稳定的恒温运行。 由于IDC机房的热负荷强度高，即使在冬季仍然需要空调系统进行供冷运行。 5)送风量大，送、回风温差小。 由于IDC机房显热量大，热湿比近似无穷大，送风相对湿度小、焓差小、风量大，换气次 数达30次h以上。 6)洁净度要求较高。 IDC机房应保持洁净的空调环境，以有利于通信的安全运行和

11、延长设备的使用寿命。 7)空调系统应具有高可靠性。 IDC机房全年不间断运行，要求系统具有很高的可靠性，由此也要求空调系统应具有高可靠性。 3当前lDC机房空调普遍存在的问题 1)机房空调高能耗、低效率。 IDC机房空调服务的对象是发热量集中的IDC设备，而现有机房空调技术测定的均是机房温度，往往呈现机房温度降下来但设备温度持续高温的状态，最终造成机房空调高能耗、低效率的状况。 2)机房内部环境温度不均一，同一时间测定的不同区域温差有时可达5以上。这是机房气流组织差，不能将冷风有效地作用于设备体上所造成。 3)机房设计远期规划不到位，机房扩容没有充分考虑机房空调的预留位置及检修条件。 近年来随

12、着信息业务的快速拓展，机房不断扩容，而多数机房沿用原机房局址扩容，出现使用原精密空调机致冷却能力不足量现象。后期的增设、检修不可避免地影响现有空调设备的运行，继而影响到机房环境温度的稳定。 4)有些机房采用舒适性空调。 采用舒适性空调无法保持机房温度恒定，造成电子元气件的使用寿命大大降低；无法控制机房湿度，导致微电路局部短路产生有破坏性的静电；风量不足和过滤器效果差，造成机房洁净度不够，灰尘聚集，造成电子设备散热困难，导致机房设备过热和腐蚀。 5)有些机房不设备用空调。 机房运行中如一台空调设备发生故障必须在很短时间之内对其完成维修，否贝lJ导致机房升温加快、设备故障发生。 4IDC机房应采用

13、机房专用恒温恒湿精密空调 对于IDC机房来讲，要保证机房的环境稳定可靠，95以上的热量均为显热量，需要高显热比机组，需要机房专用精密空调来实现，其特点如下。 1)空调空气处理的焓差小，风量大。 与相同制冷量的空调机相比，机房专用空调机的循环风量约大一倍，相应的处理焓差只有一半，出风温度高(1315)。大风量、高风压，换气次数最小设计为30次h，解决了机房整体降温问题。 2)全年供冷。 机房专用空调的设计能够适应室外温度变化的要求，在一40到+45区间保证空调24小时正常工作，包括降温和升温。 3)温度基本无波动。 机房专用空调温度调节精度为1，温度基本无波动。 4)湿度控制精度高。 机房专用空

14、调的重要控制参数为湿度，可以达到±5的控制精度。 5)保障机房洁净。 机房专用空调机标准配置的空气过滤器为中效过滤器，在空调机结构上预留亚高效或高效过滤器的安装位置或预留了安装附件，配合以大风量循环，保障机房洁净。 6)控制严密。 机房专用空调控制系统装备微型电子计算机控制器，能够对室内外环境进行监视，自动调节室内温湿度，具有自诊断功能，对机房中漏水、及发生火灾等情况进行监视和报警，另外，控制器可进行联机以及远程监控等。 5设计有效的气流组织形式是机房空调重中之重 IDC机房应有一个稳定、合理、温湿度分布均匀的运行环境，在配置机房精密空调时，要求冷风循环次数不小于30次h、送风压力不

15、小于75Pa，目的是在冷量一定的情况下，通过大风量的循环使机房内运行设备发出的热量能够迅速得到消除，且通过高送风压力使冷风能够送到较远的设备处，同时机房内部的加除湿过程缩短，湿度分布均匀。这就要求空调房间有合理的气流组织。 气流组织通常为以下五种：上送下回、侧送侧回、中送上下回、上送上回及下送上回。IDC机房空调系统气流组织通常采用上送下回、下送上回及侧送侧回等几种气流组织。下面就传统的下送上回及上送下回两种方式的运用进行比较。 1)下送上回气流组织 这是传统上用的比较多的一种机房气流组织方式IDC机房内设架空的活动地板，活动地板空间用作空调送风的通道。空气通过在活动地板上装设的送风口进入机房

16、或机柜内，回风通过机房顶棚上装设的风口回至空调装置，如图l所示。活动地板的空调送风口布置在机柜近侧底部，冷却空气从地板风口送出，低温空气即刻进入机柜，提高了机柜的冷却效果。这种方式不需送风管和送风口，空调设备的摆放可以灵活调整，同时可将通信工艺各类管线及空调专业管线均隐藏在活动地板内，从而使通信机房内显得整齐美观。 但通过参观多数采用此种方式的机房，发现在实际的运用中与理论情况相差较远，运用中出现很多敝端如下： (1)实际使用中由于设备经常扩容，静电地板好多空间被线路占用造成送风通路狭小、送风不足，同时也造成机组送风阻力大而影响机组运行； (2)地板内长期积灰不易清理造成送风清洁度差及管理维护

17、不方便； (3)加湿给水管、凝结水管都布置在活动地板内，出现问题不易发现，造成安全隐患， (4)活动地板的隐蔽性造成安全隐患不能及时发现，从而导致事故发生。 综上所述，应根据机房的长远规划另外采用更合理的送风形式。 2)上送下回气流组织 上送下回气流组织是现在机房通常采用的全室空调送回风的方式，上送还可分为机房顶送、上部侧送两种形式，下回通常采用为机房的下部侧回形式，如图2、图3所示。这种气流组织方式的通信设备是上走线方式，气流由机房上部送到通信设备，与热空气交换后，从机房的下部的设备列间通道回到空调机组内。 这种送风方式的缺点是：由于设备热空气向上流动，且设备自带风扇出风力强，致使冷风不能有

18、效作用至设备内部，冷热风风力在设备半空抵消，从而使得房间最下部温度偏高，不能有效为设备体降温。但这种方式比下送风有着明显的优点如下： (1)由于风管内不易积灰，从而使空调机组的过滤网使用时间长，减少维护管理的工作量，且送风清洁，通信设备较好保持清洁； (2)空调机组所需加湿给水管、凝结水管均为明布置，一旦有漏水现象，能快速发现，及时排除，消除引起机房安伞隐患； (3)通信设备一般多是分期分批、逐步安装，空调设备也可与通信设备同步分批安装，利于扩容建设。 通过上述比较，笔者认为：为保证安全生产，应考虑采用上送风方式，不建议采用下送风方式。在规划初期进行通信设备走线设计时，尽量做到统一规划、合理设

19、计，设备专业和空调专业密切配合、协调布置，走线架和空调风口有序错开，风口有效布置在设备列问，不要采用散流器送风，而代之以直吹式的双层百叶风口，保证有足够的风压使空调送风可有效作用到设备底部，设备专业考虑通畅的回风通道，也可取得很好的空调效果。 6IDC机房空调设计应充分应考虑维修方便并为扩容预留条件 一般在工程初期时通信设备少，管线少，且开始管线的布置也是整齐有序，能保证有足够的空间给空调送风用。随着机房建设的发展，多数机房仍沿用原机房局址进行扩容而成，常见如下问题： 1)使用原精密空调机组跟不上机房建设发展的需求，产生机房冷却能力不足，而后期空调扩容跟不上，造成机房正常运行的极大隐患； 2)

20、没有备用空调。为保证通信设备正常运行、通信不中断，使用中如一台空调设备发生故障必须在半小时之内对其完成维修或更换，工作难度相当大；更换过程中不得不安装临时分体空调以保证通信设备正常运行。 3)没有足够检修空间，造成空调设备检修特别困难，工作难度相当大，在实际使用过程中，使用单位反映问题也比较多。 所以在机房设计时一定要做过远期规划和近期规划的合谐合理统一，不能只顾眼前方便而忽略发展预留足够的空调增容及检修条件，否则会带来后期隐患而进行补救时付出更大代价。 7小结 设计IDC机房时，要各专业紧密配合，远期和近期统一规划、合理设计。空调专业要保证为机房提供良好的运行环境，采用机房专用恒温恒湿精密空

21、调，合理设计气流组织，充分考虑机房空调的备用、检修及扩客空间。合理设计机房空调是保证机房安全生产的必备前提条件。 一、引言 IT行业大中型互联网信息数据中心（IDC）是企业、商户或网站服务器群托管的场所，也是保障各行业大型企业总部与全球各分支机构信息传输与信息存储安全的集成技术平台。随着信息技术的高速发展以及全球化业务的迅速开展，IDC机房的建设与需求越来越多。与此同时，由于电子设备发热量的不断增大，大型IDC机房的耗电量和机房环境温度超标现象频频发生,已经成为制约IT行业发展的全球化问题。 IDC机房的安全与能耗问题一直被国外先进国家所重视，如美国、日本等发达国家都投入了大量资金对此问题进行

22、研究。我国在这方面的起步比较晚，但最近相关的研究力度也在不断加大。 二、问题的提出 满布在IDC机房内的各类电信设备通常散热量大且持续稳定，需要提供稳定而适合的温度、湿度环境，才能保证这些设备正常工作。为了给IDC机房提供适合且稳定的温湿度工作环境，所配置的空调系统往往较一般的民用或工业用空调系统具有：系统送风量大、送风焓差小、且需要常年不间断地连续运行的特点。因此，也可以说IDC机房是一个用能密度高、空调耗能大的产业设施。 计算机网络技术、电信网络和传输技术的飞速发展，催生了IDC业务的快速成长，我国相应的技术设计规范、标准的制定或修订尚未跟上此类技术快速发展的步伐。大多数的IDC机房空调系

23、统的设计仍在沿用上世纪90年代计算机房的设计标准，设计方法和思路也在参照民用建筑空调系统或一般工艺空调系统的做法。 与一般民用建筑或工艺设计空调系统不同的是，IDC空调系统的服务对象是放置在机架上的服务器，这些服务器在IDC机房内的摆放位置相对比较固定、发热源稳定且发热密度大。根据服务器的工作特点以及对周围工作环境的要求，美国ASHRAEHandbook2007HVACApplication1对IDC机房室内空调设计标准提出了具体的要求（表1），并明确指出，表中设计参数为服务器等通信设备进风口处的参数，而并非IDC机房的平均参数，更不是空调系统回风口的参数。国内相关设计标准（电子计算机机房设计

24、规范（GB50174-93）2要求的机房内的温湿度设计标准基本同表1。 表1美国ASHRAE设计标准（2007年） 但据调查发现目前国内IDC机房设计，多是将表1中的设计参数视为空调系统回风口的参数；而且大多数的服务器使用者以及IDC机房空调系统运行管理人员，也是以空调系统回风口的参数是否满足表1作为判断IDC机房空调环境温度是否正常的标准。显然，这种对设计与运行控制标准理解的误差，不仅不必要地提高了IDC机房的空调标准，更直接地导致了空调设备选型不合理的问题，使空调系统运行能耗增加。 a)机柜外形b)某机柜背面壁面温度分布 另外，由于IDC机房设备散热量大，所需要的“供电电源功率密度”高达1

25、.0kW/m2，散湿量小，主要是显热负荷，因此要求空调机组小焓差、大风量送风、且全天候的全年连续运行，同时对机房内空调气流组织要求很高。目前，采用比较多的空调送回风方式有地板下送上回、上送上回以及上送侧回等方式。由于服务器机架/机柜布置方式的特殊性，要求能将低温空气直接送到机架/机柜中，以提高能量利用系数。但据调查，目前较为普遍存在的问题是，IDC机房的空调送、回风方式仍然类似民用建筑和一般工艺的空调送、回风方式，更多的是关注整个房间，而不是重点关注每个机架/机柜中的气流流通情况。因此，一些IDC机房的尽管空调送风量非常大，换气次数甚至高达100次/h，但服务器区的环境温度超标，空调系统能量利

26、用率不高。如图1所示，空调气流组织的不合理导致机柜周围的壁面温度高达 50，对服务器的安全运行非常不利。 三、现状调查 为了对IDC机房空调系统的设计与运行状况更深入的了解，笔者于2007年9月11月对北京某企业的冷负荷1400W/m2以下的IDC机房进行了现场实测调研。所调查的机房大多采用了上送侧回的气流组织形式，但大多存在不同程度的气流组织不合理以及耗能严重的问题。 以其中的一个典型IDC机房为例，该机房机架布置形式为冷/热不分区；每列机架含16机柜，每个机架最多可放置11个服务器，机架间距为1.2m；空调气流组织形式采用了风管上送风、自由下侧回风的方式；空调机组采用机房专用空调机；配置的

27、空调机组制冷容量为1793W/，房间换气次数为102次/h。机房内各送风口的送风温度与速度、以及机架区域不同高度处速度场与温度场实测结果如图2。 a)送风口温度、速度场b)机架区域不同高度速度场c)机架区域不同高度温度场 图2a)中各测点的数据分别为送风温度（）（上行）和送风速度（m/s）（下行）。由图可知，机架附近的送风温度范围在12.622之间，大多为1317；送风速度0.34.8m/s，基本趋势是远离空调机组的送风口速度偏小，而靠近空调机组的送风口速度偏大；空调机组回风口处的回风温度为1823.5。由于送风管道系统的最大送风速度高达4.8m/s、而最小的送风速度仅0.3m/s，导致整个机

28、房速度场分布不均匀，进而影响温度场分布，使局部区域温度明显高于平均温度、甚至过热。 图2b)为机架附近不同高度处各测点速度实测值，测点高度分别为0.4m、1.1m、1.8m。速度分布在0.22.55m/s的范围内，沿机架高度方向速度变化相对比较大，基本规律是机架前面的风速普遍较机架背面的风速小。 图2c)为各机架附近不同高度处各测点温度实测值，测点高度分别为0.4m、1.1m、1.8m。由于机架的排列方式属于冷/热不分区的形式，由送风管道送出的较低温的冷却气流与从机架背面排出的热气流相互掺混，使得机架前面即服务器进风口处的空气温度（1522）已比送风管道出风口的温度（1317）提高了许多；而机

29、架背面的温度除个别点外，基本分布在24-31的范围内。由于采用了机架冷/热不分区的排列方式，尽管送出了很低的空气温度，但由于送风区与回风区交织在一起，导致冷/热气流掺混和部分“短路”，使得机架前面服务器进风气流温升较大（高达5），大量浪费了空调机的制冷能量。 另外，机房内回风区域的热堆积现象比较严重，尤其是远离空调机组回风口的机架区域回风不畅，回风阻力平衡不好；空调机组的运行工况严重偏离最佳工作区，运行效率低。鉴于IDC机房空调系统设计与运行过程中存在的一些问题，本研究重点以IDC机房空调气流组织方式为研究对象，根据实测调研的结果，并结合CFD三维流场模拟计算技术，对IDC机房空调上送风气流组

30、织优化设计方案进行探讨。 四、数学模型和数值方法 4.1物理模型 选取有典型代表性的IDC机房作为分析对象，计算机房空间尺寸为13.6m×6.9m×4.0m(长×宽×高)，放置三列机架，每列机架由16个机架组成，每个机架可摆放11台服务器，计算机房示意图如图3，计算机房物理模型如图4所示。 为了简化分析，作如下假设： 1）不考虑IDC机房内管道、电缆和支架对室内气流组织的影响； 2）除服务器外，不考虑人员及其他物体的散热； 3）机房外界的大气压按照101325Pa考虑； 4)机房内的空气气流按照不可压缩粘性流体考虑； 4.2控制方程3 考虑IDC机房内空

31、气流动基本为湍流流动，采用三维N-S方程作为控制方程，并采用标准k-模型建立封闭的控制方程组。 连续方程：式中， 空气密度 (kg/m3)； t时间 (s)； U速度矢量 (m/s)； T空气温度 (K)； 导热系数 (W/mK)； cp定压比热 (kJ/kgK)； 速度变量，代表三个坐标方向上的分速度u、v、w (m/s)； 动力粘度 Ns/m2； T S 、 S 广义源项。4.3边界条件4 1）围护结构的边界条件：将室内的屋顶和所有墙壁均视为绝热边界。 2）送风口的边界条件：送风口设置为速度入口边界，温度18，总送风量40000m3/h。 3）回风口的边界条件：回风口设置为自由回风边界。

32、采用壁面函数法处理近壁面问题，利用有限体积法离散控制方程，并用SIMPLEST算法进行压力速度耦合计算。 4.4算例验证 为验证所建立模型及其算法的可行性，选取某IDC机房为比较对象（图5），将该机房内服务器周围各测点温度的实测值与计算值进行比较（图6）。由图6可见，计算值与实测值基本吻合。 五、空调气流组织方案优化 计算条件：以图4的物理模型为基础，假定各机架均布满服务器，单台服务器的发热量为220W/台，不考虑新风负荷，考虑1.2的附加系数，计算总冷负荷为140kW，空调系统送回风方式为上送下侧回，给定总风量和送风温度。 计算工况：为了重点把握机架排列方式、送风口距机架距离、各送风口间距、

33、回风区气流流动状况等参数对机房内速度场与温度场的影响规律，分别按五种计算工况进行了比较计算（如表2）。 5.1基本方案（工况1） 根据调研结果，目前机架的布置方式大多采用了冷/热不分区的方式，故以此工况为基本比较方案。 计算条件为：机架间距为1.2m，送风口高度3.1m，单排4个送风口，总送风量40000m3/h，送风温度18；计算结果如图7（图中坐标Z表示截面距地高度，Y表示截面沿机房长度方向距无风口侧墙距离）。 从图中可知，机架排列由于采用了冷/热不分区的方式，前一列机架服务器的排风与后一列机架服务器的进风共用一个通道，冷热空气掺混比较严重，服务器的进风温度已达2426，较送风口的温度升高

34、了68，所提供冷量并没有充分用于冷却服务器进口的空气，造成能量利用效率偏低。 Z=1m截面图Y=5m截面图 5.2机架冷/热分区（工况2） 将工况1的机架冷/热不分区的排列方式改为冷/热分区（如图8）。计算条件：冷/热区间距分别为0.9m/1.2m，单排6个送风口，其它条件同工况1；计算结果如图9所示。 与工况1比较，服务器的进风温度大约为2123，较工况1降低了3。由于采用了机架冷/热分区的排列方式，避免了冷热气流掺混和短路，可使低温送风气流在到达服务器进风口途中受到较少的热干扰，提高了空调能量利用率，但是热区（回风区）的热堆积现象较严重，热区内温度大于35。 Z=1m截面图Y=5m截面图

35、5.3降低送风口高度（工况3） 鉴于工况2存在的热区温度较高的问题，通过降低送风口高度的方法弥补工况2的不足。计算条件：送风口高度距地面2.4m，其它条件同工况2；计算结果如图10。 Z=1m截面图Y=5m截面图 由图10可见，由于送风口更为接近机架服务器的进风区域，送风气流沿途受到的热干扰进一步减少，冷区的温度较工况2降低了2为1921，已非常接近送风口的温度18，使得热区环境得到显著改善，热区温度大多降为2933左右。 5.4缩减送风口间距（工况4） 为了进一步降低工况3的服务器进口温度，改善机架周围区域的温度环境，提高空调能量利用系数，考虑在工况3的基础上进一步缩减送风口间距，提高送风气

36、流速度场和温度场分布的均匀性。计算条件：缩减送风口间距，单排8个送风口，其它条件同工况3；计算结果如图11。 Z=1m截面图Y=5m截面图 送风口距离的缩减，使冷区温度环境得到了进一步的改善，此时冷区温度较工况3又降低了1为18-20；同时热区的平均温度得到了改善。 5.5加强热区气流流动（工况5） 由工况24的计算结果可见，机架冷/热分区后，普遍存在的问题是热区出现热堆积现象，热区温度偏高。为了促进热区空气的流动，尽快流回至空调系统的回风口，避免热堆积，可考虑在工况4的基础上加设热区诱导风机，以促进热区气流流动。计算条件：在热区上部加设诱导风机，其它条件同工况4；计算结果如图12。 Z=1m

37、截面图Y=5m截面图 加设诱导风机后，热区的温度环境得到了明显改善，区域温度基本控制在35以下。 结论 笔者通过对北京地区一些IDC机房空调系统设计与运行状况的调研以及现场实测，对目前IDC机房空调系统在设计与运行管理过程中存在的一些问题有了一些初步的了解。针对存在的问题，结合理论分析与数值计算的方法，对IDC机房空调管道上送、自由侧回的气流组织设计方案分五种工况进行了初步的比较与优化，根据计算结果获得了如下一些认识： 1）服务器机架的排列方式对机房气流组织的影响较大，采用机架冷/热分区的排列方式（工况2）较冷/热不分区（工况1），可使服务器的进风温度大幅下降（计算模型结果下降了3左右），提高

38、了空调能量利用系数。 2）对于管道上送风的方式，建议将送风口尽量伸向机架区域，降低送风口离地面的高度（工况3）。其直接效果是，明显地减少了送风气流在到达服务器进风口途中所受到的热干扰，降低了送风温升。 3）缩减送风口间距、加大送风口密度措施（工况4），对改善服务器周围的环境温度的影响程度虽然不如工况3，但对改善冷/热区域温度场的均匀性有明显效果。 4）在热区上部加设诱导风机的方法（工况5），可加强热区气流的流动，避免热区热堆积现象的发生。 5）需要特别提出的是，根据美国ASHRAE标准（2007），现行设计规范中的设计温度是指通信设备（例如，服务器）进风口处的参数，而并非机房的平均参数，更不是

39、空调系统回风口处的参数。 参考文献 1美国采暖,制冷与空调工程师协会。DATAPROCESSINGANDELECTRONICOFFICEAREAS.ASHRAEHVAChandbook，2007 2电子计算机机房设计规范（GB50174-93），1993 3陶文铨.数值传热学.西安：西安交通大学出版社，2006 4美国采暖,制冷与空调工程师协会。INDOORENVIRONMENTALMODELINGD.ASHRAEHVAChandbook，2005机房气流组织来源：中国绿色数据中心 作者：机房360 更新时间：2009-5-6 22:12:26 摘要：大中型数据中心机房的电子设备密集布放，总冷

40、负荷比较大，每平方米大约在300600W，有的甚至更高，其中设备冷负荷占到80%以上。针对于机房的余热量大、发热源集中的特点，就需要有合理的气流组织的分配和分布，有效地将机房内的余热消除，保证电子设备对环境温湿度、洁净度、送风速度以及人员对舒适度的需要。 大中型数据中心机房的电子设备密集布放，总冷负荷比较大，每平方米大约在300600W，有的甚至更高，其中设备冷负荷占到80%以上。针对于机房的余热量大、发热源集中的特点，就需要有合理的气流组织的分配和分布，有效地将机房内的余热消除，保证电子设备对环境温湿度、洁净度、送风速度以及人员对舒适度的需要。一、气流组织确定机房的气流组织形式有下送上回、上

41、送侧回(下回)方式，气流组织形式的确定要考虑以下几个方面:(1)首先要依据设备冷却方式、安装方式，如设备或机柜自带冷却风扇或冷却盘管，目前较常见的设备和机柜的冷却方式都是从前面进风，后面域上部出风。(2)冷量的高效利用。使散热设备在冷空气的射流范围内。(3)机房建筑结构、平面布局。机房各个系统的建设要依托于建筑环境中，也受到这些因素的制约，如建筑层高、形状、面积等。二、气流组织形式(一)下送上回方式下送上回方式是大中型数据中心机房常用的方式，空调机组送出的低温空气迅速冷却设备，利用热力环流能有效利用冷空气冷却效率，因为热空气密度小、轻，它会往上升;冷空气密度大、沉，它会往下降，填补热空气上升留

42、下的空缺，形成气流的循环运动，这就是热力环流。热力环流不同于水平流动的风，它是空气上下垂直的对流运动，冷与热激发出气流缓慢的运动。跟风不一样，风能够改造局部环境的气候，而热力环流是气流运动的原始动力。利用气流的原始动力，可以不用设置动力设备，同样达到最佳的冷却效果，如图4-1所示。图4-1下送上回气流组织送风口可安装在高架活动地板上，也可用高架地板配套的风口板送风（见图42），地板下的空司可作为空调送风静压箱。静压箱可以减少送风系统动压、增加静压、稳定气流和减少气流振动，可使送风效果更加理想。空气经过地板上安装的风口板向设备和机柜送风。图4-2美国2005年4月发布的TIA942数据申心通信基

43、础架构标准中要求机房内计算机设备及机架采用"冷热通道"的安装方式。"冷热通道"的设备布置方式，打破常规，将机柜采用"背靠背、面对面"摆放，这样在两排机柜的正面面对通道中间布置冷风出口，形成一个冷空气区"冷通道"，冷空气流经设备后形成的热空气，排放到两排机柜背面中的"热通道"中，通过热通道上方布置的回风口回到空调系统，使整个机房气流、能量流流动通畅，提高了机房精密空调的利用率，进一步提高制冷效果，如图43所示。图4-3冷热通道示意图回风口可安装在天花板上，也可以利用穿孔的铝天花板回风，它的孔径不能

44、小于2mm，穿孔面积应在15%以上。回风同样也是利用天花板与楼板之间的构成的静压箱回风。下送上回风具有以下显著优点:(1)有效利用冷源，减少能耗。(2)机房内整齐、美观，所有线槽都可暗敷。(3)便于设备扩容和移位。采用地板下送风天花板上回风，在设计中需要注意以下问题。1、保持活动地板下一定的均压静压值机房内高架活动地板下的空间作为送风库，通风截面积大，截面竖向间隔有许多活动地板的支架，截面横向上间隔甚至重叠有许多电缆及通信线缆线槽，所有这些都造成空气沿送风方向上的压力损失。在线缆、线槽安装时应尽量避开空调机组，比较大的线槽方向宜与气流方向平行安装。如果送风距离较长，空调机组的机外余压虽能克服最

45、远端的阻力损失，但会造成送风近端和远端有较大的压差，不利于保持均匀的静压值，因此要尽量地控制地板下的送风距离。一般送风距离大于25m时，空调机组宜两侧分别布放。2、保证高架她板架空高度大中型电子计算机机房高架地板敷设高度宜在40Omm以上，有条件时应该尽量增加静压箱高度，这样可以保证在安装了大量线槽、线管后，仍不影响气流畅通。3、控制活动地板下送风风速风口板送风类似于局部孔板送风，要求送风风速小于3m/s，送风均匀。根据机房内设备集中布置的特点，为将局部大量的显热量带走，送风口需集中布置在设备前方进风口，在全压一定的情况下，这样会造成静压箱局部断面动压增大，静压减少。另外，由于空调送风量较大，

46、在集中布置的风口附近不宜再设置风口，否则有可能会变成吸风口。为避免这种现象发生，在风口板上宜安装调节阀，来调整局部的静压、动压值，以达到最佳送风效果。4、送回风风道净化处理灰尘落在电子插件上，会产生尘膜，既影响散热又影响绝缘效果甚至引起短路。同时灰尘也增加元件表面的热阻，导致元件过热而烧毁，所以机房应按A级机房内的尘埃标准设计。地板下和天花板上的送回风风道需做净化处理，装饰材料宜选择不起尘、不吸尘的材料。5、其他人员较多的房间不宜采用这种送风方式，因为送风温度较低，一般低于17，从底部送风，工作人员会有不舒适的感觉。(二)上送侧回(下回)方式上送侧回通常是采用全室空调送回风的方式，适用于中小型

47、机房。上送风可分为机房顶迭或紧靠机房顶下的上部侧送两种形式，后者较为常用。由顶部或侧上方送风的气流首先与室内空气混合，再进入设备或机柜内。机房顶部安装散流器或孔板风口送风，工作的气流小且均匀，人有良好的舒适感。但大多数计算机机柜的冷却的进风口是在下部或前方，排风口在机柜的上部。这样，顶部的送风气流先与机柜处上升的热气流混合，再进入机柜冷却设备，影响了机柜的冷却效果。由于机柜进风温度偏高，机柜内得不到良好的冷却效果，必然造成机柜内温度偏高，导致计算机不能进行工常的工作，如图4-4和图4-5所示。图4-4上送侧回气流组织(上部风帽侧送风) 图4-5上送侧回气流组织(风道顶送)采用上送侧回的气流组织

48、，对于散热量较大的机房，只有采用较低的送风温度(1316)，来维持机房内温湿度以及机柜散热的需要，这样会造成能源的浪费，而且较低的送风温度对工作人员也带来不舒适的感觉。上送侧回方式通常可在建筑层高较低时，机房面积不大时采用，但要保证送回风气流畅通，不被设备阻挡。空调机组送风出口处宜安装送风管道或送风帽，如采用管道送风，送风口可使用散流器或百叶风口。回风可通过室内直接回风，如有不同空调房间时，也可采用管道回风，但较少采用地板下回风。弥漫式送风方式送风的气流循环(三)弥漫式送风方式有的空调设备生厂商开发了一种新型的送风方式，即弥漫式送风，其制冷原理是依据冷热空气的热力环流进行设备的冷却。相对于下送

49、风方式，弥漫式送风不需要架空地板，而单位面积的热负荷可提高10%，同时房间层高降低。这种送风方式适用于小型机房，且送风距离宜控制在l5m。三、气流分配系统很多人不理解气流分配系统也是数据机房设计的一部分。由于过去机房负载心密度，不正确的气流分配不会造成严重的问题题。然而越来越高密度的负载，开始考验现在的气流分配单元，使一些问题逐步显现出来，例如所有机柜朝向同一方向设计，大多数情况出于美观的考虑，但实际上耗费了冷量资源和成本，以下介绍有关气流分配得细节。送风口与回风口设计机柜内气流路径和机柜布局是引导空气流通改进制冷效果的关键因素，但要确保最佳制冷效果，还有一个关键因素:送风口与回风口设计。这些

50、通风口的位置不当会使冷空气在到达设备前与热空气混合，从而引发上述各种效率问题和额外成本。送风口或回风口位置不当的情况很常见，几乎会抵消所有冷热通道设计的优势。送风口设计的关键在于将其置于尽可能接近设备进气口的位置，将冷空气限制在冷通道内。对于地板下送风方式的机房，意味着要将打孔地板放置于冷通道内。上送风与下送风系统一样有效，但关键还是要将回风口设置于冷通道的上部，而且这些通风口的设计必须能引导空气向下进入冷通道(而不是横向扩散)。在上送风系统与下送风系统中，任何通风口若位于不运行设备的区域，均应暂时关闭。因为这些通风口会阻止回风进入制冷系统，从而降低湿度。回风口设计的关键在于将其置于尽可能接近

51、设备排气口的位置，并从热通道收集热空气。在有条件的情况下，可以便用架空吊顶回风，这样回风口便可以轻松与热通道进行协调工作。当使用高敞开式整体回风天花板时，最好是将制冷系统的进风口尽可能地调高，并用管道连接热通道上方的回风口，以协调进风口与热通道。即便只有少数几个回风口与热通道协调的简单回风系统也比房间侧面的单一大型回风口效果要好。对于没有活动地板或管道系统的小房间，上送风系统与下送风系统通常位于墙角或墙边。在这些情况下，很难协调冷空气的输送和热空气的回风。通过以下方法可能会提高这些系统的效率。对于上送风设备，将其置于热通道的一端，并通过管道将冷空气送至尽可能远离制冷设备的冷通道。对于下送风设备

52、，将其置于冷通道的一端，并添加吊顶强制通风口或悬挂管道回风口，回风口位于热通道上方。一项关于回风位置不当的调查显示，根本原因主要是:个人感觉一些通道冷一些通道热，并认为这种情况不正常，试图通过将冷空气出风口移动到热通道并将热空气出风口移动到冷通道来加以调整。设计合理的机房旨在达到最佳工作状态，即冷热空气分离，但人们通常认为这是一种缺陷，他们会采取一些措施来混合空气，因而降低了系统效率并增加了成本。总结了送风口与回风口设计缺陷及解决方案。如何计算恒温恒湿机房内所需的冷量来源：中国绿色数据中心 作者：机房360 更新时间：2009-5-17 23:17:39 摘要：为了确定空调机的容量，以满足机房

53、温度、湿度、洁净度和送风速度的要求(简称四度要求)。必须首先计算机房的热负荷。 为了确定空调机的容量，以满足机房温度、湿度、洁净度和送风速度的要求(简称四度要求)。必须首先计算机房的热负荷。机房的热负荷主要来自两个方面：其一是机房内部产生的热量，它包括：室内计算机及外部设备的发热量，机房辅助设施和机房设备的发热量(电热、蒸气水温及其它发热体)。这些发热量显热大、潜热小； 照明发热(显热)； 工作人员的发热(显热小、潜热大)； 由于水分蒸发、凝结产生的热量(潜热)。 其二是机房外部产生的热量，它包括： 传导热。通过建筑物本体侵入的热量，如从墙壁、屋顶、隔断和地面传入机房的热量(显热)； 放射热(

54、也称辐射热)。由于太阳照射从玻璃窗直接进入房间的热量(显热)； 对流产生的热量。从门窗等缝隙侵入的高温室外空气(也包含水蒸气)所产生的热量(显热、潜热)； 为了使室内工作人员减少疲劳和有利于人体健康而引入的新鲜空气所产生的热量(包括显热和潜热)。 总之，人体放出的热量、缝隙风侵入的热量和换气带进的热量，不仅使室温升高，也会增加室内的含湿量，因此需要除湿。这部分热负荷称为潜热负荷，而机房内所有设备散发的热量只是室内的温度升高，这种热负荷称为显热负荷。与一般宾馆、办公室、会议室等潜热占有相当大比例所不同的是，计算机、程控机机房内的热负荷是以显热负荷为主。因此对于热负荷状况不同的场合应选用不同类型的空调机。通常用显热比(SFH)作为空调机的重要指标。 概略计算(也称为估算)在机房初始设计阶段，为了较快的选定空调机的容量，可采用此方法，即以单位面积所需冷量进行估算。计算机房（包括程控交换机房）： 楼层较高时，250300kcal/m2h楼