气流组织优化：数据中心节能的魔术手

一、引言

1946年数据中心诞生于美国，至今已经历4个阶段近70年的发展历程，数据中心从最初仅用于存储的巨型机，逐渐转向多功能、模块化、产品化、绿色化和智能化。在越来越注重节能和精细化的今天，数据中心的每一个细节设计都闪耀着工程师智慧的光芒。他们对于数据中心的规划设计，不再满足于仅停留在功能这一基本的要求上，现在的数据中心你会看到更多关于节能环保及工程之美、绿色之美等设计理念。

评价数据中心的优劣，与其提供的服务质量，成本控制及绿色程度密切相关。能够提供稳定及具备高可用性的服务是对云服务商和数据中心的基本要求。在此基础上具备良好的成本控制能力是数据中心综合能力的体现。此外，《穹顶之下》已为我们揭开的环境污染遮羞布，不容许作为占全球用电量1.5%的数据中心行业保持沉默。绿色程度，是数据中心勇于承担社会责任的诠释。

数据中心稳定运行的前提是必须保证各个设备部件的正常工作，目前保证各个设备部件正常工作的做法是由运维人员定期进行设备巡检，依靠运维人员的个人经验以及给设备设定的告警阀值进行判断。由于没有准确的判断标准，或因告警阀值设置不合理而出现资源浪费甚至因延迟事故告警时间影响数据中心稳定运行是目前让运维人员非常头痛的问题。基于此，本文引入计算流体力学仿真软件，将机房物理建模（CFD仿真），根据机房实际负荷计算并展示出机房目前的气流组织及机房空调冷量使用情况。发现机房过热或者过冷区域，通过模拟调节，寻找最佳气流组织设置方案，消除局部过热及过冷现象，以期达到消除安全隐患，发掘节能潜力的目的。

1、CFD实例说明

下面结合具体事例阐述气流组织合理设计配置的重要意义。

某机房，自2012年7月投入使用以来已运行了2个年头。为评估目前机房内散热性能是否与初始设计一致，需要对机房内的热物理参数进行分析。但是，气流具有不可视且流动性强的特点，若直接采集数据工作量极大，且分析工作难度很大。本文采用CFD仿真模拟，计算出机房内的温度场、压力场和速度场等数据，直观地展示关键热物理参数，大大降低分析气流与传热过程的难度，给气流组织优化设计配置工作带来极大便利。

1.1.机房基本信息及建模

某运营商合建机房位于中国南方热带地区（该地区普通数据中心PUE约1.7~2.0），由物流仓储改造而成，面积约数百平方米。部署了10列机柜数千台服务器。每个机柜设计电流20A。机柜采用冷暖通道布置，且冷通道封闭。制冷采用11台某品牌某型号空调，按照7用4备的运行方式为机房提供冷量。根据机房的建筑结构、IT设备、制冷设备、配电设备等实际布局建立物理模型如图1所示。

图1 某机房布局仿真模型图

1.2.机房初始状态现象描述

以现场实际采集电、冷、风的相关数据作为输入条件，模拟出机房目前的运行状态。图2、3是通过计算得到的机房静压箱内压力温度分布和机房空间内压力温度分布情况。

从静压箱的压力分布情况（图2a）来看，静压箱下压力分布并不均匀。在房间中部出现了绿色区域，表明了机房中部存在低气压甚至负压现象，负压会使得气流倒流，影响冷热空气的正常循环，应尽量避免。

图2静压箱中热参数图

从（图2b）静压箱的温度分布情况可以看出，机房地板下的冷空气中出现了2个局部温度偏高的区域（绿色）。如果不及时处理，这部分“问题”的冷空气可能会进入机柜。由于这部分冷空气温度与设计值不一致，将无法按设计要求带走相应的热量，从而影响后续一系列换热过程。此外，该高温区域的气流还会对静压箱中其他部位的冷空气造成“污染”，消耗一部分由其他空调产生的冷量。

图3 机房中的热参数图

图3展示的是机房空间中的压力和温度分布情况，从图中可以看出，机房区域温度场分布不均匀，底部第一个冷通道内左右两侧存在温差。机房整体呈现中部较冷，上下部偏热的情况。

1.3.原因分析

根据静压箱中温度不均匀现象，结合调取空调运行参数（图4）综合分析发现，空调送风温度不均匀、水阀开度差别很大，风机基本都维持在高速运转的区域，能耗较大。

图4 空调运行参数

如图4显示173号、180号两台空调水阀开度零，表明他们并未开启。也就是说，这两台空调没有起到制冷作用，仅仅是作为风扇，将热通道的回风未加任何冷处理直接送入地板下，这才出现了173号、180号两台空调送风温度偏高现象（图4）从而使与之相对应的冷通道出现温度偏高的情况（图3b）。173号空调输送的热风与其对面的177号空调输送的冷风进入同一个冷通道，导致给该通道机柜送风的冷通道出现了左热右冷的情况（图3b）。自动调节模式关闭了173号、180号两台空调水阀，客观上证明了机房空间开启的5台空调所产生的冷量已能够满足IT设备散热需求。如再增加新的空调设备，不但不会减轻其他空调的负担，反而使其负荷增加，既影响IT设备散热，又加大了数据中心运行成本，据此我们建议关停部分空调。

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