摘 要

随着信息产业和计算机技术的高速发展，数据中心规模正在逐渐扩大。数据中心机房不同于传统建筑，其单位发热量较大，且机房内的设备需要全天24小时不间断运行，不仅自身消耗大量的电力，也需要空调系统解决设备的发热。因此，机房的能耗问题越来越被人们所重视。

目前，对于数据中心机房空调系统相关研究多集中在合理气流组织设计、引用自然冷源、空调系统改进三方面。本文介绍了不同送回风方式的特点，并针对机房布置和实际热负荷的差异，选取合适的送回风方式，以保障设备的正常运行。

对于数据中心机房热环境的研究，通常采用实验测试或CFD 数值模拟的方法，并据此为机房的节能优化提供依据。本文以武汉市某数据中心机房为研究对象，通过实验仪器测量温度和风速，并利用CFD模拟软件6SigmaRoom建立仿真模型，将所测得实验数据作为边界条件，并将模拟结果值与实际值对比，验证模型的合理性。在此基础上，对该数据中心机房进行优化设计，并将优化前后该机房热环境与性能指标进行对比，验证优化设计的有效性。本文的研究结果可为机房的后续优化工作提供参考。

关键词：数据中心；热环境；实验研究；CFD模拟；优化设计

Abstract

With the rapid development of information industry and computer technology, data center scale is gradually expanding.The data center computer room is different from the traditional building, and its unit calorific value is larger.Since equipment in the data center needs to work uninterruptedly 24 hours a day, not only a large amount of electricity is consumed by itself, but also air conditioning system is needed to solve the heating by the equipment.Therefore, the energy consumption of the machine room has been paid more and more attention.

At present, the research on the air conditioning system of the data center is mainly focused on the design of reasonable airflow, the reference of natural cold source, and the improvement of air conditioning system.In this paper, the characteristics of different modes of air supply and return are introduced. According to the difference between the layout of the machine room and the actual thermal load, the appropriate return air mode is selected to ensure the normal operation of the equipment.

For the evaluation of the thermal environment of the data center, the method of experimental measurement or CFD numerical simulation is usually adopted, which provides the basis for the energy saving optimization of the date center.This paper takes a small data center machine room in Wuhan as the research object, measures the temperature and wind speed through the experimental instrument.The simulation model was established by using CFD simulation software 6SigmaRoom, and the measured experimental data was used as the boundary condition,and compares the simulated result with the actual value to verify the rationality of the model.On this basis, the optimal design of the data center computer room was optimized, and the thermal environment and performance indexes of the machine room were compared before and after optimization to verify the effectiveness of the optimized design.The results of this study can provide a reference for the further optimization of date center.

Keywords:data center;thermal environment;experimental research;CFD simulation;optimal design

目 录

摘 要 I

Abstract Ⅱ

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.1.1数据中心的发展现状 1

1.1.2数据中心的能耗现状 2

1.2国内外研究现状 3

1.2.1国外学者研究现状 3

1.2.2国内学者研究现状 4

1.3本文的工作及创新点 5

1.3.1本文的工作 5

1.3.2创新点 5

1.4本章小结 6

第二章 机房空调送风方式的理论分析 7

2.1机房空调与传统空调的对比 7

2.1.1机房空调概述 7

2.1.2机房空调与传统空调的差异 8

2.2机房空调常用送风方式 9

2.2.1地板下送风 9

2.2.2上送风 11

2.2.3列间送风 12

2.3机房常用送风方式的设计方案对比 12

2.4本章小结 13

第三章 机房现场测试 14

3.1机房概述 14

3.2测试仪器 15

3.3实验测量 16

3.3.1冷通道送风口测量 16

3.3.2回风口测量 18

3.3.3典型测点测量 20

3.3.4机柜进出口测量 22

3.4本章小结 23

第四章 机房模型建立与验证 24

4.1机房数学模型 24

4.1.1控制方程 24

4.1.2 CFD模拟软件介绍 25

4.2机房物理模型 26

4.2.1送风口模型与边界条件 26

4.2.2回风口模型与边界条件 26

4.2.3机柜模型和边界条件 26

4.3机房模型验证 27

4.3.1温度场对比 28

4.3.2速度场对比 29

4.4本章小结 30

第五章 模型结果分析与优化设计 31

5.1结果分析 31

5.1.1模型温度场分析 31

5.1.2送回风流场分析 32

5.2优化设计 32

5.3优化结果对比 33

5.3.1温度场对比 33

5.3.2流场对比 34

5.4本章小结 35

第六章 总结 36

参考文献 37

附 录............................................................................................................................................. 39

致 谢 40

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1数据中心的发展现状

第二次世界大战以后，计算机的发明，互联网的建立，带来了信息产业的蓬勃发展。互联网数据中心，英文缩写为IDC（Internet Data Center)。谷歌公司在其发布的《The Data center as a Computer》一书中，将数据中心解释为：“多功能的建筑物，能容纳多个服务器以及通信设备。这些设备被放置在一起是因为它们具有相同的对环境的要求以及物理安全上的需求，并且这样放置便于维护”，而“并不仅仅是一些服务器的集合”。

数据中心机房作为信息传递、加速、展示、计算、存储的场所，广泛应用于生产、生活当中。近年来，随着“互联网 ”战略的提出人工智能、智能终端等技术领域的应用，带来了数据中心产业的高速发展，如图1.1，全球IDC产业规模高速增长。

图1.1 2010-2016年全球IDC规模

中国的数据中心产业每年保持在40%左右的增长率，2016年整体规模达到715亿元人民币。产业的高速增长得益于国家政策的扶持，国内互联网产业发展比较快，而且这两年移动互联网视频行业爆发增长也给数据中心产业带来很大的帮助。到2018年，数据密集型行业将有35%的企业采用数据中心，企业ICT支出的45%将用于主机代管、托管云和公共云数据中心。根据预测，到2019年（如图1.2），全球电信网络流量99%和数据中心相关，而中国的市场规模将达到1900亿元^[1]。

图1.2 2016-2019年IDC市场规模预

1.1.2数据中心的能耗现状

随着数据中心产业的高速发展，带来的能耗问题也越来越受到关注。中国现有各类数据中心或计算机机房约43万个，数量约占全球13%。其中经营性IDC机房921个，面积达到88万平方米，17.7万个机柜，能容纳200多万台服务器。这些服务器要保持每天24小时，一年365天不间断运行，不仅设备运行需要消耗大量的电力，同时为了达到数据中心各种参数要求^[2] （如表1.1），需要空调系统除去其产生的巨大发热量。据统计，我国数据中心的能耗已占社会总能耗的2%，占全国建筑总能耗的10%，相当于三峡大坝全年的发电量，即988亿千瓦时。

表1.1 数据中心参数要求

数据中心的能耗主要来源于IT设备、空调系统、照明设备、电源系统四个方面。如图1.3所示，空调系统和IT设备占去了用电量能耗的大部分，因此，美国国家科学基金会建立南极数据中心，Facebook公司建立位于北极圈以南100公里的瑞典吕勒奥镇数据中心，来节省空调系统制冷的能耗。由此可见，对数据中心热环境的研究，并提出针对性的改善措施，对于减少能耗、降低成本、实现可持续发展具有重要意义。

由绿色网格组织（The Green Grid）倡导的，数据中心电能利用效率指标（Power Usage Effectiveness,PUE）能很好的反应出数据中心的能耗占比，见公式1.1。其定义是数据中心所有能耗与用于IT设备的能耗之比。一般情况下，PUE值基准为2，越接近1表明数据中心的能源利用效率越高^[3]。

图1.3 数据中心能耗组成

1.2国内外研究现状

1.2.1国外学者研究现状

1974年，丹麦学者Nielsen^[4]首次将计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）用于暖通空调工程领域，对通风房间内的空气流动进行模拟。之后短短的20多年内，CFD技术在暖通空调工程中的研究和应用进行得如火如荼。CFD技术因其简洁、快速、高效、成本低的特点，成为数据中心热环境的研究的有力工具，受到国内外学者的青睐。学者Patel 建立了采用上送上回送风方式的空调系统的机房模型，利用 Fluent 软件进行求解，通过模拟结果与实测数据的对比，得出结果与实测误差在允许范围内，证明了CFD技术的可行性。

墨尔本大学Habibi Khalaj,Ali^[5]等人对于冷却系统的类型，空气冷却或液体冷却进行了研究。提出了对于空气冷却数据中心热模拟及其能量优化方法，并对直接液体冷却数据中心的池沸腾、射流冲击、喷淋冷却和间接液体冷却数据中心的单相、两相和热管冷却进行了性能比较。讨论了空气侧和水侧两种主要的自由冷却方式，并对其性能特点进行了比较。

Cho J^[6]等介绍了在高密度数据中心中分析垂直过道分区系统的性能指标的使用。机架冷却指数（RCI）是衡量系统在制造商的规格内冷却IT服务器的程度的一种度量，而返回温度指数（RTI）是空气管理系统的能量性能的量度。并利用CFD模拟计算了通道间距（RCI）和RTI（返回温度指数），评估了过道分隔系统中的热设备环境。

Gondipalli S^[7] 等认识到数据中心热环境的动态性，其有效的热管理是一个需要解决的巨大挑战。提出数据中心热环境高度依赖于随时间变化的边界条件，即服务器功率和CRAC流量的波动。通过数据中心的瞬态建模，详细讨论了随时间变化的边界条件对机架入口温度的影响，并分析了机架功率和CRAC流量变化对机架进气温度瞬态波动的影响。

Fulpagare, Y^[8]等研究数据中心机架级热动态特性。提出了机架级响应实验和瞬态计算流体动力学（CFD）分析来表征系统的局部热环境。设计一个单一的服务器模拟器架和它的两个相邻的机架，其冷和热通道的封闭，建模为已知的冷空气供应温度和流动速度的瞬时CFD模型。提供了详细的瞬态CFD分析数据中心机架，得出了机架级动力学对数据中心热环境的影响。提供了多孔介质的方法来模拟服务器和多重网格方法，以提高计算速度。同时，在数据中心机架附近表征局部动态的思想是独特的。

1.2.2国内学者研究现状

随着中国数据中心产业的快速发展，数据中心热环境的研究逐渐引起国内学者的注意。国内学者的研究主要针对以下两方面：对老机房的节能改造；对现有机房的气流组织提出改善措施。

台湾交通大学学者I-Nuo Wang^[9]等人在改善集装箱数据中心的气流和温度分布的研究中，基于改进的地板设计进行了仿真。研究发现，高地板高度对水流分布有显著影响。一般来说，靠近CRAC单元的入口区域的多孔砖的流动率较低的多孔砖的后部。凸起楼层高度降低时，异常分布更为严重。为了改善气流和温度，提出了一种抽屉式机架，可增加有效的热通道空间，减少冷通道空间。通过这种设计，热空气再循环和冷空气旁路将大大减少。结果表明，与传统的抽屉式机架相比，抽屉式机架的最大入口温度可降低13.3℃。

东南大学张凯^[10]等人利用CFD软件Airpak中将太阳能烟囱与地板下送风系统集成。利用所建立的模型，对冷热通道上横向设置的太阳能烟囱、冷热通道上纵向设置的太阳能烟囱进行了数值模拟。表明太阳烟囱在提供更好的温度和气流分布方面具有很大的潜力。特别是在冷通道上方的太阳能烟囱的情况下，冷通道上部区域的温度可以降低13℃，并且机架内部的温度场得到了很大的改善，而不需要任何额外的功率。

原世杰^[11]等对数据中心机房热环境评价指标的国内外研究现状进行分析归纳；并以南京某数据中心工程为例，应用CFD模拟软件进行仿真模拟和分析。该机房采用“架空地板下送风”的气流组织形式，当冷热通道分离时，通过对比机柜平均出风温度、地板格栅出风量、重要截面温度场、空调送回风气流组织、机房热环境评价指标等参数，来探讨四种不同封闭工况对机房热环境的影响。其中，工况A，未采取任何封闭措施；工况B，冷通道全封闭；工况C，冷通道部分封闭（未设置封闭门）；工况D，热通道全封闭。结果发现：在各工况条件下，均表现出机组近端出风量较少的特性；参照工况A，工况B、工况D的供热指数SHI分别降低97.1％和76.5％，说明在工况B下，冷热气流掺混较少，冷量利用率高。

陈杰^[12]以某机房改造项目为例，介绍了一种适合小型机房、简单且容易实现的通道封闭方案，解决了封闭通道的消防问题。该方案封闭通道顶部采用翻版设计，正常状态下，翻板由限位装置固定在支架上，使通道密封不透气；发生火灾时，翻板可即刻打开，使灭火气体由翻板外进入封闭空间内，达到灭火目的。通过CFD模拟计算，对比冷通道封闭前后机柜进排风温度、空调送回风气流、机房房间温度等参数，证明当冷通道完全封闭时，更有利于服务器冷却，并能减少气流短路现象。

张杰^[13]等应用计算流体力学软件Fluent对天津市某数据中心机房进行数值模拟，将实验数据作为边界条件，并验证了该模型的准确性。针对该数据中心存在局部过热、空调系统耗电量过大等问题，提出了采用风管回风、局部增加智能排风扇的改进措施。研究发现：改用上部排风管系统，虽能耗水平降低，但过热区域的改善效果并不够理想；增加局部排风扇后，能够有效消除局部过热及降低能耗，使机房气流组织得到了改善。

1.3本文的工作及创新点

1.3.1本文的工作

本文所模拟的机房位于武汉市。所测机房位于大厦二楼。首先通过现场测量，得到机房的几何数据、空间布局，以及机柜数量、位置和尺寸等。采用仪器测量机柜进出口、冷通道送风口、空调回风口以及典型测点的风速、风温；利用热成像仪得到机房的热成像图。采用CFD软件：6SigmaDC对该机房进行模拟并将模拟结果与现场测试相比较来验证模型的合理性。最后，改变机房的送风方式，来探讨不同送风方式对机房热环境的影响；并针对该机房提出合理可行的优化措施。

1.3.2创新点

1. 分析了空调不同送风方式对机房热环境的影响，通过比较得出不同送风方式的优缺点，并得出该机房最佳送风方式。
2. 将机房的热负荷视为一个动态的参数，分析了不同时间段热负荷变化的原因，针对性的模拟了送风温度的动态变化过程。

1.4本章小结

本章首先介绍了本文的研究背景，信息时代的快速发展带来了数据中心产业规模扩大，造成的能源问题引起人们的关注，对于数据中心节能研究与优化成为一个越来越突出的课题；其次，对于数据中心的研究现状做了介绍，包括国内外学者对数据中心研究的发展过程。主要是利用CFD软件模拟分析，并提出针对性的优化措施；最后，简述了本文的工作及创新点。

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