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CFD在数据中心节能中的应用——冷/热通道隔离技术

2020.01.08

工信部、国家能源局等相关部门从2017~2019年针对数据中心发布了一系列文件,要求新建大型、超大型数据中心的能耗效率(PUE)值达到1.4以下。数据中心主要集中的一线城市,北京、上海、深圳也陆续出台了数据中心PUE值要求,其中北京全市范围内禁止新建和扩建互联网数据服务中的数据中心(PUE值在1.4以下的云计算数据中心除外);上海市要求坚持用能限额,新建互联网数据中心PUE值严格控制在1.3以下,改建互联网数据中心PUE值严格控制在1.4以下;深圳市发改委规定PUE1.4以上的数据中心不享有支持,PUE值低于1.25的数据中心可享受新增能源消费量40%以上的支持。

冷/热通道隔离技术

数据中心机房中,气流的泄露、混合以及短路等会导致机房空调制冷效率低或制冷量浪费,并具有潜在的热点风险,冷/热通道隔离技术可以有效地改善以上问题。实际工程应用中,冷热通道隔离或多或少存在着缝隙或泄露,但CFD仿真技术可以量化实际泄露产生的影响,验证冷/热通道隔离技术的对气流的改善效果,其改善效果不仅可以采用机柜过热数量比例体现,还可采用机柜冷却指数RCI、供热指数SHI和机柜循环指数MCRI等进行评价,这些指标的数据可以通过CFD软件计算或测试获得,达到定性分析与定量评价的效果。

一、常见冷热通道隔离场景

早期的数据中心气流组织方案单一,没有进行冷热通道的隔离,现在新建机房设计由于冷热通道间可能会存在结构柱,或单列机柜不能形成冷热通道隔离,均会存在不同程度的气流泄露。常见数据机房在进行冷热通道隔离时的场景概括如下:

  • 机柜不完整(有缺失);
  • 冷通道经过柱子(建筑结构柱),且柱子突出机柜面;
  • 机柜宽度不规则或两列机柜间存在错位;
  • 单列机柜(不近墙);
  • 单列机柜(近墙);
  • 机柜高度不一。

冷通道隔离场景

针对改善方案进行CFD模拟时,如果密封模型不结合实际施工水平,完全封闭,会过于理想,导致仿真的温度相比实际要低。因此在建模密封模型时,需要根据实际工艺水平,考虑密闭通道的门缝、封闭的挡板、通道顶部、机柜盲板以及机柜侧板等部位的缝隙,一般在1~5mm不等,也可以根据局部面积采用泄露率(空隙所占面积比例)要综合设置。对于设计中的机房,该参数可以作为设计指标,是对施工工艺的综合要求。

二、CFD仿真在冷热通道隔离的应用

对于存量的老旧机房,改造成完整的冷热封闭通道,有时候会比较困难,但是可以做局部的改进,以便改善气流。利用CFD仿真可以找出气流短路和热点所在位置,找出产生局部热点的原因,有针对性的进行优化改进,同时还可以利用CFD仿真对冷热气流隔离方案进行验证,评估改造效果及实施的可行性。

机柜气流组织的优良,可以采用第三方热评价指标评价机柜热健康状况。如机柜冷却指数RCI,量化了机柜过热或过冷的程度;供热指数SHI,量化冷气进入IT设备之前与热空气的混合程度;机柜循环指数MCRI,量化了机柜内部热回流的程度。RCI指标可以评价机柜过热或过冷的水平,SHI和MCRI用于分析冷气进入机柜前和进入机柜后被加热的程度。

1、气流故障诊断

如图所示,利用CFD仿真对未进行冷热通道隔离的机房进行诊断分析,分析气流存在的问题及原因。

CFD技术进行机房气流组织评估

2、改造方案验证

如图所示机房,采用下送风空调方案,改造前,冷、热通道未进行隔离,且每列机柜没有布满,整个机房中空调满配运行,现对其进行冷热通道隔离改造,并利用CFD仿真对改造效果进行评估,结果发现停机一台空调仍可满足机房冷却的要求。

冷热通道隔离技术有两个效果,一是冷通道温度更加均匀,二是减少冷却气流的浪费。在相同的机柜入口温度情况下,改造后的方案,可以提升冷冻水的供回水温度,提升冷机工作效率,达到节能效果。提升精密空调的送风温度,可能会引起IT服务器风机功耗及芯片功耗增加,导致IT设备总功耗增加,可以采用CFD软件评估获得该温度。在IT设备负载和风量需求不变的情况下,还可以降低精密空调风机转速,减少风量输出,从而达到空调末端的节能,节能效果可以采用风扇定律评估功率变化。

改造效果评估

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来自:yi321yi  > 基础设施
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