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CFD在数据中心节能中的应用—蒸发冷却

2020.04.15

蒸发冷却技术在中国的应用已经将近20年历史,虽然在公共建筑和工业建筑有大量工程案例,并取得了良好的节能效果,但是在数据中心行业还处于初步应用阶段,还没有成熟的实践经验可以直接借鉴。蒸发冷却,这种技术与传统的数据中心的送回风方式不同,蒸发冷却空调类型、控制参数及布局将直接影响机房热环境,因此非常有必要在设计蒸发冷却方案时,采用CFD仿真模拟机房热环境,验证方案的合理性。

近年来蒸发冷却技术在国内一些数据中心项目上的应用,有效降低了PUE值和运营成本。2019年5月CDCC发布了《数据中心间接蒸发冷却技术白皮书》引起行业极大的关注,结合国家对数据中心节能的要求,预计未来蒸发冷却技术和产品将会快速发展。因此本篇的重点旨在介绍在应用蒸发冷却技术时,如何采用CFD仿真技术模拟优化空调产品冷却性能及优化空调在数据中心机房的布局。

蒸发冷却技术的分类

蒸发冷却分为直接蒸发冷却和间接蒸发冷却技术,通过了解技术原理及部件组成,可以帮助建立CFD仿真模型,通过仿真模拟降低限制性条件对技术应用的影响,从而达成节能效果。

CFD在蒸发冷却技术中应用

如前述,蒸发冷却的效果与室内外环境,换热芯或湿膜的换热效率以及室内IT设备布局密切相关,需要采用CFD仿真技术,对气流组织进行验证,确保方案的可行性。

一、CFD在直接蒸发冷却中的应用

实际工程应用中,直接新风蒸发冷却系统存在房间级系统、预制化模块、微模块、机柜级系统这几种形式。

在进行直接蒸发冷却仿真时,需要仿真不同室外气候环境(温度、湿度)下空调的工作模式,比如夏季高温时,空调可能会采用动态控制技术调整风机转速、喷淋流量以满足空调对温度和湿度的控制要求;冬季低温低湿时,空调调整混风阀门控制,以防止结露等。

建立直接蒸发模型时,需要采用专业的CFD仿真软件6SigmaRoom根据空调结构,建立详细的空调模型,设置湿膜的类型、换热效率、风阻,过滤器的阻力特性,风机类型及风机PQ特性曲线等参数。当采用当机柜功率密度很高时,需要特别注意机柜和通道的密封,尽量减少气流的短路或热风回流。

输出结果除了考虑气流组织的合理性,还应综合考虑数据中心内各点的温度、湿度是否满足设计要求。

图7.36 某直接蒸发模型结构示意图

图7.37 某直接蒸发模型气流组织

图7.38 某直接蒸发模型温度截面图

图7.39 某直接蒸发模型湿度截面图

二、CFD在间接蒸发冷却中的应用

1、间接蒸发机组的模型建立

在进行CFD气流组织仿真时,需要特别准确输入空调各种模式下AHU的制冷特性以及控制策略和参数,具体如下:

  • 内部气流风量、通风孔位置;气温、湿度和风量控制方式(压差、温差、EC风机);

  • 外部气流风量、通风孔位置;空气温度、湿度等;

  • 蒸发冷却蒸发效率,水温、水流量;

  • 制冷模式(间接蒸发、机械制冷等)

  • 室外环境温度,如最高45℃,最低为–40℃。

2、评估安装机组布局方式

评估室内安装、楼顶安装、侧面堆叠安装等方式对机房热环境、设备性能的影响。

图7.40室内间接蒸发冷却流线图

图7.41楼顶间接蒸发冷却流线图

图7.42侧面堆叠间接蒸发冷却流线图

3、多运行模式下,仿真模型的控制及仿真

  • 应该根据IT负载及室外环境工况,在模型中设置多运行模式(干模式、湿模式、混合模式)联合仿真。

  • 实际运营机房,需要考虑换热芯体换热性能的衰减,校正制冷性能参数;

4、失效仿真

  • 仿真内部或外部单风机故障,机组制冷能力输出及气流分布的影响;

  • 仿真喷淋水泵故障,机组制冷能力输出的影响;

间接蒸发冷却输出结果,同样除了考虑气流组织的合理性,还应综合考虑数据中心内各点的温度、湿度是否满足设计要求。

以上内容来节选自《数据中心CFD技术白皮书》(2019.11)

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来自:yi321yi  > 基础设施
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