【技术分析】4kw机柜无通道封闭CFD模拟分析及优化(上篇)

 

随着数据中心行业的快速发展，IT机柜的密度也在持续增长，IT机柜密度的增长，对机房内气流组织的要求也越来越严格。针对IT机房的气流组织，现在普遍的做法是划分冷热通道，至于冷热通道封闭与否，一直是业内争议的问题。毕竟进行冷热通道封闭，会带来初投资不小的增加，而在低密的情况下，费效比可能会得不偿失。

 

一、6Sigma软件简介

 

6SigmaDC和一般CFD软件最大不同之处在于除了可当作设计工具外，还可针对数据中心的热管理提供最完整的解决方案。借助6SigmaDC的分析和模拟，用户可以减少产品设计成本、降低数据中心基础设施的运行和维护成本、提高数据中心的使用寿命。

 

6SigmaRoom是6SigmaDC下的一个分支，为机房设计或者对现有机房改进升级而特别设计的软件工具，可以完全控制机房的构造以及设备的配置。6SigmaRoom 模型的构建，能用来了解冷却系统和 IT 设备的摆放，同时也包括电力系统、线缆及管路安排，以及彼此间的相互作用。6SigmaRoom可以用来评估新机房在概念设计及配置阶段的热特性，或是针对既有机房面临功率密度日益增加的挑战下所表现的效能。

 

 

二、综述

 

1、模拟机房的基本信息：

1)、提供机房详细的CFD模拟气流组织模拟。模型基本参数如下：

• 机房总面积600m2（含精密空调间），精密空调间面积：160m2。
• 机房层高6000mm,架空地板高度800mm,无吊顶。
• 地板送风口开孔率为50%，局部不利点调整为60%。
• IT机房冷通道设计送风温度23℃，热通道设计回风温度35℃。
• 精密空调2N配置，6用6备，平时均满负荷运行。显冷量为131KW，风量33000m3/h, 送风温度设定为22度。
• 空调送风形式为地板下送风，回风形式为侧墙开百叶上回风形式。
• 高架地板送风+无冷热通道封闭+侧墙上回风的气流组织形式。

 

2)、模拟机房的CAD平面图:

其中包含了墙、柱、门、IT机柜、架空地板、送风格栅、回风格栅、精密空调、加湿器、RPP等主要设备设施。

 

 

 

2、方案比较

机房方案1(双侧全开)：

• IT 机柜数量160台，单台功率4kw，IT总功率640KW。
• 电气列头柜PDR：0.5KW/台*20台,总功率10kw。
• 精密空调12台全部55%运行。
• 精密空调出风温度设定为22℃。

 

机房方案2(单侧送风)：

• IT 机柜数量160台，单台功率4kw，IT总功率640KW。
• 电气列头柜PDR：0.5KW/台*20台,总功率10kw。
• 精密空调一侧6台100%运行，另一侧6台关闭。
• 精密空调出风温度设定为22℃。

 

 

三、CFD模型气流组织详细分析

 

1、方案1(双侧全开) CFD模型分析

1)、双侧全开模型基本参数

• 数据机房总面积：600m2, 其中精密空调间面积：160m2。
• IT 机柜数量160台，IT总功率640KW。
• 电气列头柜PDR：0.5KW/台*20台,总功率10kw。
• 空调显冷量0.5*131KW/台*12台=786 KW
• 精密空调电量5KW，送风温度设定为22度

 

2)、机房方案1(双侧全开) IT设备参数 

图1 机房设备参数布置图

 

3)、机房方案1(双侧全开)模型

 

图2 机房模型图

 

4)、机房方案1(双侧全开)气流分布情况

 

 

图3 机房气流分布图(双侧全开)

 

5)、机房方案1(双侧全开)机柜平均进出风温度分布

 

 

图4 机房机柜平均进风温度分布图

（平均进风最高温度23.9度/平均进风最低温度22.7度）

机柜平均最高与最低进风温度差为：23.9-22.7=1.2度

 

图5 机房机柜平均出风温度分布图

（平均出风最高温度38.7度/平均出风最低温度37.4度）

平均最高与最低出风温度差为：38.7-37.4=1.3度

机柜进出风温差：38.7-23.9=14.8度；37.4-22.7=14.7度

 

 

6)、机房方案1(双侧全开)中Y平面温度分布

 

 

图6 机房Y=机柜底部温度分布图

   

图7 机房Y=机柜中部温度分布图

   

图8 机房Y=机柜顶部温度分布图

 

7)、机房方案1(双侧全开)精密空调的送回风温度布置图

 

 

图9 机房精密空调的送风温度布置图

（送风温度设定22度）

   

图10 机房精密空调的回风温度布置图

（回风最高温度31.9度/回风最低温度29.4度）

最高与最低回风温度差：31.9-29.4=2.5度。

31.9-22=9.9度；29.4-22=7.4度。

 

8)、机房模型(双侧全开)精密空调实际负荷率布置图

 

 

图11 机房精密空调运行负荷率布置图

 

9)、机房方案1(双侧全开)模型分析结论

 

• 此模型大部分IT机柜的平均进风温度都在23℃，部分机柜的平均进风温度到达23.9℃。机柜的平均排风温度在37.4到38.7℃之间。平均进出风温差14.8℃。
• IT机柜出风温度偏高的部分普遍分布在每列机柜的端头。
• 精密空调平均供风温度22℃，回风最高温度31.9度/回风最低温度29.4度，平均回风温度30.7℃。平均进出风温差8.7℃。
• 由于冷热通道未封闭，在精密空调平均进出风温差为8.7℃的情况下，IT机柜的平均进出风温差达到了14.8℃左右。也就说，有很大部分精密空调送出的冷风直接与机柜热出风混合后回到了精密空调，并未有效送入IT机柜内。混风度为：（14.8-8.7）/8.7=70%。
• 机柜平均最高与最低进风温度差为：23.9-22.7=1.2度，机柜进风不均匀度为：1.2/22.7=5.3%。IT机房冷通道送风温度与精密空调出风温度偏差为：23.9-22=1.9度，22.7-22=0.7度。
• 精密空调最高与最低回风温度差：31.9-29.4=2.5度。精密空调回风不均匀度为：2.5/29.4=8.5%。
• 机柜平均最高与最低出风温度差为：38.7-37.4=1.3度，机柜出风不均匀度为：1.3/37.4=3.5%。
• IT机房热通道回风温度与设计值偏差为：38.7-35=3.7度，37.4-35=-2.4度。最大偏率为：3.7/35=10.6%，最小偏差率为：7.0%
• 精密空调运行有负载率不均现象。
• 以上参数，均已是调整过通风地板开度后的最佳数值，通过调整部分不利点开孔地板的阀门开度，保证了所有机柜均在安全范围内运行。