空调布局对机房内燕环境影响的试验与仿真研究

随着信息产业的蓬勃发展，通信机房设备集成度越来越高，发热量越来越大，导致机房温度控制成为数据中心节能的首要难题。对暖通专业来说，电子通信和数据机房的空调制冷要求也越来越高，在提高空调系统效率的同时降低能耗已成为空调系统设计、调试、安装、运行过程中的一项艰巨任务。关于机房专用空调能效比的研究已经取得了很大进展，但是对于整个机房环境的改善以及节能来说，提高空调系统能效比和改善机房内的冷量利用率同样重要，然而这一方面的研究目前还很少。根据文献可知，在现有技术条件下，通过提高机房冷量利用率，至少可以节省25%的冷量，因此，提高机房冷量利用率对于改善机房热管理以及节能具有非常重要的意义。

由于机房空调系统具有大风量、小焓差、高显热比、无新风及空调室内机兼作回风用等特点，室内机的布局直接影响回风效果甚至整个机房气流组织的好坏.影响整个机房的供冷及节能;另一方面，机房设备要求不间断运行，使得采用试验研究空调布局对机房供冷及节能的影响难度很大。本文采用试验和计算机仿真相结合的方法，首先利用现有空调布局形式下的试验数据验证模型的合理性，然后在此基础上提出了其他两种空调布局形式，通过对机房中温度场和速度场进行分析，研究空调室内机的布局形式对于整个数据机房热环境的影响，为数据机房空调系统的设计以及调试提供指导，以改善机房热管理，提高机房的冷量利用率。

1数据机房的试验测试及分析

1.1机房概述及试验测试

选取广州移动公司某典型机房为研究对象，机房平面布局及设备几何参数如图1a所示。该机房采用上送侧回的气流组织形式，2套空调系统供冷，空调室内机兼作回风用，冷风由空调室内机顶部送出，进入2条主送风管后经9条支风管送往机房各处，再由百叶出风口送至室内，送风口距地面3m，冷空气首先和机房内的空气混合，再通过设备自带风机进入需冷却的设备，排除的热风进入回风口降温、除尘、加湿后进行二次循环。整个循环利用出风口产生的正压以及空调自身电动机工作产生的负压来完成。

试验测试通过建立机房内测量阵来进行，如图作常数，即除考虑温差引起的浮力项外，空气的特征1a所示，测量参数包括各个送风口参数，机房0.3，1.2以及1.8m高处测量主要测试仪器包括铜一康铜T形热电偶(量程一20～50℃，精度0.1℃，数据记录间隔时间为5s)和热球风速仪(量程0.1～30m/s，精度0.1m/s)。 
  

1.2实验结果与分析

测量得到主送风管1(连接支风管a～e)和2(连接支风管f～i)的送风温度分别为13℃和13.6℃。主风管和支风管之间采用标准的法兰连接，并用10mm宽的防火型8501胶条密封。各送风口风速见表1，各列机柜散热量如图1所示。

从整个机房的设备分布来看，大功率设备分别安装在机房两边，主风管l和2有0.6℃的送风温差，同时送往回风远端的风量大于近端，这样设的的目的在于尽量降低机房中部环境温度，同时利用压差回风。而测量结果表明其效果并不明显，沿回风方向温度有不断升高的趋势，这是因为从机架出来的热空气都要穿过机房中部到达回风口，同时不断加热周围空气使机房中部环境温度升高，从而使机房室内环境恶化，空调室内机布局不合理、回风口过于集中成为引起整个机房回风不畅的主要原因，下面通过模拟改变空调布局形式来优化整个房间的气流组织进而改善整个机房的热环境。

2空调室内机组布局形式对供冷影响的仿真研究

2.1空调机房仿真模型的建立与求解

以该测试机房为研究对象建立物理模型，几何参数和设备布局见图1a。针对改善整个机房气流循环、提高冷量利用率，在模型建立时作如下假设。1)气流为稳态、不可压缩的黏性流体。2)采用Boussinesq假设，该假设包括：①流体内黏性耗散忽略不计;②除密度外，其他物性参数为常数;③。对密度仅考虑动量方程中与体积力有关的项，其余各项中的密度则可看作常数，即除考虑温差引起的浮力项外，空气的特征参数均为定值。模拟采用的数学模型表达式如下：

首先对模型进行简化，空调室内机结构及静压箱、风管不作具体考虑，将送风口的测试数据作为入口边界条件，空调室内机简化为回风口，只考虑布局的变化。墙体的冷热负荷采用第二类边界条件，即定热流密度(160W/m2)；照明设备的热负荷折算为屋顶热流密度，其值为40W/m2;机架按照热通量边界条件处理，不考虑机架内部具体设备分布情况，内部设备热源辐射忽略不计。运用测量阵测得的温度值验证模型的合理性。

采用CFD软件Fluent6.3进行模拟，用控制容积法离散微分方程组，采用SIMPLE算法求解速度压力耦合方程。扩散项采用中心差分的离散格式，动量方程与能量方程的离散格式选用一阶迎风格式，Fluent6.3软件选用已标定残差来控制方程的收敛精度，模拟时各计算残差曲线都趋于水平以保证各参数值的稳定。

2.2仿真模型的数值验证

首先对模型进行了网格数量敏感性验证，以测量阵测得的各点的温度、速度值为依据，研究不同网格类型和数量下模拟值与测试值的差异。通过验证得到在网格计算节点为313929个、离散单元为1691792个时，测试值和模拟值吻合较好，图1b为模型网格图，图2为机房中最不利点的温度、流速测量值与模拟值对比。

从图2可以看出，温度、速度的模拟值和实测值最大误差分别为2.1℃，0.45m/s，相对误差在10%以内。实测值比模拟值波动大，原因在于实际机架有前后之分，一般前面进风，后面排风，排风温度高于进风温度，部分设备还配有风机，加强了换热，而模拟时对机架作了简化处理，忽略了机架位置以及其内部设备不同造成的影响。对于整个机房的气流组织而言，这些简化只影响接近机架处的空气参数，对机架间的空气循环影响有限，故假设合理。 
  

2.3空调室内机组布局形式对室内温度影响的仿真与优化

速度场、温度场是否合理不但决定着机房内环境状况的好坏和热管理水平的高低，还决定着达到节能效果。试验结果表明，该机房存在严重的局部过热问题(形式1)，在机房两端设备功率相对较大的情况下出现了机房中部温度高于两端的现象，说明机房内的气流组织不合理。因此本文提出了空调机两边同侧(形式2)和斜对角(形式3)布置形式，空调布置位置如图1a中虚线所示，并运用Fluent软件在已验证的形式1模型的基础上对这2种形式进行了模拟，分析对比了3种形式下速度、温度分布情况，研究了机房在不同布局形式下的气流组织特点、送风口风量大小的配置及供冷效果。图3，图4分别为3种布局形式下距地面1.2m高处机房速度、温度的等值线图。机房内热源密集、气流组织复杂，不同空调机布局形式下必然会产生不同的室内空气速度、温度分布规律。

图3a和图4a分别为元机房的模拟记过，机房远端空气滞留现象比较严重，大风量送风口送出的冷风只在风口正下方及周围形成了扰动，加强了周围机架的换热，但由于机房面积很大以及机架的阻挡，在远离回风口的一侧空气流速低，等值线闭合，空气龄加长，出现了局部地方空气滞留的现象，机架间等值线沿两侧扁平延伸，整个机房的热空气能否循环困难。机房内温度分区明显并且中部温度明显高于两端，大部分区域温度达到23℃，在中部出现严重的热岛效应，这对机房中间的机架换热极其不利。究其原因，整个机房的热空气循环都要经过空调窒内机上面的回风口来进行，远端的热空气必须经过整个机房才能到达回风口，沿四风路径不断地加热周围空气，使得机房中部空气循环恶化。

图3b和图4b为形式l改进方案的结果，将l台空调机移向机房一端，原来边界条件不变。在这种情况下机房内的热空气可以通过置于机房两侧的回风口进行循环，回风路径缩短，空气龄也相应变小，特别是在离空调机近的左侧，机房内的速度场得到改善，中部过热现象也有所缓解，大部分区域温度在19℃左右，但机房的温度分区并没有明显改善，接近回风口处的高速送风射流对周围热风产生风阻，使热空气向低压区聚集，使得低压区温度有升高的趋势，达到约24℃，同时冷空气直接进入回风口，形成冷空气循环短路，回风温度降低，造成冷量浪费。因此，空调机摆放一定要结合周围送风口送风量一起考虑。为了避免回风风阻以及冷风短路，应该相应减少接近空调处的送风口风量。

图3c和图4c是针对形式2的缺点所做的改进方案——将2台空调对角摆放并且将送风温度提高1.5℃时的模拟结果。相对于前2种情况，这种布局形式不但减小了机房中部热空气滞留造成的局部过热，而且回风口周围送风量相对较小，解决了冷空气短路及回风口风阻问题。整个机房内空气处于一种均衡的动态循环之中，无滞留区，机房内空气循环、送风口风量分布得到优化，在送风温度提高1.5℃的情况下，整个机房平均温度维持在20℃左右，机房环境符合数据机房环境要求。局部过热现象明显改善，同时节约了大量冷量。

3结论

通过建立机房内测量阵实现房间速度场、温度场的测量，并以试验值为依据确定了合理的机房简化模型，借助Flutent软件，研究了空调室内机不同布局形式下整个机房的气流组织分布及其对机房环境的影响。研究表明，对于无新风热空气全部循环利用的大型数据机房，空调室内机的布局关乎整个机房回风是否顺畅以及冷量能否有效利用；空调机的布局要结合周围送风El风量综合考虑。在本文实例中采用空调室内机斜对角布置，不但解决了机房局部过热问题，而且实现了冷量的有效利用，达到了机房节能要求。建议在进行数据机房设计时应综合考虑机房室内机的布局及回风口风量大小的调试。