數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)氣流組織研究與分析

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IDC機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)氣流組織研究與分析 摘要：本文闡述了IDC機(jī)房氣流組織的設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)房制冷效率有重要影響，敘述現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)氣流組織的常見形式。同時(shí)重點(diǎn)對(duì)IDC機(jī)房常見的幾種氣流組織進(jìn)行了研究與分析，對(duì)比了幾種氣流組織的優(yōu)缺點(diǎn)，從理論與實(shí)踐中探討各種氣流組織情況下冷卻的效率。 關(guān)鍵詞：IDC、氣流組織、空調(diào)系統(tǒng) 一、概述 在IDC機(jī)房中，運(yùn)行著大量的計(jì)算機(jī)、服務(wù)器等電子設(shè)備，這些設(shè)備發(fā)熱量大，對(duì)環(huán)境溫濕度有著嚴(yán)格的要求，為了能夠給IDC機(jī)房等提供一個(gè)長(zhǎng)期穩(wěn)定、合理、溫濕度分布均勻的運(yùn)行環(huán)境，在配置機(jī)房精密空調(diào)時(shí)，通常要求冷風(fēng)循環(huán)次數(shù)大于30次，機(jī)房空調(diào)送風(fēng)壓力75Pa，目的是在冷量一定的情況下，通過大風(fēng)量的循環(huán)使機(jī)房?jī)?nèi)運(yùn)行設(shè)備發(fā)出的熱量能夠迅速得到消除，通過高送風(fēng)壓力使冷風(fēng)能夠送到較遠(yuǎn)的距離和加大送風(fēng)速度；同時(shí)通過以上方式能夠使機(jī)房?jī)?nèi)部的加濕和除濕過程縮短，濕度分布均勻。 大風(fēng)量小焓差也是機(jī)房專用空調(diào)區(qū)別于普通空調(diào)的一個(gè)非常重要的方面，在做機(jī)房?jī)?nèi)部機(jī)房精密空調(diào)配置時(shí)，通常在考慮空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷的同時(shí)要考慮機(jī)房的冷風(fēng)循環(huán)次數(shù)，但在冷量相同的條件下，空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)房間氣流組織是否合理對(duì)機(jī)房環(huán)境的溫濕度均勻性有直接的影響。 空調(diào)房間氣流組織是否合理，不僅直接影響房間的空調(diào)冷卻效果，而且也影響空調(diào)系統(tǒng)的能耗量，氣流組織設(shè)計(jì)的目的就是合理地組織室內(nèi)空氣的流動(dòng)使室內(nèi)工作區(qū)空氣的溫度、濕度、速度和潔凈度能更好地滿足要求。 影響氣流組織的因素很多，如送風(fēng)口位置及型式，回風(fēng)口位置，房間幾何形狀及室內(nèi)的各種擾動(dòng)等。 二、氣流組織常見種類及分析： 按照送、回風(fēng)口布置位置和形式的不同，可以有各種各樣的氣流組織形式，大致可以歸納以下五種：上送下回、側(cè)送側(cè)回、中送上下回、上送上回及下送上回。 1)投入能量利用系數(shù) 氣流組織設(shè)計(jì)的任務(wù)，就是以投入能量為代價(jià)將一定數(shù)量經(jīng)過處理成某種參數(shù)的空氣送進(jìn)房間，以消除室內(nèi)某種有害影響。因此，作為評(píng)價(jià)氣流組織的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，就應(yīng)能夠反映投入能量的利用程度。 恒溫空調(diào)系統(tǒng)的“投入能量利用系數(shù)”βt，定義： （2-1） 式中：t0一一送風(fēng)溫度， tn一一工作區(qū)設(shè)計(jì)溫度， tp一一排風(fēng)溫度。 通常，送風(fēng)量是根據(jù)排風(fēng)溫度等于工作區(qū)設(shè)計(jì)溫度進(jìn)行計(jì)算的．實(shí)際上，房間內(nèi)的溫度并不處處均勻相等，因此，排風(fēng)口設(shè)置在不問部位，就會(huì)有不同的排風(fēng)溫度，投入能量利用系數(shù)也不相同。 從式(2—1)可以看出： 當(dāng)tp= tn時(shí)，βt=1.0，表明送風(fēng)經(jīng)熱交換吸收余熱量后達(dá)到室內(nèi)溫度，并進(jìn)而排出室外。 當(dāng)tp>tn 時(shí)，βt>1.0，表明送風(fēng)吸收部分余熱達(dá)到室內(nèi)溫度、且能控制工作區(qū)的溫度，而排風(fēng)溫度可以高于室內(nèi)溫度，經(jīng)濟(jì)性好。 當(dāng)tp tn時(shí)，故而βt >1.0。經(jīng)濟(jì)性好。但是，下部送風(fēng)溫差不能太大。在上述條件下，采用下送上回形式是一種較為理想的氣流組織形式。 三、IDC機(jī)房的氣流組織研究: 根據(jù)IDC機(jī)房的特點(diǎn)，機(jī)房氣流組織的確定,—般要從以下幾個(gè)主要方面來考慮。 1)IDC機(jī)房的結(jié)構(gòu)與建筑面積。 2)IDC設(shè)備的裝機(jī)功率及散熱量。 3)計(jì)算機(jī)設(shè)備的采用的冷卻方式。如自然冷卻機(jī)柜或自帶風(fēng)機(jī)強(qiáng)制送風(fēng)冷卻、用冷卻水或冷卻液冷卻、冷卻水和冷空氣綜合冷卻等。 4)同時(shí)考慮自帶風(fēng)機(jī)機(jī)柜的進(jìn)排風(fēng)口位置，便于迅速排走機(jī)柜內(nèi)的熱量。 1.IDC機(jī)房的氣流組織 數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織簡(jiǎn)單的說就是送風(fēng)口回風(fēng)口的位置設(shè)計(jì)布置以及采用相應(yīng)的風(fēng)口型式，以下是幾種常用氣流組織形式。 1)上送下回氣流組織 上送下回氣流組織是通常采用的全室空調(diào)送回風(fēng)的基本方式。上送還可分為機(jī)房頂送或緊靠機(jī)房頂下的上部側(cè)送兩種形式。下回通常采用為機(jī)房的下部側(cè)回形式。 圖3-1上頂送下側(cè)回氣流組織 上圖3-l 所示的上頂送下側(cè)回的氣流組織，送風(fēng)經(jīng)過頂棚上的空調(diào)風(fēng)口往下送冷空氣，至室內(nèi)先與機(jī)房?jī)?nèi)的空氣棍合，通過設(shè)備自帶的風(fēng)機(jī)，再進(jìn)入需送風(fēng)冷卻的計(jì)算機(jī)設(shè)備。機(jī)房頂棚安裝散流器或孔板風(fēng)口送風(fēng)，頂棚風(fēng)口送下的冷空氣與機(jī)柜頂上排出的熱空氣，兩股氣流逆向混合，導(dǎo)致進(jìn)入機(jī)柜的空氣溫度偏高，影響了對(duì)機(jī)柜的冷卻效果，我們?cè)谡{(diào)查中發(fā)現(xiàn)這類情況。由于機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度偏高，機(jī)柜內(nèi)得不到良好的冷卻效果，必然造成機(jī)柜內(nèi)的氣溫偏高，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)不能進(jìn)行有效的正常工作。 因此采用上頂送下側(cè)回的氣流組織，對(duì)于散熱量較大的機(jī)房，只有采用較低(12—16℃)的空調(diào)送風(fēng)溫度，來維持機(jī)房較低的(20土2℃)空調(diào)溫度基數(shù)。機(jī)柜才能獲得較好的冷卻效果，但這樣的能源消耗較大。 圖3-2上側(cè)送下側(cè)回氣流組織 圖3-2所示的上側(cè)送下側(cè)回氣流組織，在機(jī)房室內(nèi)凈空較低以及計(jì)算機(jī)設(shè)備布置較密時(shí)，部分回風(fēng)氣流有可能被機(jī)柜阻擋，形成不了一個(gè)通暢的氣流回路，造成局部滯流或出現(xiàn)小區(qū)的渦流。機(jī)房?jī)?nèi)出現(xiàn)的不均勻溫度場(chǎng)，影響著部分機(jī)柜散熱的冷卻效果。 因此上送下回氣流組織宜用在機(jī)房面積不大于100m2，散熱量較小的小型計(jì)算機(jī)及微型計(jì)算機(jī)機(jī)房，這種方式用在大型的IDC機(jī)房，效果并不理想。 2)上送風(fēng)上回風(fēng)氣流組織 在多排機(jī)柜排列時(shí)，當(dāng)機(jī)柜與機(jī)柜采用背對(duì)背的形式布置時(shí)，可采用上送風(fēng)上回風(fēng)氣流組織方式，出風(fēng)口與回風(fēng)口的位置可以采用圖3-3的方式布置。形成以機(jī)柜冷熱通道相間隔的狀態(tài)（圖3-4）。 圖3-3上送上回氣流組織 上送上回氣流組織如果要使用在IDC機(jī)房，出風(fēng)口的位置應(yīng)該略低于機(jī)柜的高度，同時(shí)在每排列柜的中間盡量減少通道的數(shù)量，避免出現(xiàn)氣流短路的情況發(fā)生。 圖3-4機(jī)柜冷熱通道相間隔 3)下送上回氣流組織 IDC機(jī)房?jī)?nèi)可設(shè)架空的活動(dòng)地板，活動(dòng)地板下的空間,用作空調(diào)送風(fēng)的通道。空氣通過在活動(dòng)地板上裝設(shè)的送風(fēng)口進(jìn)入機(jī)房或機(jī)柜內(nèi)。下送上回氣流組織如圖3-5所示．它把機(jī)房空調(diào)與機(jī)柜設(shè)備冷卻合二為一個(gè)送風(fēng)系統(tǒng)，回風(fēng)通過機(jī)房頂棚上裝設(shè)的風(fēng)口回至空調(diào)裝置。 圖3-5下送上回氣流組織 下送風(fēng)機(jī)房活動(dòng)地板的空調(diào)送風(fēng)風(fēng)口一般布置在機(jī)柜近側(cè)或機(jī)柜底部。冷卻空氣從設(shè)在機(jī)柜近側(cè)或機(jī)柜底部的活動(dòng)地板風(fēng)口送出，送出的低溫空氣只在瞬間與機(jī)房?jī)?nèi)的熱空氣混合，即刻從機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入機(jī)柜，有效地提高了送入機(jī)柜冷卻空氣的質(zhì)量，用較少的風(fēng)量，提高了機(jī)柜的冷卻效果。 為了形成以機(jī)柜冷熱通道相間隔的狀態(tài)（圖3-4），也可以采用機(jī)柜背對(duì)背的形式布置，在IDC機(jī)房采用下送風(fēng)方式，可以采用圖3-6的氣流組織形式。 圖3-6下送風(fēng)氣流組織 下送風(fēng)頂回風(fēng)的氣流組織有以下幾方面的顯著優(yōu)點(diǎn)：1．活動(dòng)地板下用作送風(fēng)靜壓箱,當(dāng)計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行增減或更新時(shí)．可方便地調(diào)動(dòng)或新增地板送風(fēng)口及機(jī)柜接線口的位置及數(shù)量。2．機(jī)房頂部留有的空間既可用作回風(fēng)靜壓箱，又可敷設(shè)各種管線。 2.采用下送上回氣流組織在設(shè)汁中需要注意的問題： 1)保持活動(dòng)地板下一定的均勻靜壓值： 機(jī)房?jī)?nèi)架空的活動(dòng)地板下的空間，用作送風(fēng)風(fēng)道，通風(fēng)截面較大，為矩形形狀，截面豎向間隔有許多活動(dòng)地板的支撐桿，造成空氣沿地板長(zhǎng)度方向流動(dòng)過程中的壓力損失。如果送風(fēng)沿途的距離較長(zhǎng)，選用的通風(fēng)機(jī)全壓值雖能克服地板長(zhǎng)距離送風(fēng)的全部壓力損失，但送風(fēng)的始、終端的壓差較大，不利于地板下保持均勻的靜壓值，因此，不能在地板下敷設(shè)各種通信線纜，同時(shí)要適當(dāng)控制地板下送風(fēng)的距離。架空地板的高度也要把握。數(shù)據(jù)中心機(jī)房活動(dòng)地板敷設(shè)高度至少為0.4米， 2)控制活動(dòng)地板下的送風(fēng)口風(fēng)速： 機(jī)房空調(diào)向活動(dòng)地板下送風(fēng)，送風(fēng)口不宜集中在一個(gè)出處，由于機(jī)房空調(diào)送風(fēng)風(fēng)量大，送風(fēng)口過分集中在—個(gè)斷面出口，往往在一定全壓條件下，出口處的動(dòng)壓值較大，靜壓值較小，如果離送風(fēng)出口附近的不遠(yuǎn)處設(shè)有地板送風(fēng)風(fēng)口,那么這個(gè)風(fēng)口很可能要變?yōu)閷?shí)際上的吸風(fēng)口。為防止產(chǎn)生這種不良現(xiàn)象，可在端部送風(fēng)截面上橫向多開幾個(gè)送風(fēng)口。如果機(jī)房地板上設(shè)立有多臺(tái)專用空調(diào)機(jī)時(shí)，也應(yīng)將空調(diào)機(jī)沿機(jī)房長(zhǎng)度方向，適當(dāng)間隔一定距離布置，以利于活動(dòng)地板下的氣流分布均勻。 3)樓地面必須符合土建規(guī)范要求： 機(jī)房設(shè)計(jì)采用下送風(fēng)方式。樓地面必須符合土建規(guī)范要求的平整度。地面需要進(jìn)行防塵處理。活動(dòng)地板下均經(jīng)刷漆處理，達(dá)到不起塵的作用，從而保證空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的空氣潔凈?；顒?dòng)地板安裝過程中，地板與墻面交界處，活動(dòng)地板需精確切割，切割邊需封膠處理后安裝，避免風(fēng)道漏風(fēng)。 3.幾種送回風(fēng)方式的冷卻效果比較 IDC計(jì)算機(jī)機(jī)柜是個(gè)散熱量大而又集中的設(shè)備，運(yùn)行中的機(jī)柜內(nèi)溫度不斷升高，此時(shí)，機(jī)柜的一部分熱量向機(jī)房?jī)?nèi)散放，使機(jī)房?jī)?nèi)的室溫升高，同時(shí)，又影響到機(jī)柜的散熱。當(dāng)機(jī)柜的散熱不充分時(shí)，機(jī)柜內(nèi)的溫度將繼續(xù)升高到一定值時(shí)(極限溫度為60℃)，易造成電子元器件發(fā)生故障。因此，機(jī)房空調(diào)與機(jī)柜冷卻兩者互為關(guān)聯(lián)，空調(diào)首要要保證機(jī)柜冷卻，其次才是機(jī)房的環(huán)境冷卻。機(jī)房的送回風(fēng)方式不但關(guān)系到機(jī)柜的冷卻效果，而且也關(guān)系到空調(diào)的送風(fēng)風(fēng)量及初次投資和日常的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。 我們對(duì)某些單位進(jìn)行過一些調(diào)查，機(jī)房單位面積的耗冷量相近，而空調(diào)采用的送回風(fēng)方式不同，機(jī)柜實(shí)際得到的冷卻效果相差甚遠(yuǎn)，也可這樣認(rèn)為在機(jī)房單位面積的耗冷量相近，送風(fēng)溫度相近，采用下送上回的氣流組織，機(jī)柜實(shí)際獲得的冷卻效果，優(yōu)于上送風(fēng)方式。 同時(shí)從調(diào)查中了解到，無論采用上送或下送的送風(fēng)方式，只要空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的工況管理調(diào)節(jié)好，機(jī)房?jī)?nèi)工作區(qū)的風(fēng)速，均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 四、機(jī)房空調(diào)送風(fēng)量計(jì)算 機(jī)房空調(diào)送風(fēng)量，按機(jī)房在夏季最大的得熱負(fù)荷結(jié)合采用的氣流組織進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于IDC機(jī)房這樣的大型計(jì)算機(jī)機(jī)房，一般要分別計(jì)算機(jī)房空調(diào)送風(fēng)量及機(jī)柜冷卻風(fēng)量。 機(jī)房空調(diào)送風(fēng)量在機(jī)房溫濕度空調(diào)參數(shù)確定后，根據(jù)機(jī)房最大的熱負(fù)荷及得濕負(fù)荷，從濕空氣焓濕圖(h—d圖)上查得送風(fēng)溫差，按設(shè)計(jì)規(guī)范在室溫允許波動(dòng)范圍大于1℃時(shí)，送風(fēng)溫差可在6~10℃范圍內(nèi)取用，即可算得機(jī)房空調(diào)送風(fēng)量。 1．機(jī)房上送下回氣流組織的送風(fēng)量按下式計(jì)算 （式4-1） 式中： G1——機(jī)房送風(fēng)風(fēng)量，kg／s； Q1——機(jī)房建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量，W； Q2——計(jì)算機(jī)設(shè)備散熱量，W； Q3——人體散熱量，W； Q4——照明燈散熱量，W； hn——機(jī)房空氣焓，kJ／kg； hs——機(jī)房送風(fēng)空氣焓，kJ／kg； tn——機(jī)房空調(diào)溫度．℃， ts——機(jī)房空調(diào)送風(fēng)溫度，℃； c——干空氣定壓比熱，1.01kJ／kg?℃ 2．機(jī)房與機(jī)柜下送上回氣流組織的送風(fēng)量計(jì)算： (1)機(jī)房送風(fēng)量按下式計(jì)算： （式4-2） 式中符號(hào)含義同上。 (2)機(jī)柜冷卻送風(fēng)量按下式計(jì)算： （式4-3） 式中： G2——計(jì)算機(jī)機(jī)柜需送風(fēng)冷卻的送風(fēng)風(fēng)量，kg／s； Q5——需送風(fēng)冷卻的計(jì)算機(jī)機(jī)柜散熱量，W； t3——送風(fēng)冷卻機(jī)柜的出口排風(fēng)溫度，鍺管元件取不大于26℃；集成電路宜取28—30℃；機(jī)柜出口排風(fēng)的相對(duì)濕度宜取45～50％； ts——地板風(fēng)口的出口送風(fēng)溫度，℃；金屬地板宜取量17~20℃； 從計(jì)算公式也可以看出，達(dá)到相同制冷效果的前提下，下送風(fēng)所需風(fēng)量比上送風(fēng)所風(fēng)量小，機(jī)柜下送風(fēng)送風(fēng)量比機(jī)房下送風(fēng)送風(fēng)量小，這也就說明了下送上回式風(fēng)比上送下回氣流組織效率更高。機(jī)柜下送風(fēng)比機(jī)房下送風(fēng)氣流組織效率更高。 五、總結(jié) 空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織有五種，數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)氣流組織通常采用下送上回、上送下回及上送上回等幾種氣流組織。數(shù)據(jù)中心機(jī)房采取何種制冷方式應(yīng)根據(jù)機(jī)房基本情況和機(jī)柜物理結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)設(shè)備密集度等實(shí)際情況進(jìn)行選擇，從制冷效果和效率來看，下送風(fēng)方式優(yōu)于上送風(fēng)方式，所以在機(jī)房條件允許的前提下，可以確定以下送風(fēng)為主，上送風(fēng)為輔的設(shè)計(jì)方式。 參考資料： 1.中國電信數(shù)據(jù)中心機(jī)房電源、空調(diào)環(huán)境設(shè)計(jì)規(guī)范 2.中國電信數(shù)據(jù)中心機(jī)房電源、空調(diào)環(huán)境驗(yàn)收規(guī)范 3.GB50174-93中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范 4.計(jì)算機(jī)機(jī)房空調(diào)設(shè)計(jì)