IDC机房空调系统气流组织研究与分析

IDC 机房空调系统气流组织研究与分析

摘要: 本文阐述了 IDC 机房气流组织的设计对机房制冷效率有重要影响, 叙述现有空调系统 气流组织的常见形式。 同时重点对 IDC 机房常见的几种气流组织进行了研究与分析, 对比了 几种气流组织的优缺点,从理论与实践中探讨各种气流组织情况下冷却的效率。 关键词:IDC、气流组织、空调系统

一、

概述 在 IDC 机房中,运行着大量的计算机、服务器等电子设备,这些设备发热量大,对环

境温湿度有着严格的要求,为了能够给 IDC 机房等提供一个长期稳定、合理、温湿度分布均 匀的运行环境,在配置机房精密空调时,通常要求冷风循环次数大于 30 次,机房空调送风 压力 75Pa,目的是在冷量一定的情况下,通过大风量的循环使机房内运行设备发出的热量 能够迅速得到消除, 通过高送风压力使冷风能够送到较远的距离和加大送风速度; 同时通过 以上方式能够使机房内部的加湿和除湿过程缩短,湿度分布均匀。 大风量小焓差也是机房专用空调区别于普通空调的一个非常重要的方面, 在做机房内 部机房精密空调配置时,通常在考虑空调系统的冷负荷的同时要考虑机房的冷风循环次数, 但在冷量相同的条件下, 空调系统的空调房间气流组织是否合理对机房环境的温湿度均匀性 有直接的影响。 空调房间气流组织是否合理, 不仅直接影响房间的空调冷却效果, 而且也影响空调系 统的能耗量,气流组织设计的目的就是合理地组织室内空气的流动使室内工作区空气的温 度、湿度、速度和洁净度能更好地满足要求。 影响气流组织的因素很多,如送风口位置及型式,回风口位置,房间几何形状及室内 的各种扰动等。

二、

气流组织常见种类及分析: 按照送、回风口布置位置和形式的不同,可以有各种各样的气流组织形式,大致可以

归纳以下五种:上送下回、侧送侧回、中送上下回、上送上回及下送上回。 1) 投入能量利用系数 气流组织设计的任务, 就是以投入能量为代价将一定数量经过处理成某种参数的空气 送进房间,以消除室内某种有害影响。因此,作为评价气流组织的经济指标,就应能够反映 投入能量的利用程度。 恒温空调系统的“投入能量利用系数”β t,定义:

(2-1) 式中: t0 一一送风温度, tn 一一工作区设计温度, tp 一一排风温度。 通常,送风量是根据排风温度等于工作区设计温度进行计算的.实际上,房间内的温 度并不处处均匀相等,因此,排风口设置在不问部位,就会有不同的排风温度,投入能量利 用系数也不相同。 从式(2—1)可以看出: 当 tp = tn 时,β t =1.0,表明送风经热交换吸收余热量后达到室内温度,并进而 排出室外。 当 tp > tn 时,β t >1.0,表明送风吸收部分余热达到室内温度、且能控制工作区 的温度,而排风温度可以高于室内温度,经济性好。 当 tp < tn 时,β t <1.0,表明投入的能量没有得到完全利用,住住是由于短路而 未能发挥送入风量的排热作用,经济性差。 2) 上送下回

孔板送风和散流器送风是常见的上送下回形式。如图 2-1 和图 2-2 所示.

图 2-1 散流器上送下回气流流型

图 2-2

孔板送风气流流型

孔板送风和密布散流器送风,可以形成平行流流型、涡流少,断面速度场均匀。对于温 湿度要求精度高的房间于温湿度要求精度高的房间, 特别是洁净度要求很高的房间, 则是理 想的气流组织型式。这种形式的排风温度接近室内工作区平均温度,即 tp = tn 时,β t = 1.0。

3) 侧送侧回

侧送风口布置在房间的侧墙上部, 空气横向送出, 气流吹对面墙上转折下落到工作区以 较低速度流过工作区,再由布置在同侧的回风口排出,根据房间跨度大小,可以布置成单侧 回和双侧送双侧回。如图 2-3 所示。

图 2-3

侧送气流流型

侧送侧回形式使工作区处于回流区,具有以下优点,由于送风射流在到达工作区之前, 已与房间空气进行了比较充分的混合, 速度场与温度场都趋于均匀和稳定, 因此能保证工作 区气流速度和温度的均匀性。 所以对于侧送侧回来说, 容易满足设计对于速度不均匀系数的 要求.

工作区处于回流区,故而 tp = tn 时,投入能量利用系数 β t =1.0,此外,由于侧送 侧回的射流射程比较长,射流来得及充分衰减。故可加大送风温差。基于上述优点,侧送侧 回是一般建筑中用得较多的气流组织形式。

4)

中送风下上回风

图 2-4 是中部送风下部回风或下部上部同时回风的气流流型图。

图 2-4

中送气流流型

对于高大房间来说,送风量往往很大,房间上部和下部的温差也比较大,因此将房间 分为上下两部分对待是合适的。下部视为工作区,上部视为非工作区。采用中部送风,下部 的上部同时排风,形成两个气流区,保证下部工作区达到空调设计要求,而上部气流区负担 排走非空调区的余热量。显然下部气流区的气流组织就是侧送侧回,故 β t=1.0。 5) 上送上回

图 2-5

上送上回气流流型

这种气流组织形式是将送风口和回风口叠在一起,布置在房间上部。如图 2-5 所示。 对于那些因各种原因不能在房间下部布置回风口的场合是相当合适的。 但应注意气流短路的 现象发生。如果气流短路时,则 tp < tn 时, β t <1.0 经济性差。 6) 下送上回 这种形式的送风口布置在下部,回风口布置在上部,如图 2-6 所示。

图 2-6 下送上回气流流型

对于室内余热量大,特别是热源又靠近顶棚的场合,如计算机房,广播电台的演播大 厅等,。由于下送上回 tp > tn 时,故而 β t >1.0。经济性好。但是,下部送风温差不能 太大。在上述条件下,采用下送上回形式是一种较为理想的气流组织形式。

三、

IDC 机房的气流组织研究: 根据 IDC 机房的特点,机房气流组织的确定,—般要从以下几个主要方面来考虑。

1)

IDC 机房的结构与建筑面积。

2)

IDC 设备的装机功率及散热量。

3)

计算机设备的采用的冷却方式。 如自然冷却机柜或自带风机强制送风冷却、 用冷却水

或冷却液冷却、冷却水和冷空气综合冷却等。

4)

同时考虑自带风机机柜的进排风口位置,便于迅速排走机柜内的热量。

1.

IDC 机房的气流组织

数据中心机房空调系统的气流组织简单的说就是送风口回风口的位置设计布置以及采 用相应的风口型式,以下是几种常用气流组织形式。

1)

上送下回气流组织

上送下回气流组织是通常采用的全室空调送回风的基本方式。 上送还可分为机房顶送或 紧靠机房顶下的上部侧送两种形式。下回通常采用为机房的下部侧回形式。

图 3-1 上顶送下侧回气流组织

上图 3-l 所示的上顶送下侧回的气流组织, 送风经过顶棚上的空调风口往下送冷空气, 至室内先与机房内的空气棍合,通过设备自带的风机,再进入需送风冷却的计算机设备。机 房顶棚安装散流器或孔板风口送风, 顶棚风口送下的冷空气与机柜顶上排出的热空气, 两股 气流逆向混合,导致进入机柜的空气温度偏高,影响了对机柜的冷却效果,我们曾在调查中 发现这类情况。由于机柜进风温度偏高,机柜内得不到良好的冷却效果,必然造成机柜内的 气温偏高,导致计算机不能进行有效的正常工作。

因此采用上顶送下侧回的气流组织, 对于散热量较大的机房, 只有采用较低(12—16℃) 的空调送风温度, 来维持机房较低的(20 土 2℃)空调温度基数。 机柜才能获得较好的冷却效 果,但这样的能源消耗较大。

图 3-2 上侧送下侧回气流组织

图 3-2 所示的上侧送下侧回气流组织,在机房室内净空较低以及计算机设备布置较密 时,部分回风气流有可能被机柜阻挡,形成不了一个通畅的气流回路,造成局部滞流或出现 小区的涡流。机房内出现的不均匀温度场,影响着部分机柜散热的冷却效果。

因此上送下回气流组织宜用在机房面积不大于 100m2, 散热量较小的小型计算机及微型 计算机机房,这种方式用在大型的 IDC 机房,效果并不理想。

2)

上送风上回风气流组织

在多排机柜排列时,当机柜与机柜采用背对背的形式布置时,可采用上送风上回风气 流组织方式, 出风口与回风口的位置可以采用图 3-3 的方式布置。 形成以机柜冷热通道相间 隔的状态(图 3-4)。

图 3-3 上送上回气流组织

上送上回气流组织如果要使用在 IDC 机房, 出风口的位置应该略低于机柜的高度, 同时 在每排列柜的中间尽量减少通道的数量,避免出现气流短路的情况发生。

图 3-4 机柜冷热通道相间隔

3)

下送上回气流组织

IDC 机房内可设架空的活动地板,活动地板下的空间, 用作空调送风的通道。空气通过 在活动地板上装设的送风口进入机房或机柜内。 下送上回气流组织如图 3-5 所示. 它把机房 空调与机柜设备冷却合二为一个送风系统,回风通过机房顶棚上装设的风口回至空调装置。

图 3-5 下送上回气流组织

下送风机房活动地板的空调送风风口一般布置在机柜近侧或机柜底部。 冷却空气从设在 机柜近侧或机柜底部的活动地板风口送出,送出的低温空气只在瞬间与机房内的热空气混

合, 即刻从机柜的进风口进入机柜, 有效地提高了送入机柜冷却空气的质量, 用较少的风量, 提高了机柜的冷却效果。

为了形成以机柜冷热通道相间隔的状态 (图 3-4) , 也可以采用机柜背对背的形式布置, 在 IDC 机房采用下送风方式,可以采用图 3-6 的气流组织形式。

图 3-6 下送风气流组织

下送风顶回风的气流组织有以下几方面的显著优点:1.活动地板下用作送风静压箱, 当计算机设备进行增减或更新时. 可方便地调动或新增地板送风口及机柜接线口的位置及数 量。

2.机房顶部留有的空间既可用作回风静压箱,又可敷设各种管线。

2.

采用下送上回气流组织在设汁中需要注意的问题:

1)

保持活动地板下一定的均匀静压值:

机房内架空的活动地板下的空间,用作送风风道,通风截面较大,为矩形形状,截面竖 向间隔有许多活动地板的支撑杆, 造成空气沿地板长度方向流动过程中的压力损失。 如果送 风沿途的距离较长, 选用的通风机全压值虽能克服地板长距离送风的全部压力损失, 但送风 的始、终端的压差较大,不利于地板下保持均匀的静压值,因此,不能在地板下敷设各种通 信线缆,同时要适当控制地板下送风的距离。架空地板的高度也要把握。数据中心机房活动 地板敷设高度至少为 0.4 米,

2)

控制活动地板下的送风口风速:

机房空调向活动地板下送风,送风口不宜集中在一个出处,由于机房空调送风风量大, 送风口过分集中在—个断面出口,往往在一定全压条件下,出口处的动压值较大,静压值较 小,如果离送风出口附近的不远处设有地板送风风口,那么这个风口很可能要变为实际上的 吸风口。为防止产生这种不良现象,可在端部送风截面上横向多开几个送风口。如果机房地 板上设立有多台专用空调机时,也应将空调机沿机房长度方向,适当间隔一定距离布置,以 利于活动地板下的气流分布均匀。

3)

楼地面必须符合土建规范要求:

机房设计采用下送风方式。 楼地面必须符合土建规范要求的平整度。 地面需要进行防尘 处理。活动地板下均经刷漆处理,达到不起尘的作用,从而保证空调送风系统的空气洁净。 活动地板安装过程中, 地板与墙面交界处, 活动地板需精确切割, 切割边需封胶处理后安装, 避免风道漏风。

3.

几种送回风方式的冷却效果比较

IDC 计算机机柜是个散热量大而又集中的设备,运行中的机柜内温度不断升高,此时, 机柜的一部分热量向机房内散放,使机房内的室温升高,同时,又影响到机柜的散热。当机 柜的散热不充分时,机柜内的温度将继续升高到一定值时(极限温度为 60℃),易造成电子

元器件发生故障。因此,机房空调与机柜冷却两者互为关联,空调首要要保证机柜冷却,其 次才是机房的环境冷却。 机房的送回风方式不但关系到机柜的冷却效果, 而且也关系到空调 的送风风量及初次投资和日常的经济运行。

我们对某些单位进行过一些调查, 机房单位面积的耗冷量相近, 而空调采用的送回风方 式不同,机柜实际得到的冷却效果相差甚远,也可这样认为在机房单位面积的耗冷量相近, 送风温度相近,采用下送上回的气流组织,机柜实际获得的冷却效果,优于上送风方式。

同时从调查中了解到, 无论采用上送或下送的送风方式, 只要空调送风系统的工况管理 调节好,机房内工作区的风速,均能达到设计要求。

四、

机房空调送风量计算

机房空调送风量,按机房在夏季最大的得热负荷结合采用的气流组织进行计算。对于 I DC 机房这样的大型计算机机房,一般要分别计算机房空调送风量及机柜冷却风量。

机房空调送风量在机房温湿度空调参数确定后, 根据机房最大的热负荷及得湿负荷, 从 湿空气焓湿图(h—d 图)上查得送风温差, 按设计规范在室温允许波动范围大于 1℃时, 送风 温差可在 6~10℃范围内取用,即可算得机房空调送风量。

1.机房上送下回气流组织的送风量按下式计算

(式 4-1) 式中:

G1——机房送风风量,kg/s;

Q1——机房建筑围护结构传热量,W;

Q2——计算机设备散热量,W;

Q3——人体散热量,W;

Q4——照明灯散热量,W;

hn——机房空气焓,kJ/kg;

hs——机房送风空气焓,kJ/kg;

tn——机房空调温度.℃,

ts——机房空调送风温度,℃;

c——干空气定压比热,1.01kJ/kg?℃

2.机房与机柜下送上回气流组织的送风量计算:

(1)机房送风量按下式计算:

(式 4-2)

式中符号含义同上。

(2)机柜冷却送风量按下式计算:

(式 4-3)

式中:

G2——计算机机柜需送风冷却的送风风量,kg/s;

Q5——需送风冷却的计算机机柜散热量,W;

t3——送风冷却机柜的出口排风温度, 锗管元件取不大于 26℃; 集成电路宜取 28—30℃;机 柜出口排风的相对湿度宜取 45~50%;

ts——地板风口的出口送风温度,℃;金属地板宜取量 17~20℃;

从计算公式也可以看出,达到相同制冷效果的前提下,下送风所需风量比上送风所风 量小, 机柜下送风送风量比机房下送风送风量小, 这也就说明了下送上回式风比上送下回气 流组织效率更高。机柜下送风比机房下送风气流组织效率更高。

五、

总结

空调系统的气流组织有五种, 数据中心机房空调系统气流组织通常采用下送上回、 上送 下回及上送上回等几种气流组织。 数据中心机房采取何种制冷方式应根据机房基本情况和机 柜物理结构及数据设备密集度等实际情况进行选择, 从制冷效果和效率来看, 下送风方式优 于上送风方式,所以在机房条件允许的前提下,可以确定以下送风为主,上送风为辅的设计 方式。


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