1、數據中心機房空調系統氣流組 織研究與分析IDC機房空調系統氣流組織研究與分析摘要：本文闡述了 IDC機房氣流組織的設計對機房制冷效率有重要影響，敘述現有空調系統氣流組織的常 見形式。同時重點對IDC機房常見的幾種氣流組織進行了研究與分析，對比了幾種氣流組織的優缺點，從 理論與實踐中探討各種氣流組織情況下冷卻的效率。關鍵詞：IDC、氣流組織、空調系統一、 概述在IDC機房中，運行著大量的計算機、服務器等電子設備，這些設備發熱量大，對環境溫濕度有著嚴 格的要求，為了能夠給IDC機房等提供一個長期穩定、合理、溫濕度分布均勻的運行環境，在配置機房精 密空調時，通常要求冷風循環次數大于30次，機房空調送

2、風壓力 75Pa,目的是在冷量一定的情況下，通過大風量的循環使機房內運行設備發出的熱量能夠迅速得到消除，通過高送風壓力使冷風能夠送到較遠的 距離和加大送風速度；同時通過以上方式能夠使機房內部的加濕和除濕過程縮短，濕度分布均勻。大風量小焰差也是機房專用空調區別于普通空調的一個非常重要的方面，在做機房內部機房精密空調 配置時，通常在考慮空調系統的冷負荷的同時要考慮機房的冷風循環次數，但在冷量相同的條件下，空調 系統的空調房間氣流組織是否合理對機房環境的溫濕度均勻性有直接的影響。空調房間氣流組織是否合理，不僅直接影響房間的空調冷卻效果，而且也影響空調系統的能耗量，氣 流組織設計的目的就是合理地組織室

3、內空氣的流動使室內工作區空氣的溫度、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，如送風口位置及型式，回風口位置，房間幾何形狀及室內的各種擾動等。二、氣流組織常見種類及分析：按照送、回風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、側送側回、中送上下回、上送上回及下送上回。1)投入能量利用系數氣流組織設計的任務，就是以投入能量為代價將一定數量經過處理成某種參數的空氣送進房間，以消 除室內某種有害影響。因此，作為評價氣流組織的經濟指標，就應能夠反映投入能量的利用程度。恒溫空調系統的 投入能量利用系數” 3t定義：(2-1)式中：t0 送風

4、溫度，tn 一工作區設計溫度，tp 一排風溫度。通常，送風量是根據排風溫度等于工作區設計溫度進行計算的.實際上，房間內的溫度并不處處均勻 相等，因此，排風口設置在不問部位，就會有不同的排風溫度，投入能量利用系數也不相同。從式(2 1)可以看出：當tp = tn時，0 t=1.0,表明送風經熱交換吸收余熱量后達到室內溫度，并進而排出室外。當tp > tn 時，0t>1.0,表明送風吸收部分余熱達到室內溫度、且能控制工作區的溫度，而排風溫度 可以高于室內溫度，經濟性好。當tp < tn時，0t<1.0,表明投入的能量沒有得到完全利用，住住是由于短路而未能發揮送入風量的 排熱

5、作用，經濟性差。2) 上送下回孔板送風和散流器送風是常見的上送下回形式。如圖2-1和圖2-2所示.圖2-1散流器上送下回氣流流型圖2-2孔板送風氣流流型孔板送風和密布散流器送風，可以形成平行流流型、渦流少，斷面速度場均勻。對于溫濕度要求精度 高的房間于溫濕度要求精度高的房間，特別是潔凈度要求很高的房間，則是理想的氣流組織型式。這種形 式的排風溫度接近室內工作區平均溫度，即tp = tn時，0t=1.0。3）側送側回側送風口布置在房間的側墻上部，空氣橫向送出，氣流吹對面墻上轉折下落到工作區以較低速度流過工作區，再由布置在同側的回風口排出， 根據房間跨度大小，可以布置成單側回和雙側送雙側回。如圖2

6、-3所示。圖2-3側送氣流流型側送側回形式使工作區處于回流區，具有以下優點，由于送風射流在到達工作區之前，已與房間空氣進行了比較充分的混合,所以對于側送側回來說,工作區處于回流區,速度場與溫度場都趨于均勻和穩定，因此能保證工作區氣流速度和溫度的均勻性。容易滿足設計對于速度不均勻系數的要求.故而 tp = tn時，投入能量利用系數0 t=1.0 ,止匕外，由于側送側回的射流射程比 較長，射流來得及充分衰減。故可加大送風溫差。基于上述優點，側送側回是一般建筑中用得較多的氣流 組織形式。4)中送風下上回風圖2-4中送氣流流型圖2-4是中部送風下部回風或下部上部同時回風的氣流流型圖。對于高大房間來說，

7、送風量往往很大，房間上部和下部的溫差也比較大，因此將房間分為上下兩部分 對待是合適的。下部視為工作區，上部視為非工作區。采用中部送風，下部的上部同時排風，形成兩個氣 流區，保證下部工作區達到空調設計要求，而上部氣流區負擔排走非空調區的余熱量。顯然下部氣流區的 氣流組織就是側送側回，故 pt=1.0o5) 上送上回圖2-5上送上回氣流流型2-5所示。對于那些因各種這種氣流組織形式是將送風口和回風口疊在一起，布置在房間上部。如圖 原因不能在房間下部布置回風口的場合是相當合適的。但應注意氣流短路的現象發生。如果氣流短路時, 則tp < tn時，0t <1.0經濟性差。6) 下送上回這種形

8、式的送風口布置在下部，回風口布置在上部，如圖2-6所示。| /" 八圖2-6下送上回氣流流型對于室內余熱量大，特別是熱源又靠近頂棚的場合，如計算機房，廣播電臺的演播大廳等，。由于下送 上回tp > tn時，故而pt >1.0o經濟性好。但是，下部送風溫差不能太大。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機房的氣流組織研究：根據IDC機房的特點，機房氣流組織的確定，一般要從以下幾個主要方面來考慮。1) IDC機房的結構與建筑面積。2) IDC設備的裝機功率及散熱量。3)計算機設備的采用的冷卻方式。如自然冷卻機柜或自帶風機強制送風冷卻、用冷卻水

9、或冷卻液冷卻、 冷卻水和冷空氣綜合冷卻等。4)同時考慮自帶風機機柜的進排風口位置，便于迅速排走機柜內的熱量。1. IDC機房的氣流組織數據中心機房空調系統的氣流組織簡單的說就是送風口回風口的位置設計布置以及采用相應的風口型 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送回風的基本方式。上送還可分為機房頂送或緊靠機房頂下 的上部側送兩種形式。下回通常采用為機房的下部側回形式。圖3-1上頂送下側回氣流組織上圖3-1所示的上頂送下側回的氣流組織，送風經過頂棚上的空調風口往下送冷空氣，至室內先與機 房內的空氣棍合，通過設備自帶的風機，再進入需送風冷卻的計算機

10、設備。機房頂棚安裝散流器或孔板風 口送風，頂棚風口送下的冷空氣與機柜頂上排出的熱空氣，兩股氣流逆向混合，導致進入機柜的空氣溫度 偏高，影響了對機柜的冷卻效果，我們曾在調查中發現這類情況。由于機柜進風溫度偏高，機柜內得不到良好的冷卻效果，必然造成機柜內的氣溫偏高，導致計算機不能進行有效的正常工作。因此采用上頂送下側回的氣流組織，對于散熱量較大的機房，只有采用較低（1216 C）的空調送風溫度，來維持機房較低的（20 ± 2 C）空調溫度基數。機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上側送下側回氣流組織圖3-2所示的上側送下側回氣流組織，在機房室內凈空較低以及計算機設備

11、布置較密時，部分回風氣 流有可能被機柜阻擋，形成不了一個通暢的氣流回路，造成局部滯流或出現小區的渦流。機房內出現的不 均勻溫度場，影響著部分機柜散熱的冷卻效果。因此上送下回氣流組織宜用在機房面積不大于100m2 ,散熱量較小的小型計算機及微型計算機機房,這種方式用在大型的IDC機房，效果并不理想。2）上送風上回風氣流組織在多排機柜排列時，當機柜與機柜采用背對背的形式布置時，可采用上送風上回風氣流組織方式，出 風口與回風口的位置可以采用圖3-3的方式布置。形成以機柜冷熱通道相間隔的狀態（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機房，出風口的位置應該略低于機柜的高度

12、，同時在每排列柜的中間盡量減少通道的數量，避免出現氣流短路的情況發生。圖3-4機柜冷熱通道相間隔3）下送上回氣流組織IDC機房內可設架空的活動地板，活動地板下的空間，用作空調送風的通道。空氣通過在活動地板上裝 設的送風口進入機房或機柜內。下送上回氣流組織如圖3-5所示.它把機房空調與機柜設備冷卻合二為一個送風系統，回風通過機房頂棚上裝設的風口回至空調裝置。圖3-5下送上回氣流組織下送風機房活動地板的空調送風風口一般布置在機柜近側或機柜底部。冷卻空氣從設在機柜近側或機 柜底部的活動地板風口送出，送出的低溫空氣只在瞬間與機房內的熱空氣混合，即刻從機柜的進風口進入 機柜，有效地提高了送入機柜冷卻空氣

13、的質量，用較少的風量，提高了機柜的冷卻效果。為了形成以機柜冷熱通道相間隔的狀態（圖 3-4）,也可以采用機柜背對背的形式布置，在 IDC機房 采用下送風方式，可以采用圖 3-6的氣流組織形式。HOT AISLE COLD AISLE APPROACH圖3-6下送風氣流組織下送風頂回風的氣流組織有以下幾方面的顯著優點：1.活動地板下用作送風靜壓箱，當計算機設備進行增減或更新時.可方便地調動或新增地板送風口及機柜接線口的位置及數量。2.機房頂部留有的空間既可用作回風靜壓箱，又可敷設各種管線。2 .采用下送上回氣流組織在設汁中需要注意的問題：1）保持活動地板下一定的均勻靜壓值：機房內架空的活動地板下

14、的空間，用作送風風道，通風截面較大，為矩形形狀，截面豎向間隔有許多 活動地板的支撐桿，造成空氣沿地板長度方向流動過程中的壓力損失。如果送風沿途的距離較長，選用的 通風機全壓值雖能克服地板長距離送風的全部壓力損失，但送風的始、終端的壓差較大，不利于地板下保 持均勻的靜壓值，因此，不能在地板下敷設各種通信線纜，同時要適當控制地板下送風的距離。架空地板 的高度也要把握。數據中心機房活動地板敷設高度至少為0.4米，2）控制活動地板下的送風口風速：機房空調向活動地板下送風，送風口不宜集中在一個出處，由于機房空調送風風量大，送風口過分集 中在一個斷面出口，往往在一定全壓條件下，出口處的動壓值較大，靜壓值較

15、小，如果離送風出口附近的 不遠處設有地板送風風口 ，那么這個風口很可能要變為實際上的吸風口。為防止產生這種不良現象， 可在端部送風截面上橫向多開幾個送風口。如果機房地板上設立有多臺專用空調機時，也應將空調機沿機房長度 方向，適當間隔一定距離布置，以利于活動地板下的氣流分布均勻。3）樓地面必須符合土建規范要求：機房設計采用下送風方式。樓地面必須符合土建規范要求的平整度。地面需要進行防塵處理。活動地 板下均經刷漆處理，達到不起塵的作用，從而保證空調送風系統的空氣潔凈。活動地板安裝過程中，地板 與墻面交界處，活動地板需精確切割，切割邊需封膠處理后安裝，避免風道漏風。3 .幾種送回風方式的冷卻效果比較

16、IDC計算機機柜是個散熱量大而又集中的設備，運行中的機柜內溫度不斷升高，此時，機柜的一部分 熱量向機房內散放，使機房內的室溫升高，同時，又影響到機柜的散熱。當機柜的散熱不充分時，機柜內 的溫度將繼續升高到一定值時 （極限溫度為60C）,易造成電子元器件發生故障。因此，機房空調與機柜冷 卻兩者互為關聯，空調首要要保證機柜冷卻，其次才是機房的環境冷卻。機房的送回風方式不但關系到機 柜的冷卻效果，而且也關系到空調的送風風量及初次投資和日常的經濟運行。我們對某些單位進行過一些調查，機房單位面積的耗冷量相近，而空調采用的送回風方式不同，機柜 實際得到的冷卻效果相差甚遠，也可這樣認為在機房單位面積的耗冷量

17、相近，送風溫度相近，采用下送上 回的氣流組織，機柜實際獲得的冷卻效果，優于上送風方式。同時從調查中了解到，無論采用上送或下送的送風方式，只要空調送風系統的工況管理調節好，機房 內工作區的風速，均能達到設計要求。四、機房空調送風量計算機房空調送風量，按機房在夏季最大的得熱負荷結合采用的氣流組織進行計算。對于IDC機房這樣的大型計算機機房，一般要分別計算機房空調送風量及機柜冷卻風量。機房空調送風量在機房溫濕度空調參數確定后，根據機房最大的熱負荷及得濕負荷，從濕空氣焰濕圖（h d圖）上查得送風溫差，按設計規范在室溫允許波動范圍大于1C時，送風溫差可在610 c范圍內取用，即可算得機房空調送風量。1

18、.機房上送下回氣流組織的送風量按下式計算口 _ Qi + C4 +Q3+ Q. _ Q +0： +。本 + 04（式 4-1 ）式中：G1機房送風風量，kg/s；Q1 機房建筑圍護結構傳熱量， W;Q2計算機設備散熱量, W;Q3人體散熱量,W;Q4 照明燈散熱量， W;hn 機房空氣焰，kJ/kg;hs 機房送風空氣焰，kJ/kg ;tn 機房空調溫度.C,ts 機房空調送風溫度， C;c干空氣定壓比熱，1.01kJ /kg? C2 .機房與機柜下送上回氣流組織的送風量計算：（1）機房送風量按下式計算：一認 + 2 + Q?心一飛才（式 4-2）式中符號含義同上。（2）機柜冷卻送風量按下式計算：叫T,'（式 4-3）式中：G2 計算機機柜需送風冷卻的送風風量,kg/s；Q5 需送風冷卻的計算機機柜散熱量，W;t3 送風冷卻機柜的出口排風溫度，楮管元件取不大于26C;集成電路宜取28 30 C;機柜出口排風的相對濕度宜取 4550 %;ts 地板風口的出口送風溫度， ；金屬地板宜取量1720 ；從計算公式也可以看出，達到相同制冷效果的前提下，下送風所需風量比上送風所風量小，機柜下送 風送風量比機房下送風送風量小，這也就說明了下送上回式風比上送下回氣流組織