地板下送风风道结构对数据中心热环境影响的研究

摘要

数据中心建设的蓬勃发展与其高能耗的特点已经引起了社会及国内外专家学者的广泛关注，节能改造或建造高能效的数据中心对于节能降耗研究具有重大意义。在数据中心的能耗组成中，空调系统能耗约占45％左右，成为主要的能耗来源。随着电子产品集成化程度的不断提高，单位面积散热量每年大幅增长，高热流密度设备的巨大发热量给空调系统供冷提出严峻考验。同时由于气流组织不合理、设备不匹配等因素造成的冷量浪费和局部过热现象亟待解决。为了保证设备安全稳定的运行，创造良好的数据中心热环境显得尤为重要。
　　目前在数据中心节能探索研究中，国内外专家学者更多集中在热环境改善、气流组织优化的研究中。数据中心内气流组织的运行效果是通过热环境来呈现，优化出合适的气流组织形式，不仅有利于减少数据中心局部热点产生，改善热环境，还能提高冷量的利用率，降低数据中心的空调系统能耗。
　　冷/热通道布置、架空地板下送风上回风方式作为行之有效的数据中心气流组织形式被广泛采用。对于地板下送风型数据中心，地板下静压层内的气流组织在数据中心有效运作上起关键作用。因此改善地板下送风型数据中心气流组织分布的关键就是要优化地板下静压层内的流场。而影响地板下静压层内流场的因素主要包括:机房空调的位置及送风速度、静压层的高度、穿孔地板的穿孔率和地板下障碍物的位置，如地板支架、电缆和管道等。为了改善地板下送风型数据中心热环境品质，优化气流组织分布，提高冷量利用率，国内外的研究主流主要是以下两方面:一、冷通道封闭、热通道封闭;二、优化地板下送风风道结构。研究手段也大多是数值模拟的方法。
　　大型数据中心往往都是以排布奇数列或偶数列机柜的数据中心子模块为基础扩展而成。本文以改善数据中心热环境，降低空调系统能耗为根本目标，以排列偶数列机柜的数据中心子模块为基础，选取某大型数据中心排布4列机柜冷通道封闭的数据中心子模块作为研究对象，对开孔地板下送风形式下子模块的速度场与温度场展开全面的分析，总结存在的热环境问题。进一步地，数值模拟研究了静压层高度、穿孔地板穿孔率和地板下挡板角度对气流组织的影响，推荐静压层高度的范围为700mm～800mm，穿孔地板穿孔率的范围为20％～30％，并逐步优化出数据中心子模块的最佳静压层高度和穿孔地板穿孔率。在此基础上，为了得到最佳冷却效果，在静压层内架设挡板，并在-15°～45°的挡板角度中选择最佳角度位置。最终得到数据中心子模块的最佳气流组织模型并试验验证，有效改善数据中心热环境品质的同时，也为大型数据中心热环境的优化设计提供参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与目的

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究目的

1．2 国内外研究现状

1．2．1 封闭冷、热通道

1．2．2 改变地板下送风风道结构

1．3 目前存在的主要问题

1．4 本文的主要研究工作

第2章 数据中心气流组织的数值模拟研究

2．1 数据中心模型的建立

2．1．1 数据中心数值模型的建立

2．1．2 数据中心物理模型的确定

2．2 数据中心的模拟

2．2．1 边界条件与初始值设定

2．2．2 网格划分

2．2．3 数值求解

2．3 数据中心数值模拟计算结果分析

2．3．1 不同高度平面气流速度场分布

2．3．2 不同高度平面气流温度场分布

2．4 本章小结

第3章 数据中心气流组织的优化设计

3．1 概述

3．2 静压层高度对气流组织的影响

3．2．1 不同高度平面的速度分布

3．2．2 温度分布

3．2．3 静压层高度的优化

3．3 穿孔地板的穿孔率对气流组织的影响

3．3．1 不同高度平面的速度分布

3．3．2 温度分布

3．3．3 穿孔地板布局的优化

3．4 地板下挡板角度的变化对热环境的影响

3．4．1 速度分布

3．4．2 温度分布

3．4．3 地板下挡板角度的优化

3．5 本章小结

第4章 数据中心气流组织的试验验证

4．1 机柜周围气流速度与温度测试分析

4．1．1 试验测试内容及方案

4．1．2 机柜进风侧气流速度测量分析

4．1．3 机柜周围气流温度测量分析

4．2 数据中心气流组织特性分析

4．3 试验测量的不确定度分析

4．3．1 气流温度测量的标准不确定度评定

4．3．2 气流速度测量的标准不确定度评定

4．4 数据中心CFD模拟的可靠性验证

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 全文总结

5．2 本文主要创新点

5．3 展望和建议

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢