1、數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)氣流組 織研究與分析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)計對機(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。同時重點(diǎn)對IDC機(jī)房常見的幾種氣流組織進(jìn)行了研究與分析，對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)行著大量的計算機(jī)、服務(wù)器等電子設(shè)備，這些設(shè)備發(fā)熱量大，對環(huán)境溫濕度有著嚴(yán) 格的要求，為了能夠給IDC機(jī)房等提供一個長期穩(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，通常要求冷風(fēng)循環(huán)次數(shù)大于30次，機(jī)房空調(diào)送

2、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)房內(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；同時通過以上方式能夠使機(jī)房內(nèi)部的加濕和除濕過程縮短，濕度分布均勻。大風(fēng)量小焰差也是機(jī)房專用空調(diào)區(qū)別于普通空調(diào)的一個非常重要的方面，在做機(jī)房內(nèi)部機(jī)房精密空調(diào) 配置時，通常在考慮空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷的同時要考慮機(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)計的目的就是合理地組織室

3、內(nèi)空氣的流動使室內(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)計的任務(wù)，就是以投入能量為代價將一定數(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，作為評價氣流組織的經(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)” 3t定義：(2-1)式中：t0 送風(fēng)

4、溫度，tn 一工作區(qū)設(shè)計溫度，tp 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)計溫度進(jìn)行計算的.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，0 t=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，0t>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，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(fā)揮送入風(fēng)量的 排熱

5、作用，經(jīng)濟(jì)性差。2) 上送下回孔板送風(fēng)和散流器送風(fēng)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(fēng)氣流流型孔板送風(fēng)和密布散流器送風(fēng)，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(fēng)溫度接近室內(nèi)工作區(qū)平均溫度，即tp = tn時，0t=1.0。3）側(cè)送側(cè)回側(cè)送風(fēng)口布置在房間的側(cè)墻上部，空氣橫向送出，氣流吹對面墻上轉(zhuǎn)折下落到工作區(qū)以較低速度流過工作區(qū)，再由布置在同側(cè)的回風(fēng)口排出， 根據(jù)房間跨度大小，可以布置成單側(cè)回和雙側(cè)送雙側(cè)回。如圖2

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

7、送風(fēng)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(qū)，上部視為非工作區(qū)。采用中部送風(fēng)，下部的上部同時排風(fēng)，形成兩個氣 流區(qū)，保證下部工作區(qū)達(dá)到空調(diào)設(shè)計要求，而上部氣流區(qū)負(fù)擔(dān)排走非空調(diào)區(qū)的余熱量。顯然下部氣流區(qū)的 氣流組織就是側(cè)送側(cè)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(fēng)口和回風(fēng)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(fēng)口的場合是相當(dāng)合適的。但應(yīng)注意氣流短路的現(xiàn)象發(fā)生。如果氣流短路時, 則tp < tn時，0t <1.0經(jīng)濟(jì)性差。6) 下送上回這種形

8、式的送風(fēng)口布置在下部，回風(fēng)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(nèi)余熱量大，特別是熱源又靠近頂棚的場合，如計算機(jī)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(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，一般要從以下幾個主要方面來考慮。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

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(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)的氣流組織簡單的說就是送風(fēng)口回風(fēng)口的位置設(shè)計布置以及采用相應(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3-1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) 房內(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)冷卻的計算機(jī)

10、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，影響了對機(jī)柜的冷卻效果，我們曾在調(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，對于散熱量較大的機(jī)房，只有采用較低（1216 C）的空調(diào)送風(fēng)溫度，來維持機(jī)房較低的（20 ± 2 C）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)凈空較低以及計算機(jī)設(shè)備

11、布置較密時，部分回風(fēng)氣 流有可能被機(jī)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(xiàn)小區(qū)的渦流。機(jī)房內(nèi)出現(xiàn)的不 均勻溫度場，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算機(jī)及微型計算機(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，當(dāng)機(jī)柜與機(jī)柜采用背對背的形式布置時，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

12、，同時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)房內(nèi)可設(shè)架空的活動地板，活動地板下的空間，用作空調(diào)送風(fēng)的通道。空氣通過在活動地板上裝 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) 柜底部的活動地板風(fēng)口送出，送出的低溫空氣只在瞬間與機(jī)房內(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

13、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。HOT AISLE COLD AISLE APPROACH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.活動地板下用作送風(fēng)靜壓箱，當(dāng)計算機(jī)設(shè)備進(jìn)行增減或更新時.可方便地調(diào)動或新增地板送風(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）保持活動地板下一定的均勻靜壓值：機(jī)房內(nèi)架空的活動地板下

14、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(fēng)沿途的距離較長，選用的 通風(fēng)機(jī)全壓值雖能克服地板長距離送風(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)房活動地板敷設(shè)高度至少為0.4米，2）控制活動地板下的送風(fēng)口風(fēng)速：機(jī)房空調(diào)向活動地板下送風(fēng)，送風(fēng)口不宜集中在一個出處，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(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送風(fēng)口。如果機(jī)房地板上設(shè)立有多臺專用空調(diào)機(jī)時，也應(yīng)將空調(diào)機(jī)沿機(jī)房長度 方向，適當(dāng)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(guī)范要求：機(jī)房設(shè)計采用下送風(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。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(fēng)道漏風(fēng)。3 .幾種送回風(fēng)方式的冷卻效果比較

16、IDC計算機(jī)機(jī)柜是個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，機(jī)柜的一部分 熱量向機(jī)房內(nèi)散放，使機(jī)房內(nèi)的室溫升高，同時，又影響到機(jī)柜的散熱。當(dāng)機(jī)柜的散熱不充分時，機(jī)柜內(nèi) 的溫度將繼續(xù)升高到一定值時 （極限溫度為60C）,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

17、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 內(nèi)工作區(qū)的風(fēng)速，均能達(dá)到設(shè)計要求。四、機(jī)房空調(diào)送風(fēng)量計算機(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)行計算。對于IDC機(jī)房這樣的大型計算機(jī)機(jī)房，一般要分別計算機(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，從濕空氣焰濕圖（h d圖）上查得送風(fēng)溫差，按設(shè)計規(guī)范在室溫允許波動范圍大于1C時，送風(fēng)溫差可在610 c范圍內(nèi)取用，即可算得機(jī)房空調(diào)送風(fēng)量。1

18、.機(jī)房上送下回氣流組織的送風(fēng)量按下式計算口 _ Qi + C4 +Q3+ Q. _ Q +0： +。本 + 04（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)房空氣焰，kJ/kg;hs 機(jī)房送風(fēng)空氣焰，kJ/kg ;tn 機(jī)房空調(diào)溫度.C,ts 機(jī)房空調(diào)送風(fēng)溫度， C;c干空氣定壓比熱，1.01kJ /kg? C2 .機(jī)房與機(jī)柜下送上回氣流組織的送風(fēng)量計算：（1）機(jī)房送風(fēng)量按下式計算：一認(rèn) + 2 + Q?心一飛才（式 4-2）式中符號含義同上。（2）機(jī)柜冷卻送風(fēng)量按下式計算：叫T,'（式 4-3）式中：G2 計算機(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，楮管元件取不大于26C;集成電路宜取28 30 C;機(jī)柜出口排風(fēng)的相對濕度宜取 4550 %;ts 地板風(fēng)口的出口送風(fēng)溫度， ；金屬地板宜取量1720 ；從計算公式也可以看出，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