一、引言
　　
　　随着数字经济发展,数据中心作为核心基础设施重要性与日俱增。数据中心规模呈指数级增长,其能耗问题也随之加剧。据权威统计,在数据中心能耗构成体系中,IT设备用电占比达45%-55%,空调系统占比35%-45%,由此可见,冷却系统节能已成为数据中心节能的关键突破口[1-2]。
　　
　　早期建设的数据中心,伴随互联网技术迭代,在完成IT设备升级后,机房热流密度显著增加,这使得存量机房的冷却系统难以满足新型高功率服务器的散热需求,致使存量数据中心在节能方面均面临巨大挑战。因此,开展存量数据中心节能改造,深入探究数据机房绿色节能改造技术,对于降低数据中心能耗具有重要意义。
　　
　　本研究基于计算流体动力学(CFD)理论,深入探讨CFD技术在存量数据中心节能改造中的实际应用,系统分析其在优化气流组织与实现节能目标方面的潜在价值[3-4]。
　　
　　本文将针对数据中心典型布局,进行了4种场景开展对比模拟研究,旨在为存量数据中心节能改造提供科学的理论依据与实践指导。
　　
　　二、基于CFD的仿真基础
　　
　　数据中心的CFD仿真包含几何建模、边界条件及网格划分、仿真求解及结果分析这几部分。
　　
　　本节将针对某典型数据中心展开说明。
　　
　　1.几何建模
　　
　　某典型IT机房分为IT间和空调间两部分。IT间长16.1m,宽13.2m,地板架高为0.9m,无吊顶。共有4列机柜,每列由15个机柜组成,每个机柜长×宽×高=1200mm×600mm×2200mm,采用面对面,背对背布置。精密空调位于IT设备机房南侧的空调机房,采用地板下送风自由回风方式,不封闭冷通道。机房间共配置了4台空调,每台空调制冷量为120kW,送风量为25920m³/h,送风温度设定为18℃。机房布置情况如图1所示。
　　
　　2.边界条件与网格划分
　　
　　针对数据机房中的IT设备及空调等关键设备,进行了详细的模型建模与参数设置。在模拟过程中,将空调的送风口和回风口视为边界条件,而数据机房的墙壁设定为理想的绝热界面,同时在此模型中暂不考虑设备自身厚度对热传递的影响,并关闭了辐射散热,将问题简化为稳态热力学问题进行仿真求解[5]。
　　
　　本机房模型采用非结构化网格,软件中在空调和机柜等关键的设备生成密集的网格,其它区域生成相对稀疏的网格,这样可显著降低网格的数量,同时也保证了模型计算的准确性。本模型选用非结构化六面体网格对数据机房进行模拟仿真,关键设备区域加密网格,模型的初始网格结构如图2所示。
　　
　　3.仿真求解
　　
　　仿真模型的收敛曲线如图3所示,在580步时满足残差趋近于1。通过对进口和出口的质量流量、体积流量差异进行统计分析,若所得差值趋于较小,则可初步判定模型计算已达到收敛状态[6]。当模型中温度、KE、EP、X方向速度、Y方向速度、Z方向速度、压力等残差曲线,在求解迭代过程中残差曲线趋近于1,不再发生显著波动时,即可认为该数据中心机房模型的计算已经成功收敛。
　　
　　4.结果分析
　　
　　对原始方案进行仿真模拟,将仿真结果导出为机柜平均进口温度分布图、机柜半高处温度云图、地板格栅流量图、冷通道流线图,以此分析数据机房气流组织。
　　
　　如图4所示,根据机柜平均进口温度分布图可知,机柜存在局部热点,机柜平均进风温度的最大值达到了26℃。在机柜列边缘靠近空调的位置,为机柜平均进风口温度最高点。根据机柜半高处温度云图可知,机柜列边缘存在明显的冷热气流掺混,边缘机柜平均进口温度偏高。通过地板格栅流量图可知,地板格栅流量不均匀,靠近空调位置的地板格栅的流量最低。通过冷通道流线图可以看出,房间冷通道未封闭,部分冷风与热气流掺混,降低了冷却效果;同时机柜列边缘机柜热风回流到机柜进风口,导致边缘机柜产生局部热点。
　　
　　综上可知,原始状态存在局部热点,冷热气流直接惨混降低了机房冷却效果。靠近空调的地板格栅出风流量较低,不利于机柜的冷却[7]。
　　
　　三、基于CFD的节能改造措施研究
　　
　　1.冷热通道封闭优化
　　
　　优化方案采用封闭冷通道的措施。模型中按照改造程度最小，效果最优的前提。优先选用封闭冷通道的改造措施，可分隔冷热空气,解决冷热气流的直接惨混，使机柜进风温度均匀性得到提升[8-9]。
　　
　　如图5所示,根据机柜平均进口温度分布图可知,机柜存在局部热点得到初步解决,机柜平均进风温度的最大值降低到19.4℃。同样在机柜列边缘靠近空调的位置,为机柜平均进风口温度最高点。根据机柜半高处温度云图可知,封闭冷通道使冷热气流得以分开,解决了冷热气流的直接掺混,有利于降低机柜进风温度。通过地板格栅流量图可知,地板格栅流量依然不均匀,靠近空调位置的地板格栅的流量最低。通过冷通道流线图可以看出,房间冷通道封闭把冷空气限制在冷通道内,冷风需从机柜冷却后流出,能够增强机房的冷却效果。同时也能够解决机柜列边缘机柜热风回流到机柜进风口的问题。
　　
　　综上可知,封闭冷通道能够隔离冷热气流,解决冷热气流的直接惨混,有效降低机柜进风温度。
　　
　　2.地板格栅通风率优化
　　
　　优化方案二中改善地板格栅通风率,从原方案中地板格栅开孔率的80%降低到25%。基于封闭冷通道的优化方案,冷通道封闭可以解决了冷热气流的直接惨混。但模型中地板格栅出风口风量不均匀,靠近空调的地板出风口风速偏高,风量降低。基于封闭通道模型,降低地板格栅的风阀开度,进一步提高高架地板的静压效果,以提高通道内地板格栅的出风均匀性。
　　
　　如图6所示,根据机柜平均进口温度分布图可知,机柜平均进风温度的最大值得到进一步降低,为18.7℃,机柜进口温度的温升在1℃以内。根据机柜半高处温度云图可知,封闭冷通道使冷热气流得以分开,解决了冷热气流的直接掺混,有利于降低机柜进风温度。通过地板格栅流量图可知,降低地板格栅开孔率可提高地板静压效果,靠近空调的位置的地板格栅流量增加到了0.247m³/s,地板格栅流量均匀性得到有效增加。通过冷通道流线图可以看出,房间冷通道封闭把冷空气限制在冷通道内,冷风需从机柜冷却后流出,能够增强机房的冷却效果。同时也能够解决机柜列边缘机柜热风回流到机柜进风口的问题。
　　
　　综上可知,降低地板格栅的开孔率,可以提高地板静压效果,使地板出风量更加均匀,可以进一步降低机柜进风温度。
　　
　　3.空调送风控制优化
　　
　　优化方案三中提高空调送风温度，从原方案中空调送风温度18℃升高到25℃。基于封闭冷通道和降低地板格栅通风率的优化措施，冷通道封闭可以解决冷热气流的直接惨混，降低地板格栅的风阀开度，可以提高通道内地板格栅的出风效果。从节能的角度出风，机柜进风温度要求为18～27℃，可进一步提高空调送风温度，验证机房的冷却效果。
　　
　　如图7所示,根据机柜平均进口温度分布图可知,机柜平均进风温度的最大值为25.8℃,机柜进口温度的温升在1℃以内,机柜进风温度依然在国标27℃安全范围内。根据机柜半高处温度云图可知,封闭冷通道使冷热气流得以分开,解决了冷热气流的直接掺混,机房虽送风温度得到升高,但整体依然保持机柜较好的冷却效果。通过地板格栅流量图可知,降低地板格栅开孔率可提高地板静压效果,靠近空调的位置的地板格栅流量增加到了0.248m³/s,地板格栅流量均匀性得到有效增加。通过冷通道流线图可以看出,房间冷通道封闭把冷空气限制在冷通道内,冷风需从机柜冷却后流出,能够增强机房的冷却效果。同时也能够解决机柜列边缘机柜热风回流到机柜进风口的问题。
　　
　　综上可知,基于封闭冷通道和降低地板格栅开孔率的优化措施,机房已有比较好的冷却效果。然后进一步提升空调送风温度,机房冷却效果依然能够满足国标要求。在保证机房安全运行的前提下,空调送风温度提升到了7℃,可以大幅度降低冷却系统运行能耗,实现节能降碳的目标。
　　
　　四、不同方案的对比研究
　　
　　1.优化前后机柜进出风温度对比
　　
　　模型中统计了不同方案下机柜进出风温度最小值和最大值,以此对比研究不同方案机柜进出风温度的变化情况,如表1所示。
　　
　　由图8可知,随着不同优化措施的叠加,进出风温度最小值基本保持空调送风温度不变,最大值有明显的增加,其中原方案的机柜进风温度最大值达到了26℃,比送风温度增加了8℃,存在明显的局部热点问题。原方案的机柜出风温度最大值也有明显增加。优化方案一至三由于均采用了封闭冷通道的优化措施,可以看到机柜进风温度的增加均在1.4℃以内,说明封闭冷通道能够有效降低机柜进模型中统计了不同方案下地板格栅开孔率和风量区间,以此对比研究不同地板格栅开孔率的风量差别,如表2所示。
　　
　　由图9可知,地板格栅开孔率为80%时,原方案和优化方案一中的地板格栅风量区间较大,说明地板格栅出风量不均匀,存在部分地板格栅出风量偏低的问题。地板格栅开孔率为25%时,优化方案二和优化方案三中的地板格栅风量区间较小,说明地板格栅出风量比较均匀。对比可知,地板格栅通风率从80%降低到25%,风量分布区间大幅度下降,这说明随着地板格栅开孔率的减小,机房内地板格栅出口风量均匀性逐渐上升,地板格栅风量差距减小,有利于机柜的整体冷却。
　　
　　通常数据中心机房内所有开孔地板格栅的开孔率都是一样的，但是由于静压箱内压力分布不均匀，靠近空调区域的地板格栅处，由于静压箱内流速较大，流动方向与地板格栅出风口方向垂直,使得其地板格栅出口流量低于正常值。为了使每个地板格栅风口流量保持一致，可以降低地板格栅开孔率，增加地板下静压箱的效果。此外还可以根据机柜负载的不同，精细化调节地板格栅的开孔率；在低负载机柜降低开孔率，适当减小地板格栅出风流量；在高负载机柜增加开孔率，适当增加地板格栅出风流量；保证全部机柜均有较好的冷却效果。
　　
　　五、结论
　　
　　根据CFD仿真模型的对比研究,存量数据机房的节能改造可通过多技术协同实现显著优化。封闭冷通道技术能有效遏制冷热气流掺混,改善机房气流组织;合理调节地板格栅开孔率,可优化地板下静压分布,使出风口流量更加均匀。在完成气流组织优化的基础上,从节能角度出发还可提升空调送风温度,既能保障机柜高效冷却,又能实现显著的节能降碳效益。
　　
　　此外,CFD仿真技术为改造方案的评估与优化提供了科学依据,通过对比不同方案的仿真结果,可筛选出最优节能策略。因此,存量数据机房的节能改造需以问题诊断为前提,结合气流组织优化、温度调节与仿真验证等多措施协同推进,方能实现高效节能的改造目标。针对存量数据中心改造,需通过多种优化措施的协同实施,方可实现最大化的节能效果。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]原世杰,鹿世化.基于热环境评价指标的数据中心气流组织模拟研究[J].暖通空调,2016,46(01):66-72.DOI:10.19991/j.hvac1971.2016.01.018.
　　
　　[2]杨超,黄赟,丁聪.采用CFD仿真优化数据中心气流组织[J].电信工程技术与标准化,2018,31(9):4.DOI:CNKI:SUN:DGJB.0.2018-09-024.
　　
　　[3]闫涛,杨欣,秦冰月,等.CFD仿真技术在数据中心机房改造中的应用研究[J].绿色建筑,2019,11(6):4.DOI:CNKI:SUN:HXJC.0.2019-06-011.
　　
　　[4]蒋建云,孟庆礼,彭琳,等.基于CFD模拟数据机房气流组织方案的对比分析[J].安装,2020(11):34-36.
　　
　　[5]顾建兵.既有数据中心机房节能改造方案研究[J].制冷与空调（四川）,2024,38(5):705-714.
　　
　　[6]姚钦锋,张春辉,高福义,等.CFD仿真软件在数据中心气流组织优化中的应用[J].暖通空调,2023,53(S01):68-71.
　　
　　[7]赵晓,丁卫科,郑芳芳.存量通信机房的空调气流组织优化研究[J].江苏通信,2024(6).DOI:10.3969/j.issn.1007-9513.2024.06.024.
　　
　　[8]房电伟,邢哲理,李宗新,等.某数据机房地板送风+封闭冷通道方案研究[J].制冷与空调(四川),2023,37(2):292-296.DOI:10.3969/j.issn.1671-6612.2023.02.019.
　　
　　[9]郭聪,吴雷,王丽.数据中心空调系统节能改造技术应用[J].制冷与空调,2023,23(10):86-92.
　　
　　作者简介
　　
　　龚红超，暖通专业硕士,现任北京瑞思博创科技有限公司CFD高级工程师。专注数据中心行业CFD仿真领域,凭借专业知识和实践经验,致力于数据中心设计及运维阶段的气流组织优化和节能改造。
　　
　　编辑：Harris