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數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)地板送風(fēng)氣流組織優(yōu)化

雙擊自動(dòng)滾屏 發(fā)布者:精密空調(diào) 發(fā)布時(shí)間:2017-10-31 10:11:51 閱讀:次【字體:

1引言

在數(shù)據(jù)中心眾多用電成本支出中,空調(diào)的用電占有相當(dāng)大的比例。根據(jù)調(diào)查了解,僅精密空調(diào)運(yùn)行耗電就占機(jī)房電費(fèi)總量的50%以上 。因此,合理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng),對(duì)降低數(shù)據(jù)中心機(jī)房的運(yùn)行成本具有重要意義。

機(jī)房中,因設(shè)計(jì)不合理等因素制約,會(huì)造成機(jī)房氣流組織不合理、不通暢,從而導(dǎo)致局部熱點(diǎn)、機(jī)房能源利用率低等問(wèn)題 。因此,不僅需要合理設(shè)計(jì)機(jī)房的空調(diào)系統(tǒng),更需要在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行階段利用CFD軟件模擬分析數(shù)據(jù)中心主機(jī)房氣流組織情況,并提出氣流組織優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,這對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的節(jié)能減排有著巨大的作用。

2工程概況

本文設(shè)計(jì)對(duì)象———數(shù)據(jù)中心機(jī)房大樓位于江蘇省南京市,為四層鋼筋混凝土框架建筑,總面積2522m2,機(jī)房樓層高5.5m,凈高3m。主要分為一層UPS區(qū)(約312m2),二層網(wǎng)絡(luò)、介質(zhì)區(qū)(797m2),三層主機(jī)房區(qū)(827m2),四層設(shè)備維運(yùn)區(qū)(174m2)等主要區(qū)域。

3機(jī)房環(huán)境技術(shù)要求

根據(jù)枟電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范枠,該程控機(jī)房為A級(jí),其設(shè)計(jì)的參數(shù)要求如表1所示 。為使機(jī)房達(dá)到上述溫度、濕度、潔凈度等要求,需用機(jī)房專用精密空調(diào)以滿足要求。

4空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 

4.1 負(fù)荷計(jì)算

數(shù)據(jù)中心負(fù)荷一般包括墻體、窗、人等冷負(fù)荷及服務(wù)器產(chǎn)生的顯熱冷負(fù)荷。其負(fù)荷特點(diǎn)是:發(fā)熱量大且相對(duì)穩(wěn)定,需要全年制冷。 

空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如表2所示。

4.2 空調(diào)方式設(shè)計(jì) 

目前數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)主要有3種空調(diào)方式:

(1)風(fēng)冷直接蒸發(fā)式精密空調(diào)機(jī)組;

(2)水冷直接蒸發(fā)式精密空調(diào)機(jī)組;

(3)冷凍水型精密空調(diào)機(jī)組。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件,以及在建筑格局、可靠性、安全性、初投資方面的比較,本工程選擇水冷直接蒸發(fā)式精密空調(diào)機(jī)組的空調(diào)方式,主要采用冷媒直接蒸發(fā)式蒸發(fā)器,冷凝器采用循環(huán)水直接冷卻方式,系統(tǒng)制冷介質(zhì)為冷媒(R22)。系統(tǒng)原理如圖1所示。由圖1可知,系統(tǒng)主要由室內(nèi)空調(diào)機(jī)組,冷卻水系統(tǒng)(含冷卻塔、水泵、管路)構(gòu)成。冷卻塔一用一備,水泵設(shè)計(jì)為2用1備,冷卻水管采用機(jī)械循環(huán)同程式布置。冷卻塔放置樓頂,循環(huán)水泵房設(shè)置在冷水機(jī)房。

4.3 氣流組織方式設(shè)計(jì)

由于機(jī)房機(jī)柜以面對(duì)面、背對(duì)背方式布置,在機(jī)房?jī)?nèi)形成冷熱通道分離。因此,主機(jī)房區(qū)采用下送上回的氣流組織方式,熱空氣從機(jī)房空調(diào)機(jī)頂部進(jìn)入,經(jīng)冷卻后送入地板下的送風(fēng)靜壓箱,由穿孔地板進(jìn)入機(jī)房,使末端送回風(fēng)溫差增大,減少循環(huán)風(fēng)量,送風(fēng)口與回風(fēng)口分別采用孔板風(fēng)口600mm×600mm、格柵風(fēng)口600mm×600mm。

4.4 新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》要求:(1)主機(jī)房與其它房間、走廊的壓差不宜小于5pa,與室外靜壓差不宜小于10pa。(2)空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)量應(yīng)取下列兩項(xiàng)中的最大值:按工作人員計(jì)算,每人40m3/h;維持室內(nèi)正壓所需風(fēng)量 。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房新風(fēng)量計(jì)算公式為:

 L=SHN(1)

 式中L———新風(fēng)量,m3/h 

S———房間面積,m2 

H———機(jī)房有效高度,m 

N———換氣次數(shù),取N=1.5次/h 

以主機(jī)房為例,主機(jī)房面積為400m2,層凈高5.5m,則主機(jī)房所需新風(fēng)量應(yīng)不小于3300m3/h,根據(jù)該參數(shù)選擇新風(fēng)機(jī)。新風(fēng)經(jīng)過(guò)三級(jí)過(guò)濾,過(guò)濾效率達(dá)到95%以上,能夠保證每升空氣中大于或等于0.5μm的塵粒數(shù)少于18000粒 ,處理新風(fēng)溫度至23℃后送至室內(nèi)。

新風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口由風(fēng)管接至室外吊頂安裝,送風(fēng)風(fēng)管在機(jī)房?jī)?nèi)安裝,風(fēng)管上接散流器,將新風(fēng)均勻地送至機(jī)房?jī)?nèi)。另室內(nèi)設(shè)置余壓閥,當(dāng)室內(nèi)正壓超過(guò)10pa,能夠自動(dòng)啟動(dòng)泄壓。

4.5 消防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主機(jī)房區(qū)和UPS區(qū)采用七氟丙烷(FM200)氣體滅火系統(tǒng),當(dāng)發(fā)生火災(zāi)經(jīng)氣體滅火后,為有效排出滅火后的廢氣,需設(shè)氣體滅火后的排氣系統(tǒng)。

 根據(jù)消防排煙系統(tǒng)特點(diǎn)以及《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定:“滅火后,防護(hù)區(qū)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行通風(fēng)換氣,換氣次數(shù)可根據(jù)防護(hù)區(qū)的性質(zhì)考慮:通信機(jī)房、計(jì)算機(jī)機(jī)房可按每小時(shí)5次進(jìn)行”,本工程采用5次/h的換氣次數(shù)作為主機(jī)房及UPS室的排煙風(fēng)量。

排風(fēng)量計(jì)算公式為: 

Q=NV(2)

 式中Q———排風(fēng)量,m³/h

N———換氣次數(shù),取5次/h
V———房間體積,m³

 以主機(jī)房為例,計(jì)算出主機(jī)房所需排風(fēng)量為11000m³/h,以此參數(shù)來(lái)選擇消防排煙風(fēng)機(jī)。由于七氟丙烷的密度比空氣大,當(dāng)滅火后氣體聚集在房間的下部,因此需在架空地板上和下分別設(shè)置排煙風(fēng)口。

4.6 高密度制冷方案設(shè)計(jì)

一方面,在機(jī)房不同區(qū)域內(nèi),由于刀片式服務(wù)器的分布不均等原因,導(dǎo)致機(jī)房各個(gè)部位發(fā)熱量不同,加上一些機(jī)房因下送上回的送風(fēng)方式,使得地板下線路擁堵,阻礙氣流流通;另一方面,在業(yè)務(wù)增長(zhǎng)而增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備過(guò)程中,不同機(jī)柜內(nèi)以及區(qū)域的功率密度也會(huì)變得不再均衡,導(dǎo)致不同節(jié)點(diǎn)設(shè)備輻射的熱量不同。這些問(wèn)題都會(huì)使機(jī)房出現(xiàn)局部設(shè)備附近過(guò)熱現(xiàn)象,即產(chǎn)生局部熱點(diǎn),嚴(yán)重增加機(jī)房能耗,影響機(jī)房效率。 

為降低能耗,本工程使用冷水背板技術(shù),一種近距離制冷技術(shù)來(lái)改善局部空間發(fā)熱密度過(guò)高的問(wèn)題。該背板安裝在機(jī)柜門(mén)后,不占用機(jī)房空間,使用過(guò)程中沒(méi)有功率損耗,也不產(chǎn)生噪聲,能夠滿足密度大的機(jī)房冷卻需要。該技術(shù)原理如圖2所示。

5氣流組織模擬分析及優(yōu)化

目前數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能技術(shù)歸結(jié)起來(lái),可分為自然冷源利用、氣流組織優(yōu)化、提高空調(diào)設(shè)備本5氣流組織模擬分析及優(yōu)化目前數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能技術(shù)歸結(jié)起來(lái),可分為自然冷源利用、氣流組織優(yōu)化、提高空調(diào)設(shè)備本身效率3種方式 。本文僅以數(shù)據(jù)中心主機(jī)房為例,從氣流組織優(yōu)化角度進(jìn)行氣流分析與優(yōu)化。

5.1 數(shù)據(jù)中心主機(jī)房模型

為研究對(duì)象建立3D模型如圖3所示。

(1)房間面積為400m2,高為5.5m。機(jī)房采用防靜電高架地板,鋪設(shè)高為750mm。

(2)根據(jù)測(cè)量資料,主機(jī)房?jī)?nèi)人員及照明等冷負(fù)荷為32W,服務(wù)器顯熱冷負(fù)荷為444W,采用精密空調(diào)機(jī)7臺(tái),5用2備。

5.2 氣流組織模擬分析

數(shù)據(jù)中心主機(jī)房應(yīng)運(yùn)行在一個(gè)穩(wěn)定、合理、溫濕度分布均勻的環(huán)境中 ,主機(jī)房采用下送上回的氣流組織方式。下送風(fēng)的氣流方式,雖然有簡(jiǎn)單、制冷效果好等優(yōu)點(diǎn)。但其應(yīng)用中極易出現(xiàn)地板下走線擁堵等問(wèn)題,導(dǎo)致氣流組織不合理,增長(zhǎng)空調(diào)能耗。為避免以上問(wèn)題,本文使用IBM機(jī)房專用氣流模擬分析軟件對(duì)主機(jī)房氣流組織、溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬,分析機(jī)房布局與氣流組織的合理性。因本工程主機(jī)房門(mén)窗較為密封,且開(kāi)啟時(shí)間相當(dāng)少;室外空氣難以滲透進(jìn)室內(nèi),加上主機(jī)房無(wú)人值守,故假設(shè)此主機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行在理想狀態(tài)下,室外溫度僅通過(guò)主機(jī)房外墻導(dǎo)熱到機(jī)房?jī)?nèi),并且假設(shè)沒(méi)有室外濕度進(jìn)入。

經(jīng)過(guò)模擬后,主機(jī)房氣流組織模擬與溫度分布如圖4~7所示。

根據(jù)氣流模擬圖與溫度分布圖,需觀察分析如下數(shù)據(jù):

(1)模擬氣流組織,監(jiān)視冷熱氣流的交匯,以觀察造成的能量損失情況;

(2)驗(yàn)證空調(diào)總制冷量計(jì)算及設(shè)計(jì)是否正確;

(3)驗(yàn)證空調(diào)送風(fēng)量計(jì)算及設(shè)計(jì)是否滿足要求;

(4)驗(yàn)證靜電地板下的溫度、壓力情況是否符合設(shè)計(jì)要求;

(5)驗(yàn)證地板下氣流組織是否符合設(shè)計(jì)要求;

(6)驗(yàn)證離地1.6m情況下,是否存在“熱點(diǎn)”問(wèn)題; 

通過(guò)模擬圖,可以看出程控機(jī)房的空調(diào)整體設(shè)計(jì)滿足基本的要求,氣流組織良好,滿足設(shè)計(jì)需求,但在熱氣流模擬圖與溫度分布圖中發(fā)現(xiàn),主機(jī)房氣流出現(xiàn)幾處混亂,存在多處熱氣流和冷氣流混合的情況,并伴隨著局部熱點(diǎn),主要集中在靠近空調(diào)的區(qū)域。分析原因是總的制冷量足夠,但是風(fēng)量不夠(越靠近精密空調(diào)的區(qū)域,風(fēng)量越小)。

5.3 氣流組織優(yōu)化設(shè)計(jì) 

(1)冷池技術(shù)解決氣流混亂問(wèn)題冷池技術(shù)是在機(jī)柜內(nèi)構(gòu)建機(jī)柜設(shè)備制冷用的冷通道,從而將冷空氣限制在機(jī)柜中,避免了冷熱空氣混合,并限制冷氣設(shè)備散熱作用,從而改善冷空氣利用率、減少氣流紊亂問(wèn)題 。 

本機(jī)房采用“冷池”技術(shù)隔絕精密空調(diào)送風(fēng),使其不參與與環(huán)境空氣以及服務(wù)器排風(fēng)的混合過(guò)程,這樣空調(diào)系統(tǒng)就能提供更多有效送風(fēng)風(fēng)量,解決氣流紊亂問(wèn)題的同時(shí)可降低精密空調(diào)制冷能耗。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后,用IBM專用CFD軟件進(jìn)行模擬,分析優(yōu)化后其氣流組織情況如圖8所示,發(fā)現(xiàn)氣流組織良好,氣流混亂問(wèn)題解決的效果良好,驗(yàn)證了方案的有效性。

(2)變風(fēng)量輔助制冷單元解決局部熱點(diǎn)問(wèn)題變風(fēng)量輔助制冷單元溫感探頭安裝在受控服務(wù)器機(jī)柜區(qū)域,感測(cè)設(shè)備的出風(fēng)溫度,調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變風(fēng)量。由于風(fēng)量調(diào)節(jié)的過(guò)程中對(duì)地板送風(fēng)靜壓箱內(nèi)的靜壓產(chǎn)生影響,故用靜壓傳感器采集靜壓變化,實(shí)現(xiàn)空調(diào)送風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)節(jié),以達(dá)到節(jié)能優(yōu)化的目的。

優(yōu)化后進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),觀察溫度與氣流分布如圖9所示,發(fā)現(xiàn)機(jī)房的溫度分布得到了明顯的改善,氣流也趨于穩(wěn)定。

6結(jié)語(yǔ)

本數(shù)據(jù)中心工程已經(jīng)竣工并投入使用,目前運(yùn)行情況良好,機(jī)房?jī)?nèi)溫濕度穩(wěn)定,工程中氣流優(yōu)化設(shè)計(jì)能很好解決局部熱點(diǎn)等問(wèn)題,使氣流組織分布均勻,既滿足了空調(diào)設(shè)計(jì)規(guī)范要求,又能滿足數(shù)據(jù)中心長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的需要。本工程參考國(guó)內(nèi)外的機(jī)房建設(shè)經(jīng)驗(yàn),汲取現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心機(jī)房工程前沿技術(shù),設(shè)計(jì)了本數(shù)據(jù)中心的的空調(diào)節(jié)系統(tǒng),該空調(diào)系統(tǒng)滿足機(jī)房高密度設(shè)備的制冷要求。

根據(jù)機(jī)房綠色節(jié)能要求,從氣流組織優(yōu)化的角度,結(jié)合IBM專用CFD軟件模擬,分析了主機(jī)房的氣流組織及溫度場(chǎng),發(fā)現(xiàn)主機(jī)房存在的局部熱點(diǎn)等問(wèn)題,并對(duì)存在的問(wèn)題提出節(jié)能優(yōu)化方案。模擬仿真結(jié)果表明優(yōu)化設(shè)計(jì)節(jié)能方案,能有效解決機(jī)房中存在的局部過(guò)熱等現(xiàn)象,對(duì)同類(lèi)機(jī)房的節(jié)能設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有一定的參考意義。

來(lái)源:精密空調(diào) http://m.mygoldentreasures.com/


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