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VERTIV技术CFD热仿真在数据中心的应用探讨
作者:admin 发表时间:2018-5-23 12:41:09 阅读:

近十年来,随着通信行业的3G/4G建设、各行各业的IDC热潮,机房的建设数量急剧增长。对于一个机房而言,使用方最关注的莫过于安全、节能、维护便利。而随着大数据时代的降临,以及能源价格高企,安全与节能重要性更加突出。建设方对于一个机房的设计要求,开始附加上PUE的指标。而新技术、新设备、新思维、新标准的不断出现,使得原有的设计经验和设计方法遭遇挑战。过去习惯保守的设计思路,不一定能满足用户对机房节能的要求。而过多地关注节能的效果,又不一定能保障机房的安全。要在机房建设使用之前找到答案,避免机房投产后出现问题不得不整改带来损失,我们应该对设计方案进行评估。CFD热仿真技术的应用,可以为我们的决策提供直观的重要参考。2018年1月1日开始实施的新版国标《数据中心设计规范》GB50174-2018第7.3.1条规定:“并应采用计算流体动力学对主机房气流组织进行模拟和验证”,2017年12曰1日实施的《数据中心等级评定标准》T/CECS 488-2017规定,大型数据中心应作CFD验证,且标记显示这是必须符合的关键条款。

 

一、CFD热仿真在数据中心设计评估中的作用


1、  验证设计方案:对现有设计方案进行模拟验证,包括机柜、服务器布置、空调冷量大小与摆放位置、气流组织,看是否合理,有无局部热点?各台空调的利用率状况如何?空调故障停机情况下机房温升如何?空调是否适宜采取群控方式?

 

2、  优化设计方案:设计方案通过模拟验证后,有不合理的地方进行改进优化,然后对优化方案进行再次模拟,直至优化设计达到满意效果。

通过对设计方案的模拟验证、优化,避免主观失误,保护业主投资,减少或避免机房投产后出现问题的几率,提升机房整体安全性。

 

二、维缔技术CFD热仿真的主要内容与步骤


1、  建模  根据设计方案、设计图纸,用CFD软件进行建模,即创造出一个虚拟机房,这个虚拟机房的机柜摆放、服务器配置、空调大小和位置、气流组织布置,甚至机房高度、走线架布置、照明灯管数量和位置、横梁、立柱,都依据设计方案或设计图纸。

2、  运算  虚拟机房创造完成后,将建模文件在CFD服务器上进行模拟运算。

3、  输出结果  运算完成后,输出各种结果,包括任意平面的温度场云图(通常选取三个高度的水平面温度场云图)、空调气流流线图(包括送风、回风气流流线图)、各空调利用率、各机柜过热状况示意图、机房热负荷分布图等。

4、  备用\故障模拟   将利用率较高的空调关闭,再次提交运算,并输出结果。

5、  如果对输出结果满意,跳到步骤7;如果对结果不满意,执行步骤6。

6、  优化模拟  根据上面的输出结果进行方案的优化,再次提交运算并输出结果,满意的执行步骤7,不满意则重复步骤6,直到输出结果满意。

7、  评估结论  根据设计方案验证和优化模拟结果,给出对该设计方案的评估结论。设计方案不存在问题的,给出肯定意见;设计方案存在问题的,给出优化建议。

三、某数据中心机房设计评估案例


    1、机房概况  某数据中心的一个核心机房面积约660㎡,主设备区采用防静电地板下送风及上走线方式,空调区与主设备区用墙隔开,空调送回风用风管连接到隔墙上的风阀。机房层高5.2米,防静电地板高度为0.6米。机柜布局为冷热通道设计,通道不隔离,冷通道内用开孔地板送风。机柜高度2.45米,共252个,单机柜设计负载为6KW。空调分布于上下两边的空调房间内,每边各安装7台P3140DR的空调,均采用6主1备方式。空调额定风量为37260m3/h,采用送风温度控制,设定为18℃。




2、 建模  根据设计资料,在CFD软件上面创建一个虚拟机房

 


 


3、  运算  虚拟机房建好后,就可以开始模拟各种方案,然后将建模文件在CFD服务器上提交运算后,输出各种结果

 

 


 


可以截取多个高度的温度场云图,通常截取3个高度,图4为0.2米高度:

 


 


开孔地板送风量模拟结果

 


图5  开孔地板送风量


空调利用率

 


图6  空调利用率


从上面的几个输出结果看,存在开孔地板送风不均匀、热通道气流串到冷通道的问题,导致有较多的机柜处于过热或临近过热状态。所以,可以进一步做优化的方案模拟,比如,将地板高度抬升到0.8米,再次提交计算,输出结果:

各机柜过热情况:

 


图7  机柜过热示意图


取同样的三个高度的温度场云图,图8为0.2米高度的温度场云图:

 



开孔地板送风量模拟结果:

 


图9  开孔地板送风量


空调利用率结果:

 


图10  空调利用率


    从上面优化方案的模拟结果看,机柜过热情况有所改善,但还不理想。还可以再进行冷通道封闭、改变空调风量大小、改变开孔地板开孔率等优化方案的模拟。

 

以上都是根据设计资料进行满负载的模拟仿真,也可以根据机房主设备安装计划,进行部分负载的模拟。同时,还可以对各台空调进行主备运行的模拟,或空调停机备用模拟(故障模拟)等。输出的结果,可以为各机柜负载配置、空调冷量大小和安装位置、防静电开孔板位置等提供设计依据或效果验证。限于篇幅,本文不再一一展开。

 

四、维谛技术CFD热仿真在数据中心设计评估上的应用总结

 

1、  在机房设计阶段就采用CFD仿真技术对设计方案进行验证评估,可以最大限度地避免由于设计原因带来的机房运行问题,减少由于运行问题造成的机房整改投入,保护业主的投资;

 

2、  采用CFD仿真技术,可以模拟各种设计方案,对机房设计提供直观的参考依据,起到优化设计、减少甚至避免设计错误的作用;

 

3、  采用CFD仿真技术,可以模拟机房的各种使用情况,对业主分阶段负载投入、节能运行、安全运行起到指导作用。

 

作者简介:

许泉明

维谛技术(Vertiv,原艾默生网络能源有限公司)热管理技术支持部专家,主要负责机房空调产品片区技术支持、机房空调系统测试评估等工作。多年机房空调技术工作经验和机房CFD热仿真经验。

 

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