52鸿业科技杜军恒某数据中心能耗及CFD模拟分析

某数据中心能耗及CFD 模拟分析

洛阳鸿业信息科技股份有限公司深圳办事处 杜军恒☆ 刘保宾 魏光远 罗晓杰 摘要：针对北京某数据中心，利用鸿业全年负荷计算及能耗分析软件（HY-EP ）对其空调系统进行能耗模拟分析；且基于CFD 对该数据中心进行数值模拟分析，在冷通道封闭的条件下，得到数据中心气流组织、风、热环境，检验设计效果是否满足设计要求。

关键词：数据中心 鸿业全年负荷计算及能耗分析软件 能耗模拟 数值模拟 0 引言 的气流组织及温度分布情况进行模拟

随着信息化社会突飞猛进的发展，分析，并与设计要求进行比较。 为给各行业提供一个相对稳定、安全1 鸿业全年负荷计算及能耗分析软件 的数据处理、储存和交换环境，大型鸿业全年负荷计算及能耗分析软数据中心的建设不断的增加，进而也件（以下简称HY-EP 软件）在AutoCAD 会不断增加相应的能耗。目前，国内环境内运行，采用国际权威EnergyPlus 外普遍使用PUE 值（数据中心年总耗作为计算核心，对建筑物及其空调系电量/信息设备年耗电量）作为衡量数统进行全年负荷计算和能耗模拟分析，据中心能效评价指标，PUE 值越小说软件为纯中文界面，内含中国气象数明数据中心系统越节能。全球数据中据库、国内常用的围护结构及材质数心PUE 值得平均值为2.0，发达国家数据库、分区用途数据库，简洁易用，据中心的PUE 值约为1.8，日本部分数大大降低了该类软件的使用难度，为据中心的PUE 值可达1.5，Google 的设计师优化空调系统方案、打造节能数据中心PUE 值可达1.2，而我国80%减排的绿色建筑，提供了有力的分析以上的数据中心PUE 值均大于2.0，有工具。软件主要功能有： 的甚至高达3.0。工信部曾在《工业节1) 在CAD 内通过绘制楼层平面图、能“十二五”规划》提出，“到2015楼层表，组装三维建筑模型；也可年，数据中心PUE 值需下降8%”的直接导入Revit 建筑模型。 目标。 2) 模块化建立冷热源、空调末端，组

数据中心的能耗主要由IT 设备、成完整的空调系统模型，可设定各空调系统和电源系统三部分能耗构成。系统运行策略，如二次泵系统、多其中IT 设备能耗占数据中心总能耗的台主机并联运行、新风节能控制等。 50%；空调系统能耗在数据中心能耗中3) 调用EnergyPlusV8.2，模拟计算建排第二位，约占40%，电源系统能耗筑物自然室温、全年负荷、系统能占数据中心能耗的10%。可见，降低耗。 数据中心能耗，最有效的方法是降低4) 生成全年逐时气象参数报表及曲数据中心空调系统的能耗。 线、全年逐时负荷报表及曲线、建

为此，本文针对北京某数据中心，筑能耗报表及能耗结构饼图、不同采用鸿业全年负荷计算及能耗分析软方案能耗对比报表及柱状图等。

杜军恒，男，1986年10月生，硕士，工程师 件建模并分析在采用不同冷源的情形

471003洛阳市高新区海棠路1号英之轩商务下，对该数据中心空调系统全年能耗

会所5楼 0379-64316719 [1**********] 的对比分析；另外，采用CFD 数值模

E-mail ：[email protected] 拟技术，对该数据中心空调系统运行

2 项目介绍

该数据中心位于北京市，为封闭的独立机房，长25.2m 、宽17.7m 、层高5.7m ，面积约446平米。

部署有11排机柜，单台机柜长1.0m 、宽0.6m 、高2.2m ；单台机柜发热量除安装列间空调的机柜为8Kw ，其它机柜为4Kw 。总发热量为936kW 。

图1某数据中心平面图

图2数据中心三维模型

采用机房专用空调5用1备，单台显冷量140kW ，送风量39000m ³/h，机外余压100pa, 底部活动地板送风、顶部回风。

采用列间空调9用1备，单台显冷量30kW ，风量8400m ³/h，机外余压30pa, 水平前送风、后回风。总制冷量970kW 。

空调送风温度为14℃。

地板风口尺寸600*600，有效出风面积50%。 冷区封闭（有顶盖）盖顶距地2.5m 。 3 能耗模拟

使用Revit 及鸿业BIMSpace 软件进行建模设计，使用鸿业全年负荷及能耗分析软件进行能耗分析计算。 3.1 围护结构

由于机房主要负荷来自于机柜发热量，围护结构采用软件默认做法，将模型简化为单体建筑进行模拟，四面外墙加屋顶、楼板，忽略门窗，围护结构具体做法如下：

表1围护结构

3.2室内参数

依据《电子信息系统机房设计规范》，机房空调参数如下：

温度控制在25℃、相对湿度控制在40%~55%；由于空调负荷主要为设备负荷，故模拟时忽略人员、灯光、新风负荷，设备散热量取机柜总散热 量，全年8760小时均为936kW 。 3.3气象参数

模拟使用北京市标准气象参数数据CSWD 气象文件。

图3逐时干球温度

图4逐时相对湿度

图5逐时太阳辐射照度

3.4冷热源

采用制冷机加冷却塔间接自然供冷，分三种模式运行：电制冷、部分自然冷却、完全自然冷却。

电制冷：空调冷负荷全部由冷水机组供冷

部分自然冷却：空调冷负荷部分由自然冷却供冷、部分由电制冷供冷

完全自然冷却：空调冷负荷全部由自然冷却供冷。

图6空调系统原理图

表2各运行模式空调设备运行状况表

3.5 模拟方案

冷源系统简化为1台COP 为6.47

的电制冷冷水机组、1台单速冷却塔、1台冷冻水泵、1台冷却水泵、

1台板式换热器；设计冷冻水供回水温度为7/12℃，冷却水供回水温度为30/35℃；设备性能及流量等参数根据夏季设计日自动选型计算；使用“变风量单冷无再热型末端”代替机房专用空调及列间空调。 分两次模拟，一次使用制冷机加冷却塔间接自然供冷、一次完全用冷水机组供冷，可对模拟结果进行比对。

使用自然供冷时，制定冷水机组及冷却塔自然供冷运行策略如下：

换热器设置1℃启动温差，当冷却水供水温度比冷冻水回水温度低1℃以上时，启动冷却塔自然供冷；

冷却塔自然供冷无法满足供冷量需要时，启动主机供冷。 3.6 模拟结果

表3自然供冷+制冷机供冷能耗表

表4单台制冷机供冷能耗表

图7不同系统总耗电量对比图

图8不同系统制冷耗电量对比图

图9冷却塔自然供冷状态

从模拟结果可以看到，冷却塔自然供冷开启时间达到4500小时，使用自然供冷可节省制冷耗电量:

1401130-1020565=380565kW.h 节约电量27.2%。 4 CFD模拟

结合该数据中心空调系统能耗分析和项目基本情况，基于CFD 技术对数据中心进行数值模拟，得到数据中心的气流组织及温度分布，同时验证设计要求，为机房建设提供参考依据。 4.1物理模型

根据该机房的大小、IT 设备数量和发热量、采用的空调系统、送风方式及送风温度等基本条件，建立物理模型。

图10数据中心物理模型

4.2某数据中心CFD 分析边界条件设置

对于机房专用空调的边界条件设定为出风温度为14℃，质量流量为13.27kg/s；列间空调的出风温度为14℃，质量流量为2.86kg/s。 普通机柜的热流量为4000w ，通过柜体的体积流量为1119.6m3/h（按照

送风总量均分），而列间机柜的热流量为8000w ，通过柜体的体积流量为2520m3/h。

静电地板的通风率按照要求设定为0.5。

环境温度设定为22℃ 。 4.3网格划分

由于该数据中心面积较大，为了能够获取较高网格质量及计算速度，本次模拟采用非结构化网格，同时，在机房的冷通道进行局部网格加密。

图11数据中心模型俯视网格划分剖面图

图12数据中心模型纵向网格划分剖面图

4.4计算结果

4.4.1机柜表面温度

图13数据中心机柜表面温度分布图

由于采用冷通道封闭的送风方式，冷量分配比较均匀，机柜的冷却效果较好。

4.4.2俯视截面云图和矢量图

图14数据中心俯视截面（1.5米）温度分布

图15数据中心俯视截面（1.5米）矢量分布

分析结果显示：

人行区高度范围，机柜送风通道中间温度在19度以下，人行空间温度基本在21~24度，温度分布均匀，满足设计要求；

人行区高度范围，机柜列间以及人行空间风速均在0.3~1.25m/s以下，风速舒适且分布均匀；满足设计需求； 4.4.3纵向截面云图和矢量图

图16数据中心纵向截面（9米）温度分布

图17数据中心纵向截面（9米）矢量分布

分析结果显示： 纵向空间中，采用专用空调通过地板封闭送风的机柜内部温度基本都在15度左右，周围人行空间温度分布均匀，基本在23~24度之间，分布均匀；采用列间空调送风的机柜周围温度稍低一点，大约在21~23度之间，都满足设计要求，相对列间空调方式效果更好一点，也许是列间空调设计的密度大的原因；

纵向风速截面来看，由于地板送风再机柜顶部被封堵，所以机柜间内部风速衰减较少，风速控制在0.6~1.5米左右，充分保证了风的冷却效果；行走空间风速也在1.5米以下，无不适； 4.4.4横向截面云图和矢量图

图18数据中心横向截面（12米）温度分布

图19数据中心横向截面（12米）矢量分布 分析结果显示： 温度云图显示，温度分布非常均匀，基本在23~24度之间，效果良好； 风场变化在纵向方向渐变减弱，均匀变化，但是在竖向上分布相对均匀，地板下以及房间上部空间静压效果明显，空气流动效果良好； 5结语

通过空调系统方案的模拟对比，可以看到冷却塔供冷系统能够带来明显的节能效果；

通过对该数据中心的模拟计算及对比，在冷热通道封闭的条件下，机房空调提供的冷量能够满足机柜的冷却需求，机房内的温度分布比较均匀；温度控制能够很好地控制在21~24度以内，满足设计规范要求； 建模过程中做了一些简化，计算结果与实际运行情况稍有差异，但满足验证设计效果的需求； 参考文献：

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