引言2019年底我国在用数据中心机架总规模达314.5万架。其中，大型及超大型数据中心机架占比达75%。目前，我国数据中心市场的年复合增长率达到38.6%，在未来数年内将呈现指数型增长[1-2]。根据国际能源署(International Energy Agency, IEA)的最新能源统计结果，数据中心年总能耗约占世界总电耗的1.3%，是不可忽视的耗电对象[3]。数据中心的能耗设备中，空调系统是保证IT(Information Technology)设备运行所需的室内空气环境而必须配备的设施，其能耗占数据中心总能耗的30%~50%[4]。每年需要消耗800亿kWh的电网电力以满足数据中心制冷需求，产生3.2×107 t碳排放。为了减少能耗和碳排放，必须对数据中心进行合理的节能改造，以应对日益增长的能源需求[5]。其中，气流组织的优化是降低数据中心能耗的重要措施之一[6]。气流组织优化研究中，绝大多数研究聚焦于冷通道整体的气流组织优化，对局部区域冷量分配的研究较少。因此，本文重点研究数据中心冷空气气流末端调控装置的优化效果和节能潜力。1末端控制装置及模拟方法1.1末端调控装置地板下送风是风冷数据中心的主要送风方式，机房机柜内服务器接受的冷空气流量不均匀，难以适应服务器功率分布工况，容易造成服务器出口温度不均匀以及冷量浪费等情况。采用主动调节式的送风末端调控装置对冷空气流量进行再分配，能够缓解地板下送风形式下的冷空气流量与服务器功耗分布的不匹配问题。末端装置安装位置如图1所示。末端装置结构如图2所示。送风末端调控装置被安装在地板出风口处，将60 cm×60 cm的出风口分3块区域，每块区域为60 cm×20 cm的一组导流板，每组导流板均可被单独调控（改变角度α），控制该区域的出风风向。每组导流板设置0°、60°、75°和90°共4个偏转角度，整个装置共有63种调节方式（不包含3组导流板角度均为0°的情况）。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.002.F001图1末端装置安装位置10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.002.F002图2末端装置结构实际应用中根据机柜上不同位置服务器的功率值调节3组导流板的角度，改变地板出风口处气流的方向，实现冷空气流量在冷通道内部的二次分配。部署末端装置前，对不同角度下的流量分配值进行标定，冷空气流量分配比为：αY, X=QY, XQY, 0 (1)式中：Y——按照机架高度分层得到的不同分区编号，Y=1,2,…,23,24；X——末端装置控制方案编号，X=1,2,…,62,63；QY, X——X方案下分配到Y分区的冷空气流量；QY, 0——无末端控制装置下分配到Y分区的冷空气流量。采用计算流体动力学(CFD)模拟方法计算流量分配值，得到不同方案下冷空气流量的分配比例，αY, X为方案X导流板对Y分区的冷空气流量分配的影响的定量评价。分区Y满足αY, X1时，代表X方案下Y分区可以分配得到更多的冷空气；反之亦然。每个方案均有1条流量分配比例曲线，根据不同分区的服务器功率值，采用以下的调控方式：（1）获得机柜内服务器功率数据；（2）根据已经获得的功率数据计算机柜内服务器的功率平均值；（3）计算各服务器实际功率相对于平均值的比值并列表作图，得到的图线为冷空气流量最理想分配作用线；（4）将冷空气流量最理想分配作用线与63条方案线进行拟合对比，最接近的一条对应的调控方案为该功率场景下的最适用调控方案。1.2仿真模型建立与验证选取位于上海市的某数据中心作为研究对象，机房的整体尺寸为21.5 m×20.3 m×4.9 m，架空地板高度为0.75 m。机房平面布局如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.002.F003图3机房平面布局采用Fluent软件进行仿真研究。为了便于数值模拟，在研究过程中进行假设[7]：（1）室内空气遵循Boussinesq假设，为黏性不可压缩流体；（2）室内气流为稳定湍流；（3）忽略机房内的空气渗漏；（4）服务器发热量不随时间变化，为恒定值；（5）忽略一些机房内的障碍物；（6）对机房墙壁、机柜表面等部位进行绝热处理；（7）将服务器发热单元的发热方式设定为体内热源。式(2)~式(4)是研究中所使用过的控制方程[8]。连续性方程：∂ρ∂t+∂ρUi∂xi=0 (2)动量方程：∂Ui∂t+div(Ui⋅U)=-l∂Pρ∂xi+div(vgradUi) (3)能量方程：∂T∂t+div(UT)=(khcPgradT)+ST (4)式中：ρ——流体密度，kg/m3；Ui——速度分量，m/s；U——速度合量，m/s；P——压力，Pa；v——运动黏度，m2/s；cP——定压比热容，J/(kg·K)；kh——热导率，W/(m·K)；T——流体温度，K；ST——黏性耗散项（包含内热源）。模型设定的边界条件如表1所示。机柜服务器安装情况如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.002.T001表1模型设定的边界条件边界条件参数送、回风口边界条件速度入口（2.7 m/s、287 K+298 K）；压力出口静压层孔板开孔率/%35测试机柜功率情况/kW2.42服务器出口fan墙壁、机柜壁及服务器壁面绝热壁面10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.002.F004图4机柜服务器安装情况针对机房的物理模型，应对其进行网格无关性检验，以证明模型模拟得出的数据与网格数量无关。网格无关性验证结果如图5所示。面1、面2取自F1机柜出口的5U~6U、22U~23U处，两处温度均从网格数量560 000开始达到稳定，模型的合理网格数量为560 000。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.002.F005图5网格无关性验证结果为了验证模型及模拟条件的正确性，将实测的F1机柜服务器出风温度数据与对应的模拟结果进行对比分析。实测-模拟出风温度对比如图6所示。模拟温度与实测温度的差值不超过2 ℃，测点的误差为2.0%~5.5%，表明研究建立的模型与实际装置的温度匹配程度较高，可用于后续研究。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.002.F006图6实测-模拟出风温度对比整体数据中心模型的几何尺寸较大，分析气流组织和温度分布情况，需要划分很多网格，后续研究重点关注末端调控装置的调节效果，对数据中心进行合理简化，仅保留F、E两列机架进行后续研究。简化后的边界条件根据简化模型与整体模型进行物理场（速度、温度场）的一致性匹配确定。服务器功耗为100~400 W，计算功耗比例，进行末端装置的匹配，从而选定各个机柜对应的导流板角度方案。2结果与分析2.1末端调控的调节范围63种方案对应63+1条冷空气流量分配作用线，包含63条方案线(case1~case63)以及1条基准线(case0)，基准线为常值（等于1.0）线。不同方案下，3块导流板的安装形式对不同编号（位置）服务器接收的冷空气流量比例产生影响，从而实现机柜内服务器冷空气再分配的效果。流量分配作用线如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.002.F007图7流量分配作用线由图7可知，每条作用线均穿过y=1.0的基准线，不同方案下作用线的穿越形式不同，代表分配比例不同；深色区域为所有方案下作用线的包含范围，即调节范围。末端控制装置对中下层分区冷空气流量分配比例的调整作用较强，对中上层分区冷空气流量分配比例调整的作用稍弱。因为导流板高度较低，机柜高度较高，两者比值达到10倍，同时存在各种干扰现象，导致末端装置对中上层区域的控制作用较弱。2.2末端装置调节效果分别模拟计算有无末端调节装置情况下数据中心的热环境，选取4组机柜进行分析。4组机柜设定的服务器功耗值及导流板角度方案如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.002.T002表24组机柜设定的服务器功耗值及导流板角度方案项目分区编号机柜编号14710分区功率/W24318223129346233082211503233~22……23073403454241303334328411对应导流板角度/(°)07507560606060906060604组机组的排风速度分布如图8所示。4组机组的排风温度分布如图9所示。图84组机组的排风速度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.002.F8a110.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.002.F8a2图94组机组的排风温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.002.F9a110.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.002.F9a2针对性布置末端装置后，可以有效调节机柜内各个分区的冷空气流量，对功率较大的分区分配了比例较大的冷空气流量，此时功率较大的分区出口温度降低。机柜7内分区1~8的出口平均温度由309 K降低至306 K。通过比较有无导流板的模拟结果发现，导流板能够改变机柜内各个服务器冷空气流量的分配比例，均匀化机柜排风温度及降低局部排风高温。但是出风方向并不完全垂直于地面，导流板高度远低于机柜高度，导致冷通道内从各个出风口排出的冷空气存在互相干扰的情况，高层服务器的冷空气流量变化范围不大。因此，针对高度较低的下层服务器，导流板控制作用较强；针对高度较高的上层服务器，导流板的控制作用并不明显。2.3节能效果分析4组机组不同分区的出风温度如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.002.T003表34组机组不同分区的出风温度项目分区编号无导流板有导流板机柜1机柜4机柜7机柜10机柜1机柜4机柜7机柜10出风温度/K1309.0310.0309.6314.9307.4308.1305.9313.42310.3311.2310.9314.7305.3307.6306.4311.13~22……23312.9306.6301.8312.0312.8308.6304.4310.624314.8308.1302.7312.6314.5309.3304.8310.6方差/K225.62.720.62.817.00.84.01.2最大值/K314.8311.2310.9315.3314.5309.4306.7313.4加装导流板可以实现机柜各个服务器的出风温度均匀化，改善某些服务器因为附近气流组织情况较差或功率较大而出现的局部过热情况，从而保证服务器运行的安全性和使用寿命。利用末端调控装置可以有效消除机柜内服务器局部热点，赋予机柜节能潜力，以机柜10为例分析节能潜力。为了使机柜A内的局部热点情况得到改善，设置3种方案，分别为增大CARC冷空气流量；减小CARC送风温度；调整末端控制装置——“多退少补”，将冷空气冗余的服务器供冷量分配给冷空气缺省的过热服务器。初始状态下，环境温度为T0 (303 K)，风机运行功率为WA (5 763 W)，制冷机组制冷量为Q (5 894 W)，为了计算制冷机组能耗，引用典型机房空调的COP性能曲线[9]，得到制冷机组能耗量为WB (1 842 W)，设定数据中心机柜出口温度限值为TMAX，机柜各个分区平均出风温度最大值为TY,MAX。约束条件为采取措施使TY,MAX≤TMAX。比较3种措施的额外用能情况：（1）增大CARC冷空气流量：增加CARC冷空气流量的额外能耗为风机能耗。采取措施前的冷空气流量为m1，增加冷空气流量至TY,MAX≤TMAX，冷空气流量为m2，根据风机功率与流量的关系，计算额外用能比例为：rm=m2m13×WA-WAWA+WB100% (5)（2）减小CARC送风温度：减小CARC送风温度时主要增加制冷机组能耗。减小CARC送风温度前的送风温度为T1，减小CARC送风温度至TY,MAX≤TMAX后送风温度为T2，COP由3.2变为2.6。制冷机组能耗主要源自压缩机能耗，且WB'=QCOP，即制冷机组功耗为制冷量与机组COP的比值，故额外用能比例为：rt=QCOP2-QCOP1WA+WB×100% (6)（3）调整末端控制装置：满足TY,MAX=TMAX时，无须再进行调整；满足TY,MAXTMAX时，表示仍然存在一定的节能潜力；不满足TY,MAX≤TMAX时，需要添加额外措施调整，使装置满足条件。末端装置的供电电压为24 V，能耗约为总用能的1%。验证3种措施的额外用能或节能效果：为了便于计算和演示，令TY,MAX=TMAX。传统措施(1)、措施(2)中的用能增加比例的倒数对应末端调控措施(3)的节能比例，节能分析数据如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.002.T004表4节能分析数据项目增大冷空气流量减小送风温度末端调控装置过热边界设定TMAX=313.4 K调整前过热情况ΔT1=TY,MAX-TMAXΔT2=TY,MAX-TMAXΔT3=TY,MAX-TMAX调整后过热情况ΔT1'=0ΔT2'=0ΔT3'=0额外用能比例rm≈14%rt≈18%rc≈1%节能比例—rc1≈13%、rc2≈17%3结语新的主动调节式的数据中心送风末端装置实现了冷通道流量的再次分配，达到均匀化服务器出口温度、消除局部过热的目的，相关结论如下：（1）采用末端调节装置可以实现冷空气流量的二次分配，冷量调节比例约0.5~1.5，机柜下方的区域调节范围较大，达0.5~5.5。（2）使用末端装置可以有效地消除机柜服务器的局部热点，使机柜的排风温度更加均匀，保障服务器的安全运行。（3）通常情况下与采用降低送风温度和增大送风流量的方式消除热点相比，采用末端调控装置的方法可以降低13%和17%的能耗。主动调节式数据中心末端装置可以实现冷通道流量再分配，消除局部过热，具有一定的节能效果，具有较好的可行性。