引言随着信息时代的来临，大数据、云计算和元宇宙等数据处理技术开始被应用于日常工作和生活，这些技术的实现离不开互联网数据中心的支撑。互联网数据中心(Internet Data Center，IDC)是一个汇聚了大量IT设备，用来储存、计算、传输和交互信息的场所，是信息处理的基础和平台[1]。根据中国信息通信研究院2022年发布的《数据中心白皮书》，全球数据中心的规模稳步增长，我国大型以上数据中心规模增长迅速，截至2021年底，我国数据中心机架规模达到520万架，其中按照标准机架2.5 kW统计，大型以上的数据中心规模为420万架，占比达到80%[2]。为了保障数据中心内部IT设备信息处理的稳定性和及时性，数据中心需要全天不间断运行，并且对室内热环境要求较高。根据中华人民共和国住房和城乡建设部颁布的《数据中心设计规范》中室内参数要求，数据中心冷通道或机柜进风区域的温度应为18~27 ℃，露点温度应为5.5~15.5 ℃，相对湿度不大于60%，为了维持热环境需要大量的制冷空调常年运行。通常采用机房IT设备能耗与数据中心总能耗之比电源使用效率(PUE)评价数据中心的能源效率，PUE值低表明能源效率高。截至2019年，我国85%的数据中心PUE值为1.5~2.0，表明大部分数据中心能耗较大，具有很大的改善空间[3]。根据典型数据中心能耗构成可知，除去占比为50%的IT设备能耗，其余能耗中占比最大为制冷能耗，约为总能耗的32%[4]。数据中心的热环境会影响IT设备的运行稳定，制冷空调决定了机房的热环境能否达到IT设备的要求。合理的气流组织不仅能够提供稳定的热环境，还能够提高空调的冷却效率，以减少空调能耗，对数据中心节能具有重要意义。1数据中心气流组织常见问题目前，为了数据中心能够持久稳定运行，运营团队在空气调节时通常采用降低送风温度、增大送风量等方式缓解局部热点现象，但造成了冷量浪费、空调能耗增加等问题，主要因为气流组织设计不合理导致空调制冷量与服务器散热量无法匹配。目前，关于气流组织的问题如下：（1）大部分通信机房的机柜统一朝向摆放，前一排机柜的出风口正对后一排机柜的进风口，导致部分机柜进风温度过高引发故障。（2）大部分通信机房采用精密空调对整个房间进行制冷，精密空调一般在同一侧摆放，导致部分机柜离空调过远，送风过程中冷量损失较大。（3）气流未被良好组织，造成冷热气流紊乱和回流等问题，如空调送风经由房间并未进入机柜，直接回到空调回风口处，造成冷量浪费。（4）由于机柜内IT设备的种类用途不同，其对热环境的要求也不相同，由精密空调对其进行统一制冷送风很难达到其运行需要，从而导致局部热点等问题。2数据中心气流组织的分类数据中心机房主要由IT设备、机柜、制冷系统以及电力调度和控制中心等组成，目前市面上主要使用风冷对数据中心进行降温，以空气为媒介对数据中心热环境的处理可以分为芯片、服务器、机柜、行列以及房间共5个级别，不同级别热处理方式如表1所示。芯片级热处理主要聚集在改变芯片材料和降低芯片功耗等方面，服务器级热处理主要聚集在其IT设备内部主板散热结构和风扇分布等方面，而机柜、行列和房间级的热处理方法主要分布在制冷空调的种类和气流组织设计上面，通常情况下关于数据中心气流组织的研究聚焦在这3个级别[5-6]。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.023.T001表1不同级别热处理方式热处理级别热处理方式芯片改变芯片材料，降低芯片功耗。服务器提高风扇转速，增加风扇数量定制风扇结构。机柜设置盲板，采用背板空调，采用机架空调。行列添加封闭通道，隔离冷热气流，设置列间空调。房间改变送风方式，调整格栅缝隙，调整高架地板。（1）房间级气流组织。房间级气流组织是先冷却房间环境再冷却机柜的热处理方法，对整个房间进行制冷送风。数据中心最常见的开放通道架空地板下送风采用大功率的精密空调进行制冷，机柜采用面对面、背对背布置，通过将空调送风口设置在高架地板内部，经由地板格栅将冷风送入房间及机柜进风口处，机柜排出的热风经由房间回到精密空调，整个制冷过程通过房间完成。另外，吊顶送风、侧间送风等方式均属于房间级气流组织。（2）行列级气流组织。与房间级相比，行列级的气流组织下，空调送风更靠近机柜，通过封闭通道可以将制冷空调和机柜连接起来，是对同一行、列的机柜进行制冷送风的方式。列间空调加封闭冷通道送风免去了架空地板和精密空调，直接将列间空调设置在机柜之间，采用封闭通道的方式将空调送风口和机柜进风口封闭，使冷热气流分隔开，进而有效地提高冷却效率，此外还有将机柜出风口与空调回风口连接的封闭热通道送风方式。（3）机柜级气流组织。机柜级别气流组织是一种先冷却机柜内部再冷却房间的热处理方式，如背板空调和机架空调，直接安装在机柜内部对IT设备制冷，整个送回风过程均是在机柜内部完成。此外，还有在机柜内部加装盲板或安装共享风扇等组织气流的方式。3数据中心气流组织的国内外研究现状3.1房间级的气流组织研究现状Saurabh[7]等通过CFD模拟的方式，对机房应用7种不同的气流组织进行分析比较，根据模拟结果中机柜的温度分布得出，采用地板送风吊顶回风的热环境较好。刘鹏[8]等对下送上回和上送下回两种气流组织方式进行CFD建模，通过模拟结果对比温度场、速度场，得出采用下送上回的方案冷却效果较好。Patankar[9]等研究发现，架空地板下的静压也会对送风的均匀性以及冷热气流的混合产生影响，架空地板的高度和地板格栅缝隙是静压的主要影响因素。Bhopte[10]等通过CFD模拟的方法探究地板下静压的影响因素，结果发现，提升架空地板的高度可以有效稳定静压，进而提高送风的均匀性。Zhang[11]等对在封闭不同通道情况下的架空地板高度进行研究，在封闭冷通道时架空地板的高度应为600~800 mm，而在封闭热通道时架空地板的高度应为400~600 mm。Frankim[12]等通过对缝隙率分别为25%、50%、75%、100%的地板格栅建立模型，根据CFD模拟结果进行分析，得出地板格栅缝隙率设置为25%时，该情况下送风均匀性更好、静压更稳定。该级别的气流组织研究主要聚焦在送回风的方式上，部分学者对架空地板的高度以及地板格栅的缝隙率进行研究。研究仅对整个开放通道地板下送风的某个参数进行分析，并未同时对架空地板高度和格栅缝隙率等参数进行组合分析，综合探究其影响。而且个别机房的设备排列无序导致房间中冷热风混合的问题以及局部热点问题并未得到有效解决。3.2行列级的气流组织研究现状Schmidt[13]等以实际的数据中心为基础提出封闭冷送风通道的方案，通过对封闭冷通道前后的能耗计算发现，与之前开放通道相比，制冷能耗节约超过59%，为关于封闭通道的研究提供了基础。Gao[14]等对同一机房在是否封闭冷通道的基础上对机柜温度进行CFD模拟分析，得出机柜满足温度标准值的前提下，采用封闭冷通道能够使送风温度提高3 ℃。王涛[15]对某一机房采用封闭冷通道前后的机柜进出口风温度进行实际测试，结果表明，机柜的进出风温度平均下降2~3 ℃，冷量利用得更加充分，机柜的温度低于开放通道。陈文辉[16]采用DeST能耗模拟软件，将封闭热通道时数据中心整个空调系统的全年能耗与开放通道进行对比，经过计算得出空调系统的能耗节约23.7万kWh，下降约9.6%。翟丽娜[17]以制冷效率PUE值为切入点，具体分析开放、封闭以及局部封闭冷通道情况下机房的热环境和能耗，结果显示，3种方式的PUE值分别为1.688、1.637、1.655，与开放通道相比，年节省电费分别为34.2万和22.4万，封闭通道内外温差高达10 ℃，充分隔离了冷热风。Takahashi[18]等通过CFD模拟分别对封闭冷、热通道情况下机房的能耗进行分析，结果表明，两种方式均能够改善机房的热环境且空调系统能耗降低约15%。蒋雅靖[19]等提出一种新的送风方式——列间空调送风，传统精密空调通过地板格栅对机柜进行送风，列间空调直接设置在相邻机柜之间，空调的送风口与机柜的进风口封闭在同一冷通道内，缩短了送风距离，极大地减少了冷量损失。李鹏魁[20]等对列间空调加封闭通道的实用性进行具体研究，通过采集数据和CFD模拟得出大散热量型的机房通过列间空调送风时，应该采用封闭热通道策略，能够有效解决局部热点的问题。在开放通道地板下送风的基础上，国内外研究开始着重于隔离冷热气流的封闭通道，研究发现封闭通道可以改善冷热风混合以及局部热点问题并节省空调能耗。但是由于冷热通道并未完全隔离呈部分开放状态，无法避免机柜设备处冷风与热风混合导致制冷效果的局限性。列间空调的提出使研究趋势向封闭通道内转移，对封闭通道内部的空调及相邻机柜之间的气流场进行大量研究，列间空调的稳定性和维护成本是未来主要的问题。3.3机柜级的气流组织研究现状封闭通道和列间空调的组合种类有限，国内外学者开始对放置IT设备的机柜结构及其送风空调进行研究。洪馨[21]对热管背板空调在实际中的应用进行分析，背板空调是紧贴机柜背部直接对IT设备进行送风的一种气流组织，结果显示，在该情况下机房的热环境稳定、气流分布均匀以及机柜内部不存在冷热气流干扰和局部热点现象，并且背板空调的风机消耗功率为14.4 kW，远低于列间空调的33.6 kW，具有很好的节能效果。周凯思[22]参考实际情况建立了一种在机柜底部放置送风空调的机架空调模型，模拟发现机架空调存在风量不均匀的现象并提出了改良方案，在空调侧面加开回风口以及改变换热器的形状能够解决风量不均匀的问题。张子轩[23]提出一种机柜内共享风扇的散热方案，通过将大尺寸的风扇直接安装在机柜内部并且去除服务器内部的风扇，根据IT设备的散热量确定风扇的参数，实现了机柜级、服务器级和芯片级3个级别统一的热处理设计。目前对机柜内部气流组织的研究比较多样，除了上述对送风方式的研究，还有对冷却介质的研究，如使用风冷或水冷的背板空调等。还有部分研究围绕机柜内部设置盲板展开，以服务器为出发点的多级别统一热处理设计也为日后研究提供了一种思路，机柜级气流组织具有很大的发展潜力。4结语（1）房间级和行列级的气流组织研究已经比较普遍全面，通过改变送风方式、封闭冷热通道、调节架空地板高度和格栅缝隙率等参数可以改善局部热点等问题。（2）机柜级的气流组织还有很大的发展潜力，除了背板空调、盲板、散热风扇等研究，还可以结合芯片级和服务器级进行多级别统一热处理。（3）随着计算机技术的普及，智能化机柜开始成为研究的热点，通过在机柜内部设置传感器以实时进行温度控制的技术也是研究的趋势。（4）在考虑数据中心气流组织和节能效果时，应充分保证其运行、维护等安全问题。