引言电信企业通信机房存在设备发热量大、热密度高、气流复杂的问题，机柜的布局会极大地影响气流组织的流动和流通。机房空调系统通常需要全年运行以确保机房内的通信设备在合适的环境温度下运行，该情况需要消耗大量的电能。电信行业相关的统计数据表明，电信企业90%的用电量为通信机房耗电量，而机房设备40%以上的耗电量为机房空调耗电[1]，不仅造成高昂的运营成本，还产生巨大的碳排放。因此，在确保通信设备安全正常运行的前提下，通过调整机房内空气对流的方式，最大限度地降低机房空调的能耗，是实现通信机房节能的关键。学者对机房送风方式进行了大量研究，赖世能[2]等针对机房空调送风方式造成的气流组织分布不均问题，从多方面对比互联网数据中心(IDC)机房上下送风方式的性能，研究发现，在机房布置、设备耗电量相同的条件下，上送风方式的空调系统工程建设投资比下送风方式的空调系统工程建设投资多23%，运行电费多29%。郭春山[3]建议通信机房在满足层高的条件下，优先采用地板下送风方式，可以通过保持合理高效的气流组织实现较好的节能效果。周伟强[4]等对比两个机房的空调冷却效果，结果表明，与上送风方式相比，采用下送风方式时，离风口最远服务器的温度降低8 ℃，说明下送风具有更好的冷却效果。Hayama[5]等和Nakao[6]等分别对3种送风方式下（上送下回、下送上回、水平送回风）的室温分布和设备周围气流流速进行对比分析，得出下送上回方式的效果最好。目前国内外学者针对空调送风方式对机房节能效果影响的研究较多，而关于空调安装位置和摆放方式对机房节能效果影响的研究则较少。文中基于引入双源热管式空调技术，构建相对精确的数据中心机房专用空调机和数据设备机柜的模型，采用CFD模拟和试验验证方法对某一数据中心机房进行节能改造，为优化机房设计及运行策略提供参考。1双源热管式空调系统1.1双源热管式吊顶空调系统双源热管式吊顶空调系统利用室内外环境温差将室内热量排到室外，从而降低室内温度，该系统无压缩机运行，利用循环工质的气液相变传递热量，通过特殊的管路连接，借助重力的作用，完成工质的热力循环。热管换热原理如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.022.F001图1热管换热原理1.2空调终端热管置换原理双源热管式吊顶空调具有自然冷源风、水双冷却式热管换热系统。当室外温度满足热管换热系统运行条件时，使用水冷和风冷对室外机内的散热装置进行冷却降温；当室外温度过低时，室外机的水冷系统将会关闭以防止结冰，利用冷风对室外机散热器进行冷却，整个过程中无室外空气进入，无须对室外空气过滤，机房内外只有热量交换，无冷凝水产生。因此，机房内空气洁净度和湿度不会发生变化，自然冷源双冷却式热管换热系统原理如图2所示。机房内气流组织分布会影响机房空调系统运行效果，故对使用双源热管式空调的通信机房进行研究，从空调的安装位置和摆放方式方面研究其节能优化控制的效果。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.022.F002图2自然冷源双冷却式热管换热系统原理2仿真模型的建立2.1物理模型该数据中心机房位于南方地区某通信公司综合楼，属于无人值守机房，门窗二次封闭，房间内空尺寸为35.0 m×14.4 m，层高4.0 m，横向距离较大，配有7台立式空调对机房进行制冷。通过查询各厂家的样本数据发现，采用大风量、小焓差的机房专用空调机，送风风速在3 m/s以上，送、回风风速相等，送风方式为直送风，开启设定温度为22 ℃。由于机房专用空调系统运行时间长，调节性能变差，多台空调机和电子发热单元机柜同时置于一个封闭机房内时，整个空间内将呈现极其混乱、复杂的湍流状态[7]。该机房内冷热气流混合交叉严重，制冷效率偏低，经测试某一区域平均温度高达31 ℃。由于机房整体横向宽度较大，部分机柜大小规格不一、摆放不规则，为了便于分析，以机房某一区域（热区）为研究对象，其空间尺寸为10.2 m×5.4 m×4.0 m，应用双源热管式吊顶空调进行换热制冷，双源热管式吊顶空调安装方式如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.022.F003图3双源热管式吊顶空调安装方式2.2模型的简化及相关假设（1）单个机柜模型。根据文献[8]至文献[10]对数据设备机柜模型以及不同发热电子设备散热出风温度进行研究，每个电子发热单元均应有一个匹配的冷量对其进行充分冷却，以确保设备正常运行。为了减少这个因素对仿真模拟的影响，结合机房实际情况，假定机柜内摆放的通信设备为同一型号。机柜前进风后出风，尺寸为0.90 m×0.60 m×2.05 m。（2）机房吊顶空调模型。结合文献[11]、文献[12]对空调模型进行简化：空调尺寸为0.90 m×0.70 m×0.47 m，出风口方向向下，回风口在空调两侧。空调采用定量定压的送风方式，送风量和回风量始终相等。（3）机房及群组机柜模型机房几何模型如图4所示。机房尺寸为10.2 m×5.4 m×4.0 m，机房内放置4台吊顶式热管空调，位于两排机柜的正中间，在机房内等距对称分布。两排机柜间隔1.2 m（共20个），机柜进风口与空调出风口相对，采用“冷热通道”的布置方式。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.022.F004图4机房几何模型2.3数值计算方法及相关假设利用Simple算法进行数值模拟并求解。机房内空气环境气流的流动和传热现象的各微分方程(包括连续方程、动量方程、能量方程、气体组分方程)写成如下的标准形式[13]为：∂∂tρφ+divρμφ=divΓgradφ+S (1)式中：t——温度，℃；ρ——密度，kg/m3；φ——通用因变量，代表u、ν、ω、t、k、ε、l；μ——速度矢量；Γ——扩散系数，m2/s；S——源项；u——速度，m/s；ν——动力黏度，Pa·s；ω——湍流黏度，Pa·s；k——湍流动能，m2/s2；ε——湍流动能耗散率，m2/s3；l——特征尺寸，m。计算时将机房内空气视为不可压缩、连续、稳定的流体，忽略空气中杂质的影响以及室内灯光等其他发热设备、冷热交换对蒸发器制冷状况的影响。机房内设备使用风扇强制换热，房间内的气流速度较高，故忽略自然对流的影响。2.4边界条件的设置在Sigma DC中对模型的网格进行自动划分，网格数为189 180个。设置机柜总负载为50 kW；4个吊顶式热管空调，单个功率为15 kW，出口温度设为18 ℃，流量为1.6 m3/s，通过焓差实验室测试得到双源热管式空调的最大显冷曲线如图5所示。机柜内设备负载为57.6 kW，机柜进风流量比为0.2 m3/(s·kW)，机柜进、出风量始终相等。将通风洞口设置为自由溢流，机房四周墙壁设置为绝热壁面。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.022.F005图5双源热管式空调的最大显冷曲线3模拟结果及分析为了研究机柜与双源热管空调处于不同工况及送风方式的运行情况，设定3种工况进行对比分析：工况1，空调底部离地面2.1 m、空调水平间距0.6 m；工况2，空调底部离地面2.1 m、空调水平间距0.3 m；工况3，空调底部离地面3 m、空调水平间距0.6 m。3种工况参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.022.T001表13种工况参数项目离地高度空调水平间距工况12.10.6工况22.10.3工况33.00.6m工况1~工况3模拟仿真结果如图6~图8所示。图6工况1机房各截面的温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.022.F6a1（a）X=1.8 m截面温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.022.F6a2（b）Y=0.5 m截面温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.022.F6a3（c）Z=2 m截面温度分布图7工况2机房各截面的温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.022.F7a1（a）X=1.8 m截面温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.022.F7a2（b）Y=0.5 m截面温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.022.F7a3（c）Z=2 m截面温度分布图8工况3机房各截面的温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.022.F8a1（a）X=1.8 m截面温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.022.F8a2（b）Y=0.5 m截面温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.022.F8a3（c）Z=2 m截面温度分布结合工程热力学与传热学进行分析，在工况1中，温度截面图中机房内冷热气体能有效地进行交叉换热，空气对流的趋势和力度明显，整体换热效率高，说明该工况下空调系统的制冷效果较好；在工况2中，由于空调间距减小，冷空气过于集中，由图7(b)可知，两组机柜间部分热量未充分地交叉换热，导致温度分布不均匀，机房整体制冷效果较差；在工况3中，由图8(a)中可知，由于空调底部离地板较高，部分冷气流溢出至柜顶，降低了冷气流的利用率，增大了空调能耗。对比分析可以得出，工况1是优化空调运行策略与室内气流组织模式的最佳布置方案。4实验测试按工况1对该机房进行实际改造。根据《通信机房环境安全管理通则》，机房温度全年控制范围为22~26 ℃，控制精度为±1 ℃；相对湿度控制范围为40%~70%，控制精度为±10%。按照机房节能改造要求，在机房空调设计时，取室内设计温度为(26±1) ℃。为了证实模拟结果的准确性，以测试3 s之内的温度平均值为测试值，使用手持式电子测温仪对各空调的出风口和回风口、各机柜排风口的温度进行测量。空调回风口、入风口温度的模拟结果与测试结果如表2和表3所示。各空调机回风口及入风口温度的模拟结果和测试结果相近，结果误差均在3%以内。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.022.T002表2空调回风口温度的模拟结果与测试结果空调机号模拟结果/℃测试结果/℃结果误差/%126.927.21.1227.127.30.7327.227.61.4426.827.42.110.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.022.T003表3空调入风口温度的模拟结果与测试结果空调机号模拟结果/℃测试结果/℃结果误差/%119.720.32.9219.620.12.4319.720.11.9419.820.42.9机柜排风口温度的测试结果与模拟结果如图9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.022.F009图9机柜排风口温度的测试结果与模拟结果各测点温度的测试结果和模拟结果均能较好吻合，误差在5%以内，说明文中的数值模拟方法对通信机房温度分布及气流组织特性的模拟是有效的。同时，测试期间对整个机房用电量进行相应统计并进行估算，改造前机房用电量39.00 kWh/a，改造后用电量23.06 kWh/a，节电率达40.9%，说明热管空调在机房的应用中取得了较好的节能效果。5结语针对热源分布不均的数据中心引入双源式热管吊顶空调技术，构建通信机房的交换机热源和热管空调的改进模型，采用数值模拟和实验测试相结合的方法，对该机房热区气流组织及传热进行了研究和改进，得出结论如下：模型具有较高的准确度，模拟结果与测试结果的误差在5%以内；空调离地高度为2.1 m、与两侧机柜水平间距0.6 m时，整体换热效率高，冷却效果最好，按照该方案改造后可以减少40.9%的电能消耗；双源式热管空调系统可以有效改善能源消耗结构，提高能源综合利用效率，具有广阔的发展前景，热管空调的应用也为今后数据中心空调系统设计和改进提供了相关思路。