刘 彬， 张少凡

（南京理工大学，江苏 南京210094）

0 引言

随着社会信息化、计算机和网络技术的飞速发展，数据处理业务需求呈现爆炸式增长，银行、证券、保险等金融行业，医疗卫生、交通运输等大型企业及政府机构逐渐建立了不同规模的数据中心（DC，Data Center，简称机房）来完成楼宇自动化、信息的存储和交换工作。机房由于其特殊性需要空调系统常年供冷，空调系统耗能量巨大，机房空调节能一直以来是人们所关心的问题。

1 机房空调的特点及能耗现状

机房设备一般包括机房主设备、蓄电池组、空调系统及其他配套设备，这些设备往往被赋予重要的任务，需要7d×24h连续运行，设备产生大量的热量，随着工艺水平的提高，电子设备的功能更强，运行速度更快，设备体积更小，导致设备的散热量大且集中[1]。此外，机房设备对室内空气质量（IAQ，Indoor Air Quality）有一定要求。其内部温湿度要求如表1所示[2]。

表1 机房环境的温湿度、洁净度要求

机房空调系统的耗电量在机房的总能耗中占的比例仅次于机房主设备的耗电，根据相关调查显示，机房内各部分的能耗中空调设备耗电占到44%[3]，机房空调节能改造在机房节能改造中具有很大潜力。我国大部分地区室外温度较低的冬季及过渡季节室外的大气就是免费的自然冷源，如果能够有效利用室外的冷空气对机房进行冷却，就可以关闭或者减少空调机组开启的时间，将会节省一大笔电费开支。

2 机房节能途径及研究内容

2.1 机房常见节能途径

传统的机房专用空调全年开启，不能根据外部环境调节制冷模式，尤其是在室外温度较低的冬季，机组仍然要承担制冷任务。目前较常采用的机房空调节能方案有主机变频节能、智能通风节能系统、智能换热节能系统、相变材料节能系统等[4]。其中智能通风节能和智能换热节能因为充分利用室外“免费”的自然冷源，受到了各界的广泛关注[5]。

2.2 研究内容及方法

以南京市某典型机房为例，建立DeST模型，通过改变冬季和过渡季节的通风换气次数，得到不同的节能效果，综合考虑通风的能耗可以得出最有利的通风换气次数。建立典型机房的三维模型，通过AirPak软件模拟该通风换气次数下的室内气流组织，检验其合理性。

3 不同换气次数冷却效果模拟

3.1 DeST模型

根据现场调研所获取的信息，建立典型机房的DeST模型如图1所示。机房维护结构材料和相关参数根据调研数据设定，如表2中所示。由于机房内除了定期的检修之外，基本上没有人员驻守，因此在模拟中不考虑人员热扰。机房内的温湿度设定参数见表 3，室外空气的参数为南京市典型气象年的气象年参数[6]。

图1 典型机房的DeST简化模型

表2 机房维护结构的物理参数 W/m2·K

表3 机房室内模拟参数设定

3.2 换气次数设定

在房间通风参数的设定上，软件提供按照通风范围定义和按照逐时通风定义两种方式，按照通风范围定义是指分别定义最大和最小的通风换气次数，按照逐时通风定义则要通过作息定义各个时刻的通风换气次数。模拟采用逐时通风次数定义，即定义每个时刻的换气次数[7]。

根据南京市典型气象年数据中日平均干球温度，如图2所示，当室外空气温度低于机房允许最高温度10℃，即当外温低于15℃时开启通风，关闭机房专用空调，其余时间则只开启空调。

图2 南京市日平均干球温度统计

根据上图信息，机房专用空调系统的开启时间设定为4月10日至10月20日，其余时间只利用通风。逐渐改变通风的换气次数，模拟得出机房内温度情况，根据机房环境温度要求从而确定合适的通风换气次数。

3.3 数据分析

通过模拟得出十一月份、一月份及通风期机房平均温度随换气次数变化的情况，以及机房在采用通风冷却期间日均温度随通风换气次数的变化如图3和图4所示。

从图3看出，机房内温度随着换气次数的增加而降低，当换气次数较小时温度降低的幅度较大，当换气次数大于50次/h时，再提高换气次数对降低温度影响不大。图4显示的是从10月21日至次年4月9日关闭机房空调只利用新风，不同的换气次数的日平均室温的变化，发现在相同换气次数时12、1和2月三个月份的温度比其他月份的温度相对较低，当温度达到要求时（换气次数在25次/h左右），在其他月份的温度会超出要求；而当 11、3月温度满足要求时（换气次数在35～40次/h左右），其他月份的温度则可能会过低，甚至低于空气露点，有结露的危险。因此在通风换气次数的确定时应当根据具体情况做一些改变。

图3 11月、1月及机房平均温度随不同换气次数变化情况

图4 通风时不同换气次数下机房内日均温度变化

针对上述现象，对换气次数的设定做如下改变：10月21日至11月30日设为38次；12月1日至次年2月28日设为25次；3月1日至4月9日设为38次。采用该换气策略后再进行模拟得到结果如图5所示。从图5中看出机房内温度除了在换气次数发生改变的几天（临界点）有较大波动外，其余时间都基本能维持在允许的温度范围内，效果较为理想。

图5 改变换气策略后机房内日均温度变化

在冬季以及过渡季节采用通风冷却可以有效降低机房温度在要求的范围，由于只是开启风机，停用了专用空调器，大大降低了机房空调系统的耗电量。但是通风换气次数必须控制在一定范围内，风量不足会导致无法将机房内热量及时散去，风量过大则增大了通风系统能耗。

4 机房通风气流组织模拟

换气次数既意味着通风量、送风速度，目前机房气流组织的相关研究表明，采用下送上回的冷却效果要好于其他送风方式，因此这里在上文得出的换气次数的基础上利用专业人工环境系统分析软件Airpak对机房内气流组织进行模拟，研究温度、速度分布情况[8]。

4.1 AirPak模型、参数

建立三维模型如图6所示，机房内包括：空调器2台，两列机柜，PDU，送回风口。模拟中不考虑人员舒适度，考虑机柜热辐射，室外环境温度设定为12.8℃，机房初始环境温度设定为28℃，模拟采用理想气体零方程模型。

图6 机房AirPak模型

4.2 结果分析

模拟得到机房内温度、速度分布如图7、图8、图9、图10、图11、图12所示。从温度分布图看出设备温度基本能够控制在允许的范围内；而速度分布图表明由于换气次数较大，机房内局部出现风速偏高的现象，但是考虑带机房为无人值守，且不影响设备的正常运行。综合模拟结果可知，该通风冷却策略可以满足机房运行要求，气流组织相对较为满意。

图7 设备表面的温度分布情况

图8 温度、速度图例

图9 x=4切面温度分布

图10 z=4切面温度分布

图11 z=3切面速度分布

图12 –y方向速度分布

5 结语

通风冷却技术在满足机房设备正常运行所需要的温度的前提下，利用低耗电的通风机代替高耗电的空调系统，有效的起到节能效果。以南京地区某机房为例模拟的结果表明：在该地区，在冬季和过渡季节采用通风代替空调为机房冷却，掌握好通风量及两种方式的联合控制[9]，既可以保证机房内温湿度的要求，还能大大减少空调系统的运行时间，达到节能的效果。该模拟方法同样适用于其他地区，但模拟有一定的局限性，建议时间和条件允许的情况下通过实验进行进一步验证。

[1] 赵军锋,赵景召.电信机房规划设计及综合布线的分析[J].通信技术,2010,43(12):171-173.

[2] 鲍玲玲.通信基站用空气换热器的研究[D].河北:河北工程大学,2008.

[3] 张贺新,简玮恺,许新毅.精确送风在通信机房节能改造的应用[J].通信技术,2012,45(04):105-107.

[4] 陈圣照,甘海峰.基站节能控制系统[J].邮电设计技术,2005,48(02):30-32.

[5] 赵晓峰.自然冷源制冷在通信机房的应用[J].电信技术,2008(08):44-45.

[6] 芮冬梅,张予燕.南京市环境空气质量与气象条件的关系分析[J].环境科学导刊,2009,28(02):37-38.

[7] 江亿.建筑环境系统模拟方法——DeST[M].北京:中国建筑工业出版社,2006:267-277.

[8] 赵彬,李先庭,彦启森.用零方程湍流模型模拟通风空调室内的空气流动[J].清华大学学报:自然科学版,2001,41(10):109-113.

[9] 陈国明,夏冬.S3C4510B uClinux空调系统远程控制设计与实现[J].通信技术,2010,43(03):118-120.