CLABSO在数据中心升级改造阶段的CFD分析

不管新建数据中心还是老旧数据中心在运行过程中都会存在些许安全隐患，即便现在的数据中心部署了出入通风道，机柜前面是入风道，后面是出风道，这样可以及时将热量带走。不过，由于不同的设备发热功率不同，局部区域若放置有大功率设备，容易造成机房局部区域过热现象，威胁数据中心的安全运行，甚至造成个别设备因过热而宕机、硬件损坏等严重问题，所以将数据中心机房内的温度控制在一定范围内，消除或降低局部热点是非常重要的。

CFD技术在数据中心改造及持续规划应用中，可帮助机房运维管理人员及时查找空调冷却和电力系统发生的故障问题，针对问题进行整改优化，从而改善IT设备的运行环境，消除局部热点、降低机柜局部温度，保证数据中心长期稳定运行。

对于机房升级改造的CFD应用主要分为如下四个步骤：

1、机房现状分析；

2、针对现状问题分析原因；

3、提出改造方案；

4、CFD分析报告。

一、机房现状分析

1、创建反映实际场地情况的虚拟模型，建模要求，模型属于评估改造的模型；

2、采集必要的现场监控数据：机柜/IT输入功率，冷热通道监控温度，空调风机转速等；

3、测试空调送回风温度，回风风速，机柜进出风温度、地板出风量等数据；

4、根据监控与测试数据校正模型；

5、从求解结果中发现问题，比如局部热点、冷风泄露、冷风不足、控制不合理等。

下图为某机房存在的局部热点问题

二、针对现状问题分析原因

可以通过CFD后处理的结果中查看问题的原因，比如机柜进风温度分布、截面温度分布、压力分布、速度分布、流线、空调影响区域等，最有效的方法是首先绘制机柜的最大进风温度，

                        最大进风温度图

截面速度云图

截面气流分布图

通过CFD模拟结果可定位到进风温度高的机柜，再模拟机柜的静态流线图或流线动画，通过结果查看，可很快速的找到问题原因所在。

可以看出由于机房内气流组织不合理，造成了机柜产生的热没有得到有效消抵，从而形成局部热岛。 

                    机柜流线图

现状分析后存在的问题会有很多，可大概归结为以下两个问题：

1、热点问题

对于一些业主来说，可能只关注运行安全，无需考虑耗能问题，但热点问题解决了不仅提升了冷风效率，还起到节能作用。数据中心产生局部热点的原因有很多，主要有以下7个方面：

•  单个机柜对应的穿孔地板的送风量与机柜内IT设备所需的风量不匹配造成机柜内温度升高。
  
• 机柜内空闲U位空隙造成机柜内温度升高。
  
• 同列相邻机柜间空隙造成机柜内温度升高。
  
• 机柜底部与静电地板间空间造成机柜内温度升高。
  
• 热负荷与投入制冷量的匹配不当造成机柜内温度升高。
  
• 机柜孔密度与设备风量的匹配造成机柜内温度升高。
  
• 数据中心设备随着使用时间的延长，机柜内一些老旧设备发热设备自身产生的热风无法高效的被排出，造成机柜内涡流，致使机柜内压力高、温度高，形成局部高热。而局部热点的现象容易造成机柜内的设备运行环境恶劣，发生设备损坏等问题，进而造成经济损失。
  

2、节能问题

据研究发现，数据中心机房能耗构成：IT 及网络通信设备的能耗占 51%，空调制冷系统的能耗占 24%，空调通风加湿系统的能耗占 11%，照明能耗占 2.5%，其他能耗占 11.5%，因此数据中心机房的节能重点是 IT 及网络通信设备和机房空调。为了实现最大限度的节能，机柜进风温度可以靠近GB50174-2017规定的推荐值上限。引起节能问题的原因可能有：没有封闭通道、空调冗余配置不合理、冷空气泄露、空调控制温度过低等。

对于问题的改进方法需要依据现场实际条件，结合设备产品的工作特点、结合工程实施经验，在几种改造方案中找到即能够解决问题，又不会在实施的过程中对已运行系统造成较大影响的实施方案。

某改造项目使用上供风空调的顶部供风帽，加装了一套顶部供风静压箱，以实现制冷气流的精准供风，机柜流线图如图所示：

改造方案需要根据现场情况，针对热点与节能问题的改造方法示例如下：

1、热点问题：封闭通道、安装导流板、风管导流、提高风机转速、调整机柜布局、安装盲板封闭空槽位、提高架高地板高度、控制空调送风与机柜的距离等。

2、节能问题：封闭通道、阻止空气泄露、提高空调控制温度、确定最佳备机数量等

四、出分析报告

 部分内容摘自：《数据中心CFD技术白皮书》 图片来自：CLABSO模拟计算