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数据中心用机架空调气流组织土木工程模拟研究

时间:2018-07-09 19:44来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇土木工程论文,土木工程是伴随着人类社会的发展而发展起来的。它所建造的工程设施反映出各个历史时期社会经济、文化、科学、技术发展的面貌,因而土木工程也就成为
本文是一篇土木工程论文,土木工程是伴随着人类社会的发展而发展起来的。它所建造的工程设施反映出各个历史时期社会经济、文化、科学、技术发展的面貌,因而土木工程也就成为社会历史发展的见证之一。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇土木工程论文,供大家参考。
 
第1章绪论
 
1.1研究背景与意义
数据中心是全球协作运行的特定设备网络,以用于在网络基础设施上传递、加速、展示、计算、存储数据信息。随着信息化社会的高速发展,数据中心也进入了飞速发展时期。全球正在建造的数据中心总量持续增长,预计将在2017年达到顶峰,达到860万个。目前全球已经步入大数据、云计算时代,随着智能终端、可穿戴设备、智能家居和物联网等信息化设备的迅速普及,用户对数据的需求量不断上升,这将带动数据存储和在线数据分析的需求呈现指数式爆发,因而,这使得人们对数据中心的需求增加,并且人们也认识到数据中心对现代社会的重要性,数据资产将成为各类企业的核心竞争力,大量数据将会长期在线存储运行,而数据中心就是移动互联网领域的商业地产,与传统的商业地产不同的是,互联网领域的商业地产处在刚刚起步的阶段,它的发展潜力巨大,估值将会不断提升。众所周知,数据机房的空调系统具有以下特点[1]:(1)数据机房内各种类型的电子设备约80%以上是高密度的集成电路及电子组成;(2)空调送风焓差小,风量大;(3)机房内部设备属于全年不间断高负荷运行,即使在冬季也可能存在需要供冷的情况,正因为如此数据中心消耗的电力非常大。与一个相同面积的标准办公室相比,数据中心平均消耗的电力约是标准办公室的30倍左右。并且随着数据业务的快速发展,未来数据中心能耗将不断上升,数据中心运行2~3年的能耗成本将有可能超过数据中心本身的建设成本。因此,发展节能绿色环保的数据中心迫在眉睫,这也将成为今后数据中心发展的趋势。数据中心的能耗问题涉及到多个方面,主要有服务器设备、照明系统、空调系统、新风系统、管理系统、供配电系统等。
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1.2国内外的研究现状
目前,国内外关于数据中心空调系统节能的技术总结归纳起来,可分为空调设备节能、自然冷源利用、气流组织优化三种方法[6]。在空调设备节能方面,主要分为两个方面。第一个方面是从空调系统进行温湿度独立控制的角度出发。江亿[7]提出采用了温湿度独立控制的空调系统,可以有效避免空调系统由于热湿耦合处理带来的问题,能够显著提高空调系统的能源利用效率。张涛[8]等通过某办公建筑的温湿度独立控制空调系统进行测试,统计分析了该空调系统全年运行能耗,发现与不采用温湿度独立控制的办公建筑相比,采用温湿度独立控制空调系统的建筑能节约能耗34%左右。而对于数据机房,空调系统如果采用温湿度独立控制的方案后,温度调节所产生的功耗将成为空调系统的主要功耗。在温度调节系统中引入中高温冷源系统,可以有效避免冷却过程的过度除湿,使制冷机性能大幅度得到提升[9]。目前中高温冷源技术的应用已经较为成熟,可根据不同的地理位置,所处环境条件等情况选择合适的冷却技术,间接蒸发冷却技术和高温冷水技术[10]均可适用于数据中心的冷却。另一个方面是从空调变频技术的角度去出发。数据中心IT设备的能耗一般会随着数据业务的变化而变化,并呈现出一定的变化规律,因此数据中心服务器的发热量也会呈现周期性的变化,采用变频压缩机、风机、水泵等设备可以有效提高空调设备制冷效率[12]。何其振[15]提出空调水泵变频改造的方案以应对数据中心空调系统能耗的变化,并结合改造后实际情况证明了该方案具有可行性,并具有一定的经济利用价值。在自然冷源利用方面众多学者都非常关注,并在自然冷源利用方案、设备等方面作了大量的研究。当前,利用室外自然冷源的技术有新风直接引入和间接利用介质传热两种。其中新风直接引入数据机房的冷却方案在国外纬度较高、年平均室外环境温度较低的地区应用较多,但实践证明,由于直接引入室外新风,需要对新风进行过滤处理,这就增加了安装过滤系统带来的成本,同时室外灰尘如果没有得到良好的过滤,则会给服务器的安全运行造成隐患[16]。对于间接利用介质传热的方案,由于与室外空气无直接接触,避免引入了室外灰尘,是一种较为理想的冷却方案。热管换热技术成为近几年的研究重点。李震[17]在数据中心散热系统中采用了分布式环路热管系统,实验研究发现,该系统的冷却效率明显高于传统制冷系统。石文星和SunilLee[19]等将分离式热管与蒸汽压缩式制冷相结合后,制成一种复合空调系统,实验研究表明,在同样的条件下,该复合式空调系统比常规机房空调系统节能30%-40%。但分离式热管换热系统也存在缺陷,一方面室外机必须高于室内机,但在实际安装过程中,往往会受到诸多因素的限制。另外蒸汽工质在管路中流动需要克服一定的阻力,在管路系统较长或者流体密度较大的情况下,若蒸汽的流动动能偏小,则部分冷凝器处于不工作的状态。为解决上述问题,马国远和张双等[21]对泵驱动的冷却回路系统进行了实验研究,研究表明该系统节能效果明显,在室内外温差达到18℃时,机组EER仍可达10.3左右。此外热管背板空调系统也是近几年研究的热点,陈文婷[23]等实验研究了热管背板空调的传热特性,指出背板传热量随着进风温度升高而增加,随着冷冻水流量增加而增加,背板换热基本不会受到机柜内部服务器布置均匀性影响。刘书浩[24]等介绍了用于数据中心的热管背板空调系统的运行原理,通过现场试验,发现背板空调在实际应用时,可能出现机房温度上热下冷,机柜回风温升过高的问题。理论分析及试验验证表明,机柜缝隙密封、机柜内负载均匀布置、背板空调自带风机等方式可有效解决上述问题。然而对于背板空调内部气流场的数值模拟研究还不够完善。
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第2章数据中心冷却方案研究
 
2.1本章引言
目前,数据中心的冷却方案多种多样,从气流组织的层面看,冷却方案总体概括可分为房间级制冷、行级制冷、机柜级制冷三种。本章首先分别介绍了这三种冷却方案,其次选取典型案例进行模拟研究,对其在气流场、温度场上的特性进行评估。最后对三种冷却方案总结比较分析。
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2.2房间级制冷方案
 
2.2.1概述
在房间级制冷方案中,机房空调与整个机房相对应,该制冷方案是针对整个机房环境设计的。在设计规划中,针对不同的数据机房对气流组织的设计往往有很大的区别。对于面积较小的数据机房,数据机柜并不是很多,有时机柜会任意摆放,气流组织系统就不会刻意的去规划设计——即不采用风管、出风口等遏制气流的冷却方案,如图2.1所示。该方案虽然结构简单,但存在很大的缺陷,由图可以看出,空调送出的冷气流并没有完全被机柜所利用,会一部分冷气流绕过机柜直接返回机房空调,这部分短路循环的冷气流没有被机柜所利用,空调制冷量未能完全的利用,造成冷量浪费。而对于面积较大、结构较复杂的数据中心,可利用高架地板格栅出风将冷气流送到密闭的冷通道内,再分配给每个机柜——即气流遏制的冷却方案,如图2.2所示。该制冷方案目的很明确,即通过气流遏制的方发引导冷气流使之完全用于IT设备的冷却,此种方案不存在冷气流短路循环会机房空调的现象,冷却效率大大提升,但是由于机房面积大、管路长,冷气流在输送的过程中会有所损耗。房间级制冷方案在设计的过程中会受到机房形状、室内高度、机柜布局、空调位置等因素的影响。因此,可能需要利用CFD数值仿真技术对设计方案进行设计计算,从而满足对特定数据机房的性能要求。此外,诸如IT设备移动、增加及变更等也可能破坏原气流产,因此需要进一步对机房气流组织进行分析和测试,重新设计。
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第3章机架空调模型建立与数值模拟............20
3.1本章引言.............20
3.2机架空调简介......20
3.3机架空调数值模型建立............21
3.4模拟结果分析......25
3.4.1气流场分析...............25
3.4.2服务器运行状态分析..........26
3.4本章小结.............27
第4章机架空调优化设计模拟分析.....28
4.1本章引言.............28
4.2回风口优化..........28
4.3换热器优化..........30
4.4本章小结.............31
第5章机架空调模拟运行效果研究.....32
5.1本章引言.............32
5.2盲板对系统运行效果的影响.....32
5.3空调位置对系统运行效果的影响........38
5.4本章小结.............46
 
第5章机架空调模拟运行效果研究
 
5.1本章引言
服务器的运行效果不仅受到机架空调本身制冷效果的影响,还与气流组织有关。机架空调封闭放置在机柜内部,稳定运行时,机柜内部形成一个闭合的循环风道系统,因此该风道系统内气流组织会影响服务器的运行效果。本章将从气流组织的层面分析机柜盲板的安装,以及机架空调在机柜内安放位置对机柜内气流场的影响,进而分析它们对机架空调系统运行效果的影响。
 
5.2盲板对系统运行效果的影响
 
5.2.1概述
在机柜结构的组成中有一个叫盲板的部件,有1U、2U、3U等规格,很多人在购买机柜时,为了减少成本,往往不去选配盲板这个部件,他们认为盲板只是起到封闭空U而让机柜看起来更加美观而已,没有其他的实际应用价值。其实设计人员设计盲板这个附件是为了防止热气流回流进服务器,阻隔冷热气流混合,防止冷热气流混合后提高服务器的进风温度,危害服务器的正常运行。图5.1-5.4分别是不安装盲板和安装盲板的机架空调机柜,本节通过对不安装盲板和安装盲板的机架空调机柜进行数值模拟,分析机柜内气流场分布,服务器运行状态,得到盲板对机架空调在机柜内运行效果的影响。机架空调模型采用第四章通风口优化后的模型,机柜内填充8个2U1400W的机架式服务器。如图5.5-5.6所示,下面将分别对没有盲板的模型和有盲板的模型进行模拟。
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结论
 
本文首先分析介绍了数据中心目前主流的三种冷却方案,通过选取对应方案的典型案例进行模拟研究,总结了三种冷却方案的优缺点。随后针对某公司设计的机架空调进行模拟研究,分析机柜内气流组织特点和空调、服务器运行状态,指出设计的不合理之处,并提出两种优化方案。最后利用优化后的方案,分析机柜盲板以及空调摆放位置对于机架空调在机柜内运行效果的影响。现将结论总结如下:
(1)、房间级制冷方案分为气流遏制方案和气流不遏制的方案,气流不遏制的方案多用于小型数据中心,设计时需要利用CFD模拟技术研究气流组织结构,存在冷量损耗的情况;气流遏制的方案用于大型数据中心,多采用地板送风结合冷通道封闭的技术,不存在气流短路的现象,但由于送风距离长,在输送气流的过程中存在冷量损耗的可能。行级制冷方案具有送风距离短,风机能耗低,冷却效率高等特点,多用于高功率密度的机房,不需要架高地板,节约了建设成本。机柜级制冷方案具备诸多优势,如灵活性、部署速度及密度优势,且成本较低,但是无法布置冗余,存在一定的风险。
(2)、机柜中的气流场被服务器和机架空调分为前后两个区域。即送风区域(服务器进口侧)和回风区域(服务器出风口侧)。机柜内部气流组织良好,没有发生冷热气流掺混的现象;送风温度均匀,消除了局部热点;制冷末端内置风机,进出口风速较大,会产生较大的噪音;由于原设计空调回风口位置不当,导致换热器进风量不均匀,换热效率低,不能充分发挥制冷作用,使空调出风温度过高,服务器运行状态差,不符合运行标准。
(3)、提出在机架空调侧面加开一个回风口以及将L型换热器改成V型换热器两种优化方案,通过模拟运行发现,模拟研究发现,这两种优化方案都能解决换热器风量分配不均匀的问题。机架空调出风温度相比没优化前降低约64.5%。机柜内服务器处在合理的运行环境中。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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