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机房气流组织

来源:中国绿色数据中心 作者:机房360 更新时间:2009-5-6 22:12:26

摘要:大中型数据中心机房的电子设备密集布放,总冷负荷比较大,每平方米大约在300~600W,有的甚至更高,其中设备冷负荷占到80%以上。针对于机房的余热量大、发热源集中的特点,就需要有合理的气流组织的分配和分布,有效地将机房内的余热消除,保证电子设备对环境温湿度、洁净度、送风速度以及人员对舒适度的需要。

  大中型数据中心机房的电子设备密集布放,总冷负荷比较大,每平方米大约在300~600W,有的甚至更高,其中设备冷负荷占到80%以上。针对于机房的余热量大、发热源集中的特点,就需要有合理的气流组织的分配和分布,有效地将机房内的余热消除,保证电子设备对环境温湿度、洁净度、送风速度以及人员对舒适度的需要。

  一、气流组织确定
  机房的气流组织形式有下送上回、上送侧回(下回)方式,气流组织形式的确定要考虑以下几个方面:
  (1)首先要依据设备冷却方式、安装方式,如设备或机柜自带冷却风扇或冷却盘管,目前较常见的设备和机柜的冷却方式都是从前面进风,后面域上部出风。
  (2)冷量的高效利用。使散热设备在冷空气的射流范围内。
  (3)机房建筑结构、平面布局。机房各个系统的建设要依托于建筑环境中,也受到这些因素的制约,如建筑层高、形状、面积等。
  二、气流组织形式
  (一)下送上回方式
  下送上回方式是大中型数据中心机房常用的方式,空调机组送出的低温空气迅速冷却设备,利用热力环流能有效利用冷空气冷却效率,因为热空气密度小、轻,它会往上升;冷空气密度大、沉,它会往下降,填补热空气上升留下的空缺,形成气流的循环运动,这就是热力环流。热力环流不同于水平流动的风,它是空气上下垂直的对流运动,冷与热激发出气流缓慢的运动。跟风不一样,风能够改造局部环境的气候,而热力环流是气流运动的原始动力。利用气流的原始动力,可以不用设置动力设备,同样达到最佳的冷却效果,如图4-1所示。


图4-1 下送上回气流组织

  送风口可安装在高架活动地板上,也可用高架地板配套的风口板送风(见图4-2),地板下的空司可作为空调送风静压箱。静压箱可以减少送风系统动压、增加静压、稳定气流和减少气流振动,可使送风效果更加理想。空气经过地板上安装的风口板向设备和机柜送风。


图4-2

   美国2005年4月发布的TIA942《数据申心通信基础架构标准》中要求机房内计算机设备及机架采用"冷热通道"的安装方式。"冷热通道"的设备布置方式,打破常规,将机柜采用"背靠背、面对面"摆放,这样在两排机柜的正面面对通道中间布置冷风出口,形成一个冷空气区"冷通道",冷空气流经设备后形成的热空气,排放到两排机柜背面中的"热通道"中,通过热通道上方布置的回风口回到空调系统,使整个机房气流、能量流流动通畅,提高了机房精密空调的利用率,进一步提高制冷效果,如图4-3所示。


图4-3 冷热通道示意图

   回风口可安装在天花板上,也可以利用穿孔的铝天花板回风,它的孔径不能小于2mm,穿孔面积应在15%以上。回风同样也是利用天花板与楼板之间的构成的静压箱回风。
  下送上回风具有以下显著优点:
  (1)有效利用冷源,减少能耗。
  (2)机房内整齐、美观,所有线槽都可暗敷。
  (3)便于设备扩容和移位。
  
  采用地板下送风天花板上回风,在设计中需要注意以下问题。
  1、保持活动地板下一定的均压静压值
  机房内高架活动地板下的空间作为送风库,通风截面积大,截面竖向间隔有许多活动地板的支架,截面横向上间隔甚至重叠有许多电缆及通信线缆线槽,所有这些都造成空气沿送风方向上的压力损失。在线缆、线槽安装时应尽量避开空调机组,比较大的线槽方向宜与气流方向平行安装。如果送风距离较长,空调机组的机外余压虽能克服最远端的阻力损失,但会造成送风近端和远端有较大的压差,不利于保持均匀的静压值,因此要尽量地控制地板下的送风距离。一般送风距离大于25m时,空调机组宜两侧分别布放。
  2、保证高架她板架空高度
  大中型电子计算机机房高架地板敷设高度宜在40Omm以上,有条件时应该尽量增加静压箱高度,这样可以保证在安装了大量线槽、线管后,仍不影响气流畅通。
  3、控制活动地板下送风风速
  风口板送风类似于局部孔板送风,要求送风风速小于3m/s,送风均匀。根据机房内设备集中布置的特点,为将局部大量的显热量带走,送风口需集中布置在设备前方进风口,在全压一定的情况下,这样会造成静压箱局部断面动压增大,静压减少。另外,由于空调送风量较大,在集中布置的风口附近不宜再设置风口,否则有可能会变成吸风口。为避免这种现象发生,在风口板上宜安装调节阀,来调整局部的静压、动压值,以达到最佳送风效果。
  4、送回风风道净化处理
  灰尘落在电子插件上,会产生尘膜,既影响散热又影响绝缘效果甚至引起短路。同时灰尘也增加元件表面的热阻,导致元件过热而烧毁,所以机房应按A级机房内的尘埃标准设计。地板下和天花板上的送回风风道需做净化处理,装饰材料宜选择不起尘、不吸尘的材料。
  5、其他
  人员较多的房间不宜采用这种送风方式,因为送风温度较低,一般低于17℃,从底部送风,工作人员会有不舒适的感觉。
  (二)上送侧回(下回)方式
  上送侧回通常是采用全室空调送回风的方式,适用于中小型机房。上送风可分为机房顶迭或紧靠机房顶下的上部侧送两种形式,后者较为常用。由顶部或侧上方送风的气流首先与室内空气混合,再进入设备或机柜内。机房顶部安装散流器或孔板风口送风,工作的气流小且均匀,人有良好的舒适感。但大多数计算机机柜的冷却的进风口是在下部或前方,排风口在机柜的上部。这样,顶部的送风气流先与机柜处上升的热气流混合,再进入机柜冷却设备,影响了机柜的冷却效果。由于机柜进风温度偏高,机柜内得不到良好的冷却效果,必然造成机柜内温度偏高,导致计算机不能进行工常的工作,如图4-4和图4-5所示。
  


图4-4 上送侧回气流组织(上部风帽侧送风)


图4-5 上送侧回气流组织(风道顶送)

  采用上送侧回的气流组织,对于散热量较大的机房,只有采用较低的送风温度(13~16℃),来维持机房内温湿度以及机柜散热的需要,这样会造成能源的浪费,而且较低的送风温度对工作人员也带来不舒适的感觉。
  上送侧回方式通常可在建筑层高较低时,机房面积不大时采用,但要保证送回风气流畅通,不被设备阻挡。空调机组送风出口处宜安装送风管道或送风帽,如采用管道送风,送风口可使用散流器或百叶风口。回风可通过室内直接回风,如有不同空调房间时,也可采用管道回风,但较少采用地板下回风。  


弥漫式送风方式送风的气流循环

  (三)弥漫式送风方式
  有的空调设备生厂商开发了一种新型的送风方式,即弥漫式送风,其制冷原理是依据冷热空气的热力环流进行设备的冷却。相对于下送风方式,弥漫式送风不需要架空地板,而单位面积的热负荷可提高10%,同时房间层高降低。这种送风方式适用于小型机房,且送风距离宜控制在l5m。

  三、气流分配系统
  很多人不理解气流分配系统也是数据机房设计的一部分。由于过去机房负载心密度,不正确的气流分配不会造成严重的问题题。然而越来越高密度的负载,开始考验现在的气流分配单元,使一些问题逐步显现出来,例如所有机柜朝向同一方向设计,大多数情况出于美观的考虑,但实际上耗费了冷量资源和成本,以下介绍有关气流分配得细节。
  送风口与回风口设计
  机柜内气流路径和机柜布局是引导空气流通改进制冷效果的关键因素,但要确保最佳制冷效果,还有一个关键因素:送风口与回风口设计。
  这些通风口的位置不当会使冷空气在到达设备前与热空气混合,从而引发上述各种效率问题和额外成本。送风口或回风口位置不当的情况很常见,几乎会抵消所有冷热通道设计的优势。
  送风口设计的关键在于将其置于尽可能接近设备进气口的位置,将冷空气限制在冷通道内。对于地板下送风方式的机房,意味着要将打孔地板放置于冷通道内。上送风与下送风系统一样有效,但关键还是要将回风口设置于冷通道的上部,而且这些通风口的设计必须能引导空气向下进入冷通道(而不是横向扩散)。在上送风系统与下送风系统中,任何通风口若位于不运行设备的区域,均应暂时关闭。因为这些通风口会阻止回风进入制冷系统,从而降低湿度。
  回风口设计的关键在于将其置于尽可能接近设备排气口的位置,并从热通道收集热空气。在有条件的情况下,可以便用架空吊顶回风,这样回风口便可以轻松与热通道进行协调工作。当使用高敞开式整体回风天花板时,最好是将制冷系统的进风口尽可能地调高,并用管道连接热通道上方的回风口,以协调进风口与热通道。即便只有少数几个回风口与热通道协调的简单回风系统也比房间侧面的单一大型回风口效果要好。
  对于没有活动地板或管道系统的小房间,上送风系统与下送风系统通常位于墙角或墙边。在这些情况下,很难协调冷空气的输送和热空气的回风。通过以下方法可能会提高这些系统的效率。对于上送风设备,将其置于热通道的一端,并通过管道将冷空气送至尽可能远离制冷设备的冷通道。
  对于下送风设备,将其置于冷通道的一端,并添加吊顶强制通风口或悬挂管道回风口,回风口位于热通道上方。一项关于回风位置不当的调查显示,根本原因主要是:个人感觉一些通道冷一些通道热,并认为这种情况不正常,试图通过将冷空气出风口移动到热通道并将热空气出风口移动到冷通道来加以调整。设计合理的机房旨在达到最佳工作状态,即冷热空气分离,但人们通常认为这是一种缺陷,他们会采取一些措施来混合空气,因而降低了系统效率并增加了成本。总结了送风口与回风口设计缺陷及解决方案。  

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