王勝男 姚景生 吳金文 陶 麗 付 雷 曹曉玲

（1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 成都 610031；2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

0 前言

鐵路“四電”機(jī)房是指鐵路站房通信、電力、信號(hào)、信息四大專業(yè)的相關(guān)機(jī)房。“四電”機(jī)房對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)闹笓]和安全保障起到至關(guān)重要的作用，而良好的空調(diào)和通風(fēng)又是“四電”機(jī)房安全穩(wěn)定運(yùn)行的保障[1]?！八碾姟睓C(jī)房全年每天24 小時(shí)運(yùn)行，室內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量大、散濕量小，防火要求嚴(yán)格，全年四季要求維持室內(nèi)一定的溫濕度范圍，對(duì)暖通空調(diào)設(shè)備的可靠性有著較高的要求。我國鐵路“四電”機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了提高機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的可靠性，常見的方案是采用冗余設(shè)計(jì)來解決可能出現(xiàn)的空調(diào)設(shè)備故障等問題。例如對(duì)于中小型數(shù)據(jù)機(jī)房一般設(shè)計(jì)有兩套空調(diào)系統(tǒng)，其運(yùn)行策略為每套系統(tǒng)各自按照50%的制冷量運(yùn)行，當(dāng)一套設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，另一套設(shè)備則轉(zhuǎn)化為100%的制冷量運(yùn)行。但是該系統(tǒng)只解決了可能出現(xiàn)的設(shè)備故障問題，卻無法解決設(shè)備斷電導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)無法運(yùn)行的情況。例如，當(dāng)在某些偏遠(yuǎn)地區(qū)或貧困地區(qū)建設(shè)鐵路項(xiàng)目時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)的電力供應(yīng)受當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)情況制約，可能存在斷電情況。一旦出現(xiàn)緊急斷電事故，兩套空調(diào)系統(tǒng)均無法正常工作，鐵路“四電”機(jī)房內(nèi)的溫度將大幅上升，這將極大地影響機(jī)房內(nèi)設(shè)備的安全運(yùn)行，甚至可能出現(xiàn)設(shè)備損壞，進(jìn)而影響到整條鐵路系統(tǒng)的安全。

機(jī)房內(nèi)的熱源包括數(shù)據(jù)處理設(shè)備、程控交換設(shè)備、傳輸設(shè)備等機(jī)器的散熱以及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱、太陽輻射熱、人體散熱、照明裝置散熱負(fù)荷等。但機(jī)房內(nèi)電子設(shè)備散熱產(chǎn)生的制冷負(fù)荷是制冷空調(diào)負(fù)荷的主要來源，使得冬季時(shí)機(jī)房內(nèi)部也存在大量的熱負(fù)荷，空調(diào)系統(tǒng)需要全年運(yùn)行。機(jī)房內(nèi)幾乎沒有濕負(fù)荷源，只有機(jī)房工作人員與外界空氣帶入的濕負(fù)荷。圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱引起的負(fù)荷會(huì)逐時(shí)波動(dòng)，但總量不大，對(duì)室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷影響相對(duì)較小[2,3]。

據(jù)文獻(xiàn)[4]，機(jī)房各月設(shè)備總功耗之間的最大波動(dòng)在7%以內(nèi)，波動(dòng)范圍很小，可以認(rèn)為機(jī)房設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。但是不同設(shè)備之間的功耗相差較大，功耗最大設(shè)備的功耗為功耗最小設(shè)備的3 倍多，機(jī)房內(nèi)部熱源分布存在不均勻性，易出現(xiàn)局部過熱的情況。機(jī)房內(nèi)局部熱點(diǎn)的定位主要根據(jù)室內(nèi)設(shè)備（熱源，以單個(gè)機(jī)柜為代表）、氣流組織和現(xiàn)有的熱環(huán)境評(píng)價(jià)體系判斷。比較成熟的熱環(huán)境評(píng)價(jià)體系有Sharma 等[5]提出的SHI（Supple Heat Index）、RHI（Return Heat Index），Herrlin 等[6]提出的RCI（Rack Cooling Index）和RTI（Return Temperature Index）。Bash[7]等提出的β以及田浩等[7]人提出的IOM（Index Of Mixing）不僅是良好的熱環(huán)境評(píng)價(jià)體系，更能反映數(shù)據(jù)中心機(jī)房局部熱點(diǎn)區(qū)域。

合理的氣流組織是消除機(jī)房熱點(diǎn)的關(guān)鍵。按照送風(fēng)口布置位置和形式的不同，可以將氣流組織形式大致分為上送風(fēng)和下送風(fēng)。上送風(fēng)方式先冷卻環(huán)境溫度，再冷卻設(shè)備，一般氣流組織紊亂，不利于消除局部熱點(diǎn)，需要將發(fā)熱量較大的設(shè)備布置在送風(fēng)落點(diǎn)[8]。下送風(fēng)是目前研究和運(yùn)用最為活躍的一種，一般是在機(jī)房內(nèi)設(shè)置架空的活動(dòng)地板，活動(dòng)地板下的空間用作空調(diào)送風(fēng)的通道，送風(fēng)口一般布置在機(jī)柜側(cè)或機(jī)柜底部，有較好的氣流組織。Roger Schmidt 等[9]提出了熱通道封閉、冷通道封閉和機(jī)架排風(fēng)通道封閉三種方案，來提高機(jī)房換熱效率，避免冷熱氣流發(fā)生摻混。Jinkyun Cho 等[10]對(duì)6 種常見送風(fēng)方案模擬后發(fā)現(xiàn)，地板送風(fēng)、管道回風(fēng)、冷通道隔離的方案是最佳的送風(fēng)方案。魏蕤[11]在其研究中發(fā)現(xiàn)，縮短回風(fēng)路徑，減小空氣滯留區(qū)，可以顯著改善機(jī)房內(nèi)部的溫度場分布，降低機(jī)房環(huán)境溫度。

因此，明確鐵路“四電”機(jī)房斷電后的熱環(huán)境情況是至關(guān)重要的。本文基于數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)鐵路“四電”機(jī)房斷電后熱環(huán)境進(jìn)行分析，為掌握空調(diào)系統(tǒng)斷電后機(jī)房的降溫需求并設(shè)計(jì)降溫防護(hù)手段提供參考。

1 數(shù)值模擬方法

機(jī)房緊急斷電后，為保障列車等工具的正常運(yùn)行，備用電源或不間斷電源往往優(yōu)先為數(shù)據(jù)處理設(shè)備、程控交換設(shè)備等IT 設(shè)備供電，冷水機(jī)組、風(fēng)機(jī)等空氣調(diào)節(jié)設(shè)備通常不會(huì)獲得電力供應(yīng)，此時(shí)設(shè)計(jì)狀態(tài)下的氣流組織將瓦解，形成新的氣體流動(dòng)，房間內(nèi)的溫度也會(huì)快速上升。

該模擬驗(yàn)證使用Fluent 軟件進(jìn)行計(jì)算，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，SIMPLE 算法進(jìn)行壓力速度耦合，Green-Gauss Node-Based 算法進(jìn)行梯度離散，PRESTO！算法進(jìn)行壓力修正，動(dòng)量和能量方程采用二階迎風(fēng)算法進(jìn)行離散。

為設(shè)計(jì)出適合該環(huán)境的應(yīng)急控溫裝置，本文選取了長寬高為5m×3m×2.5m 的區(qū)域進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)停運(yùn)期間的機(jī)房熱環(huán)境分析。按照機(jī)房設(shè)計(jì)負(fù)荷300W/m2進(jìn)行計(jì)算可知，該區(qū)域熱負(fù)荷為4500W。機(jī)柜尺寸參考最小標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜18U 的規(guī)格尺寸600mm×600mm×1000mm，在該區(qū)域內(nèi)放置2 排共4 個(gè)該尺寸的機(jī)柜，兩排機(jī)柜對(duì)向排熱，每個(gè)機(jī)柜熱負(fù)荷為1125W，具體布置見圖1。假設(shè)該模擬區(qū)域內(nèi)初始溫度為22℃，且溫度分布均勻，氣流組織合理。

圖1 模擬計(jì)算示意圖Fig.1 Schematic diagram of simulation

2 熱環(huán)境分析

溫度測點(diǎn)根據(jù)《GB/T2887-2011 計(jì)算機(jī)場地通用規(guī)范》進(jìn)行選取與布置，理論測點(diǎn)布置如圖2所示，測點(diǎn)位置2、3、4、5 均應(yīng)選在A～1、B～1、C～1、D～1 中點(diǎn)附近。由于測點(diǎn)需要與設(shè)備保持至少0.8m 及以上的距離，因此實(shí)際測點(diǎn)位置如圖3所示。

圖2 理論測點(diǎn)分布圖Fig.2 Distribution diagram of theoretical measurement point

圖3 實(shí)際測點(diǎn)分布圖Fig.3 Distribution diagram of actual measurement point

圖4 為機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)停運(yùn)后測點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線。可以發(fā)現(xiàn)，5 個(gè)測點(diǎn)位置的溫度差別不大，其變化曲線也幾乎一致，僅測點(diǎn)1 的溫度在前20s 內(nèi)明顯高于其余位置溫度，之后測點(diǎn)1 與其余測點(diǎn)溫差均在1℃以下。因此，可以認(rèn)為機(jī)房在空調(diào)系統(tǒng)停運(yùn)后房間內(nèi)的溫度均勻性較好。

圖4 測點(diǎn)溫度變化圖Fig.4 The temperature variation with time

圖5 為機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)停運(yùn)后10s、30s、60s、120s 共4 個(gè)時(shí)刻，距離地面0.8m 平面的溫度云圖。通過云圖可以發(fā)現(xiàn)，空調(diào)系統(tǒng)停運(yùn)后，通道內(nèi)的熱空氣迅速向房間各處擴(kuò)散，減小房間各處的溫度差異，并在30 秒左右形成較為穩(wěn)定的溫度分布。此時(shí)最大溫差為1.5℃，高溫點(diǎn)在設(shè)備出風(fēng)口，低溫點(diǎn)在設(shè)備兩側(cè)。隨著環(huán)境溫度的進(jìn)一步提高，設(shè)備出風(fēng)溫度也水漲船高，并且由于設(shè)備核心散熱溫度與環(huán)境平均溫度的溫差減小，導(dǎo)致最大溫差擴(kuò)大為1.8℃左右。在120s 時(shí)，設(shè)備出風(fēng)口周圍的溫度已經(jīng)超過35℃。

圖5 溫度分布圖(Z=0.8)Fig.5 Temperature distribution of temperature filed(Z=0.8)

圖6 為機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)停運(yùn)后10s、30s、60s、120s 共4 個(gè)時(shí)刻，房間中垂面的溫度云圖。通過云圖可以看到，空調(diào)系統(tǒng)中斷后，“熱”通道內(nèi)熱空氣上升后將向四周蔓延，與周圍空氣進(jìn)行換熱，又由于設(shè)備進(jìn)風(fēng)口往往處于負(fù)壓狀態(tài)，此時(shí)“冷”通道上方的空氣更易墜下，并進(jìn)入設(shè)備吸收熱量，由此室內(nèi)氣體通過機(jī)柜形成環(huán)形流動(dòng)，加劇室內(nèi)空氣熱交換，同時(shí)這也是機(jī)柜上形成低溫旋渦的原因。

圖6 溫度分布圖(Y=1.25)Fig.6 Temperature distribution of temperature filed(Y=1.25)

根據(jù)施耐德電氣對(duì)空調(diào)系統(tǒng)中斷期間數(shù)據(jù)中心溫度變化的研究[11]，空調(diào)系統(tǒng)電力中斷后，房間內(nèi)的空氣溫度會(huì)快速上升，雖然各機(jī)柜排熱口處的空氣溫度會(huì)明顯高于環(huán)境溫度，但機(jī)柜排出的熱空氣很快便會(huì)與室內(nèi)空氣進(jìn)行混合，整個(gè)房間溫度分布并未因此產(chǎn)生較大的不均勻性。

3 結(jié)論

機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)中斷后，“熱”通道內(nèi)的熱量將迅速擴(kuò)散至整個(gè)房間，而設(shè)備排出的熱量也會(huì)很快在通道內(nèi)被“稀釋”，不會(huì)造成較大的局部熱點(diǎn)，“熱”通道內(nèi)的溫度也僅比室內(nèi)空氣流動(dòng)較差處的溫度高1℃左右，并且對(duì)于應(yīng)急控溫來說，只要保證最不利溫度滿足要求即可，因此，可以認(rèn)為空調(diào)系統(tǒng)中斷后的建筑內(nèi)部空氣溫度均勻一致。