谷長城，韓成付，郭 楠，劉 斌，張仁玉

（1.京東科技信息技術(shù)有限公司，北京 100176；2.中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于河北省廊坊市，園區(qū)占地面積為86 632 m2，規(guī)劃建設(shè)4棟數(shù)據(jù)中心機(jī)房樓，單體總建筑面積約為31 000 m2，主要包括數(shù)據(jù)機(jī)房、電力電池室、高低壓配電室、制冷站以及柴發(fā)機(jī)房等，地上4層。首層層高6.8 m，2～4層層高5.4 m，總高度為23.6 m。

數(shù)據(jù)機(jī)房末端空調(diào)主要采用房間級冷凍水型機(jī)房專用空調(diào)，EC風(fēng)機(jī)下沉送風(fēng)、上回風(fēng)。設(shè)計供水溫度為15 ℃、回水溫度為21 ℃，設(shè)備采用N+1冗余備份。機(jī)柜采用冷熱通道方式布置，熱通道封閉，機(jī)房不設(shè)架空地板，空調(diào)區(qū)設(shè)架空地板。處理后的冷空氣通過空調(diào)下部靜壓箱彌散送入密閉的機(jī)房區(qū)通道，形成冷池，機(jī)柜內(nèi)IT設(shè)備前端吸入冷空氣降溫后，熱空氣由機(jī)柜后端排出至熱通道。機(jī)柜背面形成的熱通道與房間吊頂層無縫連接形成熱回風(fēng)靜壓箱，熱通道內(nèi)IT設(shè)備排出的熱空氣通過回風(fēng)靜壓箱迅速返回到空調(diào)區(qū)完成氣流換熱循環(huán)。封閉熱通道機(jī)房設(shè)計平面和剖面如圖1所示。

圖1 機(jī)房平面圖和剖面圖

為了指導(dǎo)和驗(yàn)證設(shè)計的科學(xué)性和合理性，本項(xiàng)目擬采用計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬手段，對機(jī)房的氣流組織進(jìn)行模擬分析。機(jī)房相關(guān)設(shè)計參數(shù)如表1所示。模擬目標(biāo)主要是控制回風(fēng)溫度在37 ℃以下，機(jī)房內(nèi)溫度場合理，無熱量聚集區(qū)。

表1 機(jī)房主要設(shè)計參數(shù)

2 模擬分析方法

2.1 應(yīng)用軟件

本研究采用CFD數(shù)值模擬分析方法，計算軟件采用時下流行的PHOENICS 2011版本。PHOENICS可對傳熱和流體進(jìn)行數(shù)值模擬計算分析。

2.2 模型與網(wǎng)格

對建筑風(fēng)環(huán)境進(jìn)行CFD評價分析的關(guān)鍵在于建立合適的建筑幾何模型，合理劃分計算網(wǎng)格。盡量對建筑合理簡化，降低對局部網(wǎng)格劃分的影響，從而保證網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。另外，對計算區(qū)域的選擇也十分關(guān)鍵。由于風(fēng)場作用范圍較大，計算區(qū)域應(yīng)選的較大，但過分地增大計算區(qū)域會顯著增加計算成本，合理選擇計算區(qū)域有助于計算量的降低。

參照暖通設(shè)計平面圖進(jìn)行幾何建模，進(jìn)行一些必要的簡化，模型如圖2（a）所示。計算區(qū)域即為能夠使區(qū)域內(nèi)氣流充分發(fā)展的外部空間，采用PHOENICS獨(dú)特的網(wǎng)格處理技術(shù)（即PARSOL技術(shù)），對導(dǎo)入的CAD圖形進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2（b）所示。

圖2 機(jī)房模型圖和網(wǎng)格劃分圖

2.3 邊界條件與控制方程

（1）平均風(fēng)速的指數(shù)律分布。目前，國際上多采用經(jīng)驗(yàn)的指數(shù)分布對此進(jìn)行描述，我國規(guī)范也采用指數(shù)分布，計算公式為

式中：UZ為高度Z處的水平風(fēng)速；U0為參考高度Z0處的風(fēng)速；m為不同地形粗糙度下的冪指數(shù)。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012），本文m取0.3。

（2）出流面邊界條件。出流面出口邊界采用局部單向化處理。

（3）壁面邊界條件。建筑物表面采用壁面函數(shù)法進(jìn)行處理。

（4）控制方程選取。由于建筑內(nèi)外空氣流動通常為不可壓縮的低速湍流、限制流，故本文采用Realizable k-ε模型對此計算模擬，具有成本較低、預(yù)測較準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)。

對于不可壓縮流動問題，其控制方程主要有以下幾個。

連續(xù)性方程為

動量方程為

湍流動能k的方程為

耗散率ε的方程為

3 模擬分析過程

本次模擬分析以送風(fēng)口高度為變量，分別模擬送風(fēng)口高度為1.2 m、1.6 m及2.0 m時的風(fēng)速場和溫度場情況。

3.1 風(fēng)速模擬分析

3.1.1 高度1.5 m處頂視角風(fēng)速場

圖3（a）～圖3（c）分別為送風(fēng)口高度1.2 m、1.6 m及2.0 m 3種工況下高度1.5 m處頂視角的風(fēng)速場。由圖3可知，在機(jī)柜通道進(jìn)口處，3種工況的風(fēng)速分別為2.39 m/s、2.28 m/s及2.25 m/s，風(fēng)速差別較小。

圖3 高度1.5 m處頂視角風(fēng)速場

3.1.2 前視角風(fēng)速場

圖4（a）～圖4（c）分別為送風(fēng)口高度1.2 m、1.6 m及2.0 m 3種工況下前視角的風(fēng)速場。由圖4可知，在機(jī)柜通道內(nèi)部，3種工況下的風(fēng)速區(qū)別不大。送風(fēng)口高度為1.2 m工況下，由于初速度略高、送風(fēng)高度較低，減少了通道底部低風(fēng)速區(qū)的集聚。

圖4 前視角風(fēng)速場

3.1.3 熱通道處左視角風(fēng)速場

圖5（a）～圖5（c）分別為送風(fēng)口高度1.2 m、1.6 m及2.0 m 3種工況下熱通道處左視角的風(fēng)速場。由圖5可知，在機(jī)柜通道內(nèi)部，3種工況的最高風(fēng)速分別為3.47 m/s、3.31 m/s、3.27 m/s，風(fēng)速差別不大。整體流場基本相同，送風(fēng)口高度為2.0 m工況下的低風(fēng)速區(qū)相對較少。

圖5 熱通道處左視角風(fēng)速場

3.2 溫度模擬分析

3.2.1 高度1.5 m處頂視角溫度場

圖6（a）～圖6（c）分別為送風(fēng)口高度1.2 m、1.6 m及2.0 m 3種工況下前視角的溫度場。由圖6可知，在此平面機(jī)柜內(nèi)部，局部最高溫度出現(xiàn)在送風(fēng)口高度為2.0 m時，在45 ℃左右，主要分布在排風(fēng)側(cè)。從溫度場分布來看，送風(fēng)口高度1.2 m工況時的溫度分布較為均勻，排風(fēng)側(cè)最高溫度點(diǎn)在40 ℃左右，滿足機(jī)房運(yùn)行溫度管理要求。此方案的換熱效果最好，且與類似項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行情況相符。

圖6 高度1.5m處頂視角溫度場

3.2.2 回風(fēng)口處頂視角溫度場

圖7（a）～圖7（c）分別為送風(fēng)口高度1.2 m、1.6 m及2.0 m 3種工況下回風(fēng)口處頂視角的溫度場。由圖7可知，3種工況下的回風(fēng)溫度均低于37 ℃，送風(fēng)口高度2.0 m工況下的溫度場相對較好。

圖7 回風(fēng)口處頂視角溫度場

3.2.3 前視角溫度場

圖8（a）～圖8（c）分別為送風(fēng)口高度1.2 m、1.6 m及2.0 m 3種工況下前視角的溫度場。由圖8可知，3種工況的溫度場情況基本相似。

圖8 前視角溫度場

3.2.4 熱通道處左視角溫度場

圖9（a）～圖9（c）分別為送風(fēng)口高度1.2 m、1.6 m及2.0 m 3種工況下熱通道處左視角的溫度場。由圖9可知，3種工況下的回風(fēng)最高溫度均不高于37 ℃。從溫度場分布情況看，送風(fēng)口高度1.2 m工況下的溫度分布較為均勻。

圖9 熱通道處左視角溫度場

4 結(jié) 論

通過對華北某數(shù)據(jù)中心采用彌散式送風(fēng)、熱通道封閉機(jī)房的研究，以暖通設(shè)計圖紙為依據(jù)進(jìn)行幾何建模，借助CFD技術(shù)對其氣流組織進(jìn)行了模擬，計算分析了彌散式風(fēng)口在長度不變情況下、送風(fēng)口高度分別為1.2 m、1.6 m及2.0 m 3種工況時的風(fēng)速場和溫度場。結(jié)果表明：該機(jī)房氣流組織設(shè)計均勻，室內(nèi)大部分區(qū)域的風(fēng)速不高于3.47 m/s；機(jī)房冷、熱通道內(nèi)溫度場較為均勻，換熱后機(jī)柜內(nèi)部最高溫度在35～44 ℃，回風(fēng)溫度在37 ℃以下；3種工況的風(fēng)速場基本相同；送風(fēng)口高度2.0 m的工況回風(fēng)溫度相對略低（原因可能是換熱不夠充分），而送風(fēng)口高度1.2 m的工況在機(jī)架高度溫度分布更為均勻，整體換熱效果在本次模擬中表現(xiàn)更優(yōu)。