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随着云计算技术、通信业务和互联网数据业务的飞速发展，数据中心的数量和规模也在急剧增长，服务器的集成化和运行速度的提高，使得数据中心运行功率和散热负荷不断上升。据统计，数据中心功率密度从1987年的108-162w/m2增长到现在的450-1285w/m2，单机柜功率增加到20kW以上。数据中心将设备散热集中，且发热设备多，因此发热量较大，针对机房空调系统的冷却节能非常必要。此外，数据中心单机柜功率的提高也对空调系统冷却能力提出更高的要求。一般数据中心能耗组成中，空调系统能耗占了40％之多，并且在我国数据中心中存在着较多问题，包括气流组织冷却效率低、设置不合理，各精密空调性能匹配差等，因此在机房空调领域存在较大的节能空间。 针对数据机房的空调制冷系统的节能问题，国内外学者进行了大量的研究探索和工程实践，尤其是在数据中心机房气流组织的优化方面形成了众多的有益成果和宝贵经验。随着计算机性能的提高和软件技术的相对成熟，采用CFD进行数值模拟已成为数据中心气流组织研究的一种重要而有效的手段。目前数据中心气流组织模拟研究主要集中在冷热通道隔离式、封闭式气流形式，随着高热密度数据中心的增加，需要我们提出更好的气流组织优化措施保证散热设备的有效冷却。对于现有的数据中心机房，在尽量减少机房改造成本的情况下，对既有的气流组织形式做进一步优化分析;对于未来高热密度数据中心的建设，通过数值模拟对行级冷却和机柜级冷却气流组织形式做详细全面的研究，为今后机房建设和优化提供更多指导意见。 因此，本文以实际工程数据中心机房为研究对象展开数值模拟研究，针对数据中心不同气流组织形式优化做深入的分析和研究。开展了研究工作包括: (1)数据中心不同气流组织形式的冷却效果对比分析 基于工程实例建立了数据中心冷通道封闭式、行级冷却和机柜级冷却三种气流组织模式的物理模型，对各气流组织形式下服务器排风温度和机柜进气流量分布所呈现的差异性做了定性分析;详细介绍了目前数据中心所采用的能耗及制冷系统效率评价体系和热环境评价体系，并总结了数据中心热环境各评价指标的含义、适用性及局限性，并根据评级指标对三种气流组织形式的机房热环境模拟结果进行定量分析。通过定性和定量对比分析，对三种气流组织形式下机房内冷却效果形成一个详细准确的评价。 (2)针对不同控制策略的数据中心气流组织优化分析 基于工程实例建立数据中心冷热通道隔离式和封闭式气流组织模型，并以机柜底部通风与否、空调温度控制策略为变量，通过机柜进/排风温度、空调送/回风温度等物理量研究两个变量对机房内热环境的影响。 (3)数据中心机柜级冷却气流组织优化设计与分析 通过分析指出数据中心机柜级冷却系统所存在的缺陷，在数据中心机柜级冷却系统传统容灾方案基础上提出一种更优的数据中心行级备份式容灾方案。并建立传统容灾方案和优化容灾方案的物理模型，通过数值模拟计算对空调故障情形下各方案机柜内设备冷却效果进行对比分析。 对各项工作内容简要概括结论如下: 1、相对于数据中心机房地板下送风冷通道封闭和行级冷却气流组织形式，机柜级冷却模式下，消除了冷热通道封闭形式下地板格栅垂直送风导致的机柜进风气流和温度差异，同时各机柜级冷却系统采用微模块化设置，各微模块之间互不影响，消除了行级冷却中存在的空调送风的相互影响，因而设备进风温度和进气流量更均匀，散热效果更好。 2、数据中心机柜级冷却系统采用行级备份式的容灾方案，能够有效避免传统方案存在的弊端，通过利用可调百叶连接同一列各个微模块和备份空调当正常运行时保持机柜级冷却气流组织形式，当空调发生故障时可调百叶开启，从而各微模块送回风区域串联起来，形成行级制冷的气流组织形式，使各机柜内设备得到有效冷却，保证设备长效安全运行。 3、在冷通道隔离模式下，当机柜距离空调送风较近时，机柜底部适当面积通风能够较明显的改善其进气流量分配，且降低冷热气流掺混的可能;同时空调控制送风温度能够更好地冷却服务器等设备，各机房精密空调的制冷量差异较小，能效更高。对于冷通道封闭气流组织形式下，由于掺混度小，机柜底通风与否、空调控制送/回风策略的改变对机房热环境影响较小。