CN113221210A - 一种确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及空调制冷技术领域，且公开了一种确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计方法，包括以下步骤：S1：针对间接蒸发冷却空调的不同安装方式进行结构设计，结构设计主要包括空调进出风口、机柜、服务器、机柜背部风扇、风管和吊顶；S2：建立对应的不同安装方式的机房的几何模型；S3：建立对应的不同安装方式的机房的数值模型，并且给定边界条件；S4：进行数值计算。本发明提前根据不同的气流组织对安装方式进行结构设计，然后仿真得出计算结果，根据结果分析不同安装方式的冷却效果，确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计，减少了成本。
Description
技术领域
本发明涉及空调制冷技术领域，具体为一种确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计方法。
背景技术
随着信息技术的飞速发展，机房的功能越来越强大，地位也越来越重要，机房的建设与维护面临着巨大的挑战，一方面，通信设备体积小型化，功能多样化以及运行速度高速化已经成为其发展的主要趋势，单位面积发热量直线上升，使得机房建设领域迫切需要一个革新，不管是从供电系统、制冷系统、监控系统，还是整体机房设计理念都存在发展和建设的瓶颈；另一方面，机房原有的空调系统已不能满足要求，通信机房局部过热问题口益突现；同时承担散热负荷的空调连续不断地高负荷运行，导致了通信机房高额的电费支出。
通信机房环境的高要求与高额的维护费用之间的矛盾也越来越突出。伴随着我国通信事业突飞猛进的发展以及通信网络规模的不断扩大，人们对网络的通信质量要求越来越高；同时，在全国上下大力倡导节能减排的形势下，运营商在满足社会需求的同时也需要降低能耗，大型通信机房的热源分析及空调节能研究十分必要且势在必行。
用于大型机房的每个服务器的大小和消耗都是固定的，冷空气从出风口出发，经过服务器表面，与之进行热量交换后，将热量带走，这种热交换方式被称为对流换热，因此，为了最大化发挥空调的冷却效率，对其安装方式的结构设计显得尤为重要，合理的安装方式可以优化机房内部的气流组织，温度分布情况也会得到改善。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计方法，解决了现有的方法不能提前根据不同的气流组织对安装方式进行结构设计，确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计方法，包括以下步骤：
S1：针对间接蒸发冷却空调的不同安装方式进行结构设计，结构设计主要包括空调进出风口、机柜、服务器、机柜背部风扇、风管和吊顶；
S2：建立对应的不同安装方式的机房的几何模型；
S3：建立对应的不同安装方式的机房的数值模型，并且给定边界条件；
S4：进行数值计算，将计算结果与实验结果对比，验证其正确性；
S5：根据计算结果分析各个不同结构设计模型的温度场和速度场以此得到其冷却效果，对比确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计。
作为本发明再进一步的方案，所述S1中不同安装方式的模型需要考虑的因素有：冷通道封闭与否，热通道封闭与否，风量大小，送风温度，机柜内部布局的改造，进出口位置的改变，结构设计的结构根据不同形式进行调整，然后确定各自的气流组织。
进一步的，所述S2中建立的不同的几何模型包括如下必要结构：空调进风口、回风口、墙壁、冷通道、热通道、机柜、机柜背部风扇、服务器。
在前述方案的基础上，所述S3中建立数值模型时，计算包括两个方面：温度和速度分布的计算，这两者是同时进行的，湍流计算采用RNG k-ε模型，温度需要求解能量方程，采用对流热换模型，边界条件包括：送风口，回风口，墙体、机柜壁面，服务器表面，机柜背部风扇。
进一步的，所述S4中数值计算结果包括两个方面：温度和速度，在计算时只截取不同高度的温度分布情况与实际数据进行对比，验证方法正确与否。
在前述方案的基础上，所述S5中分析计算结果主要是温度的对比，截取同一高度上不同位置的温度进行对比，截取不同高度上的截面，取每一个截面上的最高温度。
本发明再进一步的方案，所述S4中计算时能量方程如下：
式中，μt为湍流黏性系数(Pa·s)，Sh为体积热源源项，Pr为湍流普朗特数，对流热换计算公式如下：
Qα＝αA(Tw-Tf)
qα＝α(Tw-Tf)
式中，Qα为单位间内的对流热换量(W)，qα为单位时间单位面积的对流热换量(W/m2)，Tw为固体壁面温度(℃)，Tf为流体温度(℃)，α为对流热换系数(W/(m2·℃))，A为对流热换面积(m2)。
进一步的，所述S3中建立数值模型需要满足以下要求：
(1)机房内空气流动为低速流动，流体不可压缩，忽略因流体粘性力做功引起的耗散热；
(2)机房内气密性良好，门窗漏风影响较小，可忽略；
(3)满足Boussinesq假设，认为流体密度的变化仅对质量力项产生影响，对其他项的影响忽略不计；
(4)为了简化问题，忽略墙体、内热源之间的辐射换热；
(5)空气的相对湿度对室内气流组织影响很小，可忽略。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计方法，具备以下有益效果：
1、本发明通过建立机房的几何模型，能够方便后面的模拟工作，简单明确，通过数值的计算能够得到一手的模拟资料，从而更加真实的得到仿真效果，方便进行比较。
2、本发明中，由于影响空调冷却效果的因素较多，本发明提前根据不同的气流组织对安装方式进行结构设计，然后仿真得出计算结果，根据结果分析不同安装方式的冷却效果，确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计，减少了成本。
3、本发明根据不同的需要调节不同的安装方式，能够充分的模拟，提高了适用性和多样性，在建立数值模型时充分考虑可忽略的因素，从而减少数据的复杂度，提高检测效率。
4、本发明分析计算结果主要是温度的对比，截取同一高度上不同位置的温度进行对比，用以体现横向温度的分布均匀程度，截取不同高度上的截面，取每一个截面上的最高温度，用以体现纵向温度分布均匀程度。
附图说明
图1为本发明提出的一种确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计方法的流程结构示意图；
图2为本发明提出的一种确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计方法的仿真数据与文献数据对比结果结构示意图；
图3为本发明提出的一种确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计方法的模型在Z＝1.7m处的温度场的云图；
图4为本发明提出的一种确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计方法的是模型在Z＝1.7m处的速度场的云图；
图5为本发明提出的一种确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计方法的空调侧面安装两种不同安装方式的结构设计典型截面的温度对比结构示意图；
图6为本发明提出的一种确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计方法的空调屋面安装两种不同安装方式的结构设计典型截面的温度对比结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-6，一种确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计方法，包括以下步骤：
S1：针对间接蒸发冷却空调的不同安装方式进行结构设计，结构设计主要包括空调进出风口、机柜、服务器、机柜背部风扇、风管和吊顶；
S2：建立对应的不同安装方式的机房的几何模型，通过建立机房的几何模型，能够方便后面的模拟工作，简单明确，由于实际机柜中的设备数量众多，所以为了方便模型的计算求解，减少模型中机柜的服务器数量，但保证总体的散热量不变，从距离机柜底部200mm处开始，每隔200mm布置一个；
S3：建立对应的不同安装方式的机房的数值模型，并且给定边界条件；
S4：进行数值计算，将计算结果与实验结果对比，验证其正确性，通过数值的计算能够得到一手的模拟资料，从而更加真实的得到仿真效果，方便进行比较；
S5：根据计算结果分析各个不同结构设计模型的温度场和速度场以此得到其冷却效果，对比确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计，影响空调冷却效果的因素较多，本发明提前根据不同的气流组织对安装方式进行结构设计，然后仿真得出计算结果，根据结果分析不同安装方式的冷却效果，确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计，减少了成本。
本发明的S1中不同安装方式的模型需要考虑的因素有：冷通道封闭与否，热通道封闭与否，风量大小，送风温度，机柜内部布局的改造，进出口位置的改变，结构设计的结构根据不同形式进行调整，然后确定各自的气流组织，根据不同的需要调节不同的安装方式，能够充分的模拟，提高了适用性和多样性，S2中建立的不同的几何模型包括如下必要结构：空调进风口、回风口、墙壁、冷通道、热通道、机柜、机柜背部风扇、服务器，S3中建立数值模型时，计算包括两个方面：温度和速度分布的计算，这两者是同时进行的，湍流计算采用RNGk-ε模型，温度需要求解能量方程，采用对流热换模型，边界条件包括：送风口，回风口，墙体、机柜壁面，服务器表面，机柜背部风扇。
需要特别说明的是，S4中数值计算结果包括两个方面：温度和速度，因为速度只是参考的次要因素，最重要的是机房整体温度的高低，在计算时只截取不同高度的温度分布情况与实际数据进行对比，验证方法正确与否，S5中分析计算结果主要是温度的对比，截取同一高度上不同位置的温度进行对比，用以体现横向温度的分布均匀程度，截取不同高度上的截面，取每一个截面上的最高温度，用以体现纵向温度分布均匀程度，所测量温度的位置分别是：机柜底部截面(0.2m)，机柜中部截面(0.8m、1.4m)，机柜顶部截面(2m)，机房截面(2.5m)，吊顶处截面(3m)，所测量的温度都是在每个截面上的最高温度，同时也体现了服务器在纵向上，温度之间的差距。
S4中计算时能量方程如下：
式中，μt为湍流黏性系数(Pa·s)，Sh为体积热源源项，Pr为湍流普朗特数，对流热换计算公式如下：
Qα＝αA(Tw-Tf)
qα＝α(Tw-Tf)
式中，Qα为单位间内的对流热换量(W)，qα为单位时间单位面积的对流热换量(W/m2)，Tw为固体壁面温度(℃)，Tf为流体温度(℃)，α为对流热换系数(W/(m2·℃))，A为对流热换面积(m2)。
S3中建立数值模型需要满足以下要求：
(1)机房内空气流动为低速流动，流体不可压缩，忽略因流体粘性力做功引起的耗散热；
(2)机房内气密性良好，门窗漏风影响较小，可忽略；
(3)满足Boussinesq假设，认为流体密度的变化仅对质量力项产生影响，对其他项的影响忽略不计；
(4)为了简化问题，忽略墙体、内热源之间的辐射换热；
(5)空气的相对湿度对室内气流组织影响很小，可忽略，在建立数值模型时充分考虑可忽略的因素，从而减少数据的复杂度，提高检测效率。
冷通道、热通道，可选择封闭冷通道，或者封闭热通道，在实际情况允许范围内，可以增加或减少冷热通道的宽度，所述风量的控制，不是风量越大越好，风量增大实际上就是风速的增大，因为空调冷风出口的大小是固定的，风速增加的同时会增加能耗，并且速度过大并不利于热源与冷空气进行充分的热量交换，所述机柜内部改造，可以对影响服务器散热的部分结构进行改造，比如可以对机柜前壁面的开孔率进行增加，服务器的摆放距离进行改变等，影响空调冷却效果的因素较多，所以提前根据不同的气流组织对安装方式进行结构设计，然后仿真得出计算结果，根据结果分析不同安装方式的冷却效果，确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计。
表一 为机房物理模型的具体尺寸，表二为具体的边界条件；
表一
表二
在该文中的描述中，需要说明的是，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：针对间接蒸发冷却空调的不同安装方式进行结构设计，结构设计主要包括空调进出风口、机柜、服务器、机柜背部风扇、风管和吊顶；
S2：建立对应的不同安装方式的机房的几何模型；
S3：建立对应的不同安装方式的机房的数值模型，并且给定边界条件；
S4：进行数值计算，将计算结果与实验结果对比，验证其正确性；
S5：根据计算结果分析各个不同结构设计模型的温度场和速度场以此得到其冷却效果，对比确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计。
2.根据权利要求1所述的一种确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计方法，其特征在于，所述S1中不同安装方式的模型需要考虑的因素有：冷通道封闭与否，热通道封闭与否，风量大小，送风温度，机柜内部布局的改造，进出口位置的改变，结构设计的结构根据不同形式进行调整，然后确定各自的气流组织。
3.根据权利要求2所述的一种确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计方法，其特征在于，所述S2中建立的不同的几何模型包括如下必要结构：空调进风口、回风口、墙壁、冷通道、热通道、机柜、机柜背部风扇、服务器。
4.根据权利要求3所述的一种确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计方法，其特征在于，所述S3中建立数值模型时，计算包括两个方面：温度和速度分布的计算，这两者是同时进行的，湍流计算采用RNG k-ε模型，温度需要求解能量方程，采用对流热换模型，边界条件包括：送风口，回风口，墙体、机柜壁面，服务器表面，机柜背部风扇。
5.根据权利要求4所述的一种确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计方法，其特征在于，所述S4中数值计算结果包括两个方面：温度和速度，在计算时只截取不同高度的温度分布情况与实际数据进行对比，验证方法正确与否。
6.根据权利要求5所述的一种确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计方法，其特征在于，所述S5中分析计算结果主要是温度的对比，截取同一高度上不同位置的温度进行对比，截取不同高度上的截面，取每一个截面上的最高温度。
7.根据权利要求5所述的一种确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计方法，其特征在于，所述S4中计算时能量方程如下：
式中，μt为湍流黏性系数(Pa·s)，Sh为体积热源源项，Pr为湍流普朗特数，对流热换计算公式如下：
Qα＝αA(Tw-Tf)
qα＝α(Tw-Tf)
式中，Qα为单位间内的对流热换量(W)，qα为单位时间单位面积的对流热换量(W/m2)，Tw为固体壁面温度(℃)，Tf为流体温度(℃)，α为对流热换系数(W/(m2·℃))，A为对流热换面积(m2)。
8.根据权利要求7所述的一种确定最优冷却效果的空调安装方式的结构设计方法，其特征在于，所述S3中建立数值模型需要满足以下要求：
(1)机房内空气流动为低速流动，流体不可压缩，忽略因流体粘性力做功引起的耗散热；
(2)机房内气密性良好，门窗漏风影响较小，可忽略；
(3)满足Boussinesq假设，认为流体密度的变化仅对质量力项产生影响，对其他项的影响忽略不计；
(4)为了简化问题，忽略墙体、内热源之间的辐射换热；
(5)空气的相对湿度对室内气流组织影响很小，可忽略。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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