摘要 Abstract
近年来，国家多部委联合发布政策，引导超大型数据中心集约化建设，减少土地资源的浪费。随着建筑集约化提升，园区规划设计迎来新的挑战，其中一项棘手的问题就是如何兼容园区内各设备的热排放。在实际项目中我们发现：大型数据中心园区内建筑间散热系统存在气流相互干扰的现象，尤其遇到特定的季风，干扰更加明显。如何在园区规划、选址和设计过程中，规避IDC建筑内、建筑间的气流组织影响，且看鹅厂“攻城狮”如何化风于无形。
腾讯第四代数据中心园区包含多栋建筑，每栋建筑配置多个T-block模块，而每个T-block模块又配置多台高效空气侧间接蒸发空调（Air Handling Units，以下简称“AHU”）和柴发。因实际负载有差异，AHU需要常年在室外侧排放30 - 45°C的热空气；遇到停电或测试需要柴发启动时，整个园区上百台柴发的运行也会使周围温度快速上升。特别是季风时节，风向会导致园区的热量快速聚集到某些建筑上空。在大型园区规划设计中，如何满足各系统高效散热，是困扰IDC架构师多年的问题。
图1_腾讯某第四代数据中心大园区
要想彻底研究清楚园区的排热问题，我们需要借助流体力学仿真（简称“CFD模拟”）的方法来一探究竟。图2展示的是腾讯园区CFD整体模型，在模型中我们考虑了园区内不同设备的排热温度、风量等参数，不仅要模拟它们之间的相互影响，同时也要模拟不同排热方式、不同季风下的散热情况。
图2_腾讯大园区CFD模型以及边界条件设置
通过初步仿真，我们发现如果设备布局不够合理，热风会进入AHU，威胁到系统的制冷能效（图3）。
图3_AHU排放流线图：不合理AHU布局下存在的一些热回流
我们尝试从四个方面来提出园区散热整体解决方案，具体涉及：AHU机组间距和排风高度、建筑间距、发电机安装位置、园区的朝向。
通过规划AHU机组间距和排风高度
规避机组间的热回流
由于建筑尺寸的限制，机组之间的距离不能无限扩大。在受限的空间里，我们通过提升AHU排风高度的形式，在加入少量机外余压的前提下，尽可能将热风引流至更高的排放高度（如图4所示）。模拟结果显示，越高的导风罩拥有越好的隔离效果，每增加1m，能降低机组进风温度约0.5°C。在机组的进风端，机组的间距过小会导致互相抢风的现象。为了保证机组的有效进风，我们推荐将机组间距拉大到2.5m以上，并将恒湿机、新风机等设备的室外机放置在远离AHU进风口的位置。
图4_ AHU加装排风导风罩示意图
通过规划建筑间距
规避建筑之间的热回流
由于占地面积约束，园区内建筑集中程度较高。当我们模拟多栋建筑同时排热时（如图5所示），会发现园区上方形成了“热岛”，即由于热空气密度降低所引起的气体上浮，并从周围环境往园区吸风的现象。“热岛”导致了建筑间存在热回流，影响到AHU的排热，同时还提升了机组的进风温度；使得AHU机组需要工作在比普通室外环境更加恶劣的工况下，持续运行将大幅降低系统能效和机组寿命。
园区“热岛”的严重程度至少受到建筑间距、排风温度、柴发启停等多个因素的影响。
图5_园区热岛效应流线图
通过模拟不同建筑的间距，我们发现热岛效应导致的热回流会因建筑间距变化而变化。图6的模拟结果显示，AHU机组温升与建筑间距存在一定的乘幂关系，从拟合数据预测，当建筑间距超过23m时，热岛效应导致的温升会降至0.6°C。因此，我们建议将建筑间距保持在23m以上；如果场地允许，可以将间距拉得更大。
图6_热岛效应对应不同建筑间距下的AHU温升表现
通过规划柴油发电机安装位置
规避柴发启动引起的剧烈热回流
由于柴发散热排风在80°C左右，混合着约高达130°C的燃气排烟，综合排热温度在90°C左右。巨大的排热量可以诱发更剧烈的热岛效应。模拟结果显示（图7），如果将柴发分散布置在厂房周围，与AHU间隔一定距离，可以有效降低热岛的剧烈程度，不仅可以减少AHU的排热难度，还能进一步保障柴发自身的散热，进而保证机房的安全运行。
图7_柴发分散布置时的排热流线对比
通过规划园区朝向
规避季风带来的影响
不同地域季风情况也不一样，我们模拟了大园区在广东清远地区受到季风影响的热回流情况，在当地最频繁出现的盛行风速约为1.2m/s，不同的风向导致的热回流程度不尽相同。
图8_季风条件下，不同园区朝向所受到的影响
如图8显示，我们对比了南风、西风与西南风时的园区温升情况，发现当季风出现在西南风向时，园区的整体温升会显著升高（设备平均进风温度升高约2°C）。从模拟结果的排风流线上观察到，上游的建筑排热会被更多的建筑物阻挡，AHU、柴发等设备的排热路径更长（排热路径是指在季风条件下，热风从设备出来，到流出园区需要经过多长的距离）。因此，合理规划园区朝向，可以避免过长的排热路径而减少热回流几率。
经过以上四个方面的规划设计，仿真结果（如图9）显示季风情况下设备运行时，热回流变得更少、建筑和设备间几乎没有气流干扰。园区整体热排放状况得到了大幅提升，整体环境更加和谐。
图9_园区投产后，季风情况下设备运行时气流情况
小结
腾讯数据中心在规划设计阶段通过园区级仿真技术来规避散热风险。通过加大AHU间距和排风高度、加大楼间距、分散AHU与柴发布局和避免季风影响等，来锁定园区的整体运行能效。随着园区集约化程度的不断提升，园区级热仿真技术可以发挥出更大的用武之地，静待风来。
截止目前，腾讯已在华东、华北、华南、西南等地建设了多个大型数据中心园区。我们根据园区的综合使用情况，因地制宜地规划设计，除了考虑设备额定工况外，我们立足于实际，模拟仿真数据与实际运营已经非常贴近。后续的系列文章将会为读者带来更多IDC大园区的设计运营经验分享，敬请期待！
