通信機房能耗監測管理系統中熱仿真應用初探

吳 捷

（中國電信江蘇分公司網運部）

1 背 景

隨著信息技術的持續快速發展，當前國內的通信機房（特別是IDC）規模在不斷地發展，大規模、高密度的設備部署，大量的分布式系統的應用，所有這些使得通信機房已經從面向單一的建筑物體內的應用，發展到行業級、大區域的應用，致使通信機房的運行維護和管理復雜、能量消耗巨大。

目前很多通信機房的建設和升級存在著隨意性較大，難以用數據說明問題。就通信機房總設備能耗與IT設備能耗之比（PUE）而言，據統計，國外先進機房PUE值已達到1.3，而我們國家PUE平均值則在2.0以上。由此可見，我國通信機房在運行能效方面與國外存在很大差距，機房的能源有效利用率也是通信機房目前面臨的重大問題之一。

江蘇電信圍繞企業用電建立了專業化的嚴格管理目標，已經建設了一個由綜合的能耗數據采集監測、有效的節能考核指標體系、科學的能效評估指標體系、客觀的節能效果評估功能、精細化設備管理功能以及基于數據倉庫技術的多維分析等功能組成的能耗監測管理系統，對企業的所有能耗指標進行監控和管理。由于通信機房的能耗占了江蘇電信總能耗的40%以上，而其中空調用電又占了機房能耗的40%以上，因此對通信機房空調用電監控及空調的節能改造效果監控分析是能耗監測管理系統關注的重點。

2 總體思路

我們認為，應該以系統觀點審視存在的問題，站在行業的高度看待通信機房的能耗監測及能效評估，架構從底層的監控、到中層的管理、再到上層的決策等三層的綜合體系，科學地解決通信機房的設備安裝、能耗控制和空調節能改造等問題。

為了解決上述存在的問題，結合數據中心今后可能的發展規模和方向，為此開展通信機房熱仿真輔助分析系統的研究，其目的如下：

（1）合理、有效地使通信機房設備，減少設備的無效工作；

（2）有效提高系統投入產出比，合理降低系統能耗；

（3）精細把握機房設備發熱及空調的運行狀況，科學、準確地調整空調工作時間；

（4）以科學的方法，評估未來通信機房的建設和設備擴容；

（5）構建監控體系，以機房空間、機柜為對象，監測電流、電量、溫濕度等，以二維形式提供可視化的圖形描述能耗、溫濕度分布，自動分析、形成多樣化的統計報表，作為能耗、運行環境分析、控制決策的依據，并予以控制；

（6）以各數據中心、機房為單位，系統分析設備利用率、投入產出比、運行維護水平等多種因素，為評估數據中心運行狀況、更新設備、系統升級等提供依據；

（7）以設備、機柜為對象，仿真機柜中設備的配置，為設備和機柜合理選型提供決策依據；

（8）作為江蘇電信能耗監測管理系統能耗問題分析功能的擴展模塊。

3 仿真模型的建立

通過機房溫、濕度場建模，機房氣流組織建模，以可視化的形式對機房進行熱仿真，以描述在不同的設備分布結構下機房空調控制的效果。圖1所示的是一個虛擬機房的建模過程。

圖1 虛擬機房建模過程

由此可將上述問題分解為：機房仿真建模、溫度分布及送風氣流組織建模兩個部分。

3.1 機房仿真建模

（1）分三大步構建機房模型：第一步，建立直角坐標系，按（可變）尺寸構建空機房，包括地板及底下、天花板及頂上、地板上和天花板下的機房主空間。地板下和天花板上是可能的空調管道區域。第二步，以對象的方式，拖拽機柜對象，置于地板上。機柜對象的屬性應包括尺寸及擺放位置。第三步，以對象的方式，拖拽機器對象，置于機柜中。機器對象的屬性應包括尺寸、擺放的機柜、擺放位置和功能率等指標。

（2）對一個實際機房，可以從空機房開始，通過構建直角坐標系→地板、天花板→機柜→設備的過程，完成一個3D機房的仿真。

（3）以機柜為單元，柜內放置的設備只確定幾何尺寸，不做動態配置。各種技術參數（主要是電能、熱容量指標）固定。

（4）可從任意角度觀察機房。

（5）可拉近放遠機房。

3.2 溫度分布及送風氣流組織

根據數模組提供的模型，分三步實現仿真目標，即：第一步，以水平面和垂直面的形式，單面、水平（或垂直）組合仿真在一個機柜中的溫度場分布。第二步，按下進風和上進風的模式，用曲線（組）形式仿真單機柜的送風氣流、機房的送風氣流。第三步，將第一步和第二步的結果融合。

（1）單一機柜溫度分布

a.可從各側面觀察機柜溫度分布（見圖2）。

圖2 單一機柜溫度分布

b.可以指定密度的垂直面組觀察機柜溫度分布（見圖3）。

圖3 單一機柜溫度分布垂直面圖

c.可以指定密度的水平面組觀察機柜溫度分布（見圖4）。

（2）機房溫度分布（見圖5）。

（3）送風氣流組織分布（見圖6、圖7）

圖4 單一機柜溫度分布水平面圖

圖5 機柜組溫度分布任一指定垂直截面溫度分布

圖6 機房氣流（垂直截面）組織分布

圖7 送風氣流組織分布與機房溫度分布的組合

4 仿真可行性驗證

為了解熱仿真軟件對解決、分析房間溫度場問題的可行性，首先必須進行仿真驗證。以某通信機房安裝的精密空調機組作為被研究的對象，對機房空間橫向按3條等高線安裝了有150個溫度傳感器的多通道溫度實時數據監測及輔助分析系統，然后根據這些鉑電阻溫度傳感器記錄空調運行時間內，此機房內某些機架及機架上的設備的3個切面上溫度場變化情況。以制冷狀態為例，整個仿真過程經過機房有限元網格模型的建立、邊界條件的設定、控制參數的定義之后，進行數值模擬計算。由于模擬的整個降溫過程是一個非穩態過程，因此要驗證仿真結果與實驗結果是否一致需對某段時間的溫度—時間變化特性進行對比。

5 能耗監測管理系統和機房熱仿真功能的集成

在能耗監測管理系統中結合機房熱仿真進行機房能耗的精細化管理，再結合目前的CFD計算流體力學進行通信機房的熱評估，簡化“熱評估”前期的繁重實地測試工作。嘗試把“三維”空間模型，簡化為“二維”模型，優化軟件算法、提高工作效率，系統架構示意圖如圖8所示。

圖8 能耗監測管理系統通信機房熱仿真模塊管理、控制示意圖

6 結束語

在能耗監測管理平臺上，引入熱仿真方法，建設以“無人值守”為特征的通信機房能耗監控及分析模塊，實時采集機房能耗的相關數據模擬房間溫度場，同時分析由能耗監測管理平臺提交的基礎數據和運行數據，可以實現對通信機房的空調能效評估，提出對通信機房的運行、維護、空調節能改造的輔助決策方案。

［1］ 國家發改委能源所課題組.千家企業節能效果評估體系研究［Z］.2008.

［2］ ISO 7730 ，Moderate ther mal environ ments Deter mination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions f or ther mal co mfort［S］.Inter national Standar d.1994.

［3］ ASHRAE.ASHRAE standard 55－1992，55a－1995.Ther mal environ mental conditions for hu man occupancy，1995.

［4］ David Egan M.Concepts in ther mal co mfort.Prentice2 Hall Inc，1975.