大數(shù)據(jù)中心動(dòng)態(tài)熱特性研究

周穎張程賓*楊衛(wèi)波

1東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

2揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院

0 引言

隨著云計(jì)算，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，我國(guó)大數(shù)據(jù)中心的數(shù)量和服務(wù)量也快速增長(zhǎng)。在大數(shù)據(jù)中心的能耗中，空調(diào)系統(tǒng)能耗約占40%，其節(jié)能潛力巨大，是未來(lái)我國(guó)節(jié)能減排的重要方向[1]。對(duì)于我國(guó)長(zhǎng)江流域及廣大的北方地區(qū)，由于其冬季平均氣溫低于10℃，如果有效利用室外環(huán)境中的冷量，則可以大大降低大數(shù)據(jù)中心內(nèi)用來(lái)維持室內(nèi)溫度的空調(diào)耗能。對(duì)于引入室外冷風(fēng)節(jié)的能策略以及節(jié)能效果的分析，國(guó)內(nèi)外已有許多研究，徐偉對(duì)北京某數(shù)據(jù)中心進(jìn)行了水冷和自然冷卻雙冷源節(jié)能運(yùn)行設(shè)計(jì)[2]。張揚(yáng)等對(duì)某一夏熱冬冷地區(qū)的通風(fēng)空調(diào)設(shè)備進(jìn)行了分析與研究[3]。Iyengar介紹了間接空氣冷卻和干式蒸發(fā)冷卻兩種不同的節(jié)能措施，并以夏季某一天的小時(shí)溫度作為輸入預(yù)測(cè)了這兩種不同方式下的冷卻風(fēng)溫度[4]。Endo等對(duì)全年的室外空氣溫濕度變化提出了不同的新風(fēng)換熱運(yùn)行模式[5]。Sun等對(duì)商業(yè)辦公室兩個(gè)數(shù)據(jù)中心的能源使用情況進(jìn)行研究，探討了數(shù)據(jù)中心的節(jié)能問(wèn)題[6]。

目前的研究主要集中在針對(duì)室外空氣溫度的階段性變化來(lái)采取不同的通風(fēng)策略，很少考慮到新風(fēng)參數(shù)的實(shí)時(shí)變化對(duì)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的瞬態(tài)影響。在實(shí)際生活中，室外空氣溫度不僅隨季節(jié)階段性變化，而且隨晝夜的交替也會(huì)產(chǎn)生很大的變化波動(dòng)，為了避免在采用新風(fēng)換氣時(shí)室外環(huán)境的波動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器產(chǎn)生不穩(wěn)定性干擾，有必要獲得大數(shù)據(jù)中心室內(nèi)空氣溫度隨室外環(huán)境變化的全年動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)，以對(duì)新風(fēng)通風(fēng)量進(jìn)行管理和控制。為此，本文以南京地區(qū)全年溫度變化為邊界，采用集總參數(shù)法建立了南京地區(qū)大數(shù)據(jù)中心全年溫度動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的理論模型，研究了大數(shù)據(jù)中心的全年熱平衡特性與溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)行為，旨在為大數(shù)據(jù)中心通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和全程管理提供基礎(chǔ)熱工數(shù)據(jù)。

1 物理模型

大數(shù)據(jù)中心通風(fēng)系統(tǒng)及服務(wù)器布置如圖1所示，大數(shù)據(jù)中心占地面積約900m2，整體高度為5.0m，機(jī)房采用防靜電高架地板，機(jī)房?jī)?nèi)布置8臺(tái)主服務(wù)器（單臺(tái)散熱量10 kW），機(jī)房?jī)蓚?cè)分別開(kāi)設(shè)新風(fēng)進(jìn)口和暖風(fēng)出口，在兩個(gè)通風(fēng)口處安裝通風(fēng)風(fēng)扇以調(diào)節(jié)通風(fēng)量，并在通風(fēng)口處安裝空氣過(guò)濾網(wǎng)以防止灰塵、煙霧、蚊蟲(chóng)等雜質(zhì)的進(jìn)入。室外新風(fēng)由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入機(jī)房，室內(nèi)空氣由排風(fēng)口排到室外，在早春或冬季，室外新風(fēng)由新風(fēng)管道進(jìn)入地板，由地板的出風(fēng)口吹出，此時(shí)空調(diào)制冷系統(tǒng)不工作。在夏季，機(jī)房進(jìn)出口處的通風(fēng)風(fēng)扇關(guān)閉，空調(diào)機(jī)組由引風(fēng)管道從室內(nèi)引風(fēng)，再將冷卻后的冷風(fēng)由地板上的出風(fēng)口吹出以對(duì)服務(wù)器進(jìn)行冷卻。由于晝夜交替及季節(jié)變化，環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射熱量也不斷地變化，這對(duì)大數(shù)據(jù)中心的溫度管理提出了較大的挑戰(zhàn)。

圖1 大數(shù)據(jù)中心室內(nèi)布置示意圖

2 數(shù)學(xué)模型

大數(shù)據(jù)中心的溫度受到機(jī)房?jī)?nèi)部熱環(huán)境和外界環(huán)境熱環(huán)境的雙重影響，為了分析影響大數(shù)據(jù)中心動(dòng)態(tài)熱特性的主要因素，在大數(shù)據(jù)中心動(dòng)態(tài)溫度變化的建模中，做了以下假設(shè)：

1）忽略大數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)照明設(shè)備、人員作業(yè)等產(chǎn)生的小功率散熱量。

2）假設(shè)室內(nèi)空氣流動(dòng)均勻，地板冷風(fēng)流經(jīng)服務(wù)器后與室內(nèi)空氣混合均勻。

3）假設(shè)從地板出風(fēng)口吹出的冷風(fēng)溫度一致。

圖2 大數(shù)據(jù)中心熱網(wǎng)絡(luò)圖

在分析大數(shù)據(jù)中心物理模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)集總參數(shù)法的對(duì)大數(shù)據(jù)中心熱平衡系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并建立了大數(shù)據(jù)中心的熱動(dòng)態(tài)特性模型。利用集總參數(shù)法分析傳熱問(wèn)題時(shí)，可以忽略物體單元的內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻，并且熱為單元內(nèi)的溫度趨于一致，這一近似可以簡(jiǎn)化復(fù)雜的微分方程的求解，這使得它在復(fù)雜系統(tǒng)的傳熱特性研究中得到了很好的運(yùn)用[7-9]。在運(yùn)用總參數(shù)法建立了大數(shù)據(jù)中心的熱網(wǎng)絡(luò)模型時(shí)，先對(duì)大數(shù)據(jù)中心熱傳遞系統(tǒng)中主要組成部分劃分熱節(jié)點(diǎn)，熱節(jié)點(diǎn)的劃分及熱網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。在圖2（a）中，室外空氣和室內(nèi)空氣的溫度分別由Tout和Tin表示，八臺(tái)服務(wù)器的壁面溫度分別由Ts1～Ts8表示，認(rèn)為從各個(gè)地板出風(fēng)口吹出的冷風(fēng)溫度一致，都由Tcold表示。由于墻壁內(nèi)外表面溫差較大，一個(gè)熱節(jié)點(diǎn)無(wú)法準(zhǔn)確反映溫度沿墻壁的梯度變化，故墻壁由內(nèi)層，中層和外層三個(gè)熱節(jié)點(diǎn)表示，其溫度分別由Tw1，Tw2和Tw3表示。以上各熱節(jié)點(diǎn)之間的熱耦合關(guān)系如圖2（b）所示，任意兩相鄰熱節(jié)點(diǎn)之間可能存在熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流和熱輻射這三種中的一種或幾種傳熱方式，兩熱節(jié)點(diǎn)Ti、Tj之間的傳熱熱阻可由Ri,j表示。

大數(shù)據(jù)中心室內(nèi)空氣熱節(jié)點(diǎn)除了與相鄰熱節(jié)點(diǎn)發(fā)生換熱，還與室外冷風(fēng)和與地板冷風(fēng)的空氣混合后進(jìn)行通風(fēng)換熱，根據(jù)集總參數(shù)法，大數(shù)據(jù)中心室內(nèi)空氣溫度的熱控制方程可以表示為：

式中：m 為室內(nèi)空氣質(zhì)量，kg；c 為比熱容，J/(kg·K)；ρ為密度，kg/m3；Gvent為大數(shù)據(jù)中心的新風(fēng)通風(fēng)量，m3/h；Gcold為空調(diào)機(jī)組引風(fēng)量，m3/h；Tcold為地板冷風(fēng)溫度，℃；Qin為大數(shù)據(jù)中心內(nèi)總的產(chǎn)熱量，kW。

機(jī)房?jī)?nèi)層墻壁不僅與室內(nèi)空氣發(fā)生對(duì)流換熱，還與服務(wù)器壁面發(fā)生輻射換熱。為了方便計(jì)算輻射換熱量，下面以溫度分別為Ta、Tb的兩物體表面為例，給出了兩熱節(jié)點(diǎn)間輻射換熱量的計(jì)算表達(dá)式：

式中：σ 為黑體輻射常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)；ε 為發(fā)射率；A為輻射表面積，m2；Xa,b為表面a向表面b的輻射角系數(shù)；E為黑體的輻射力，W/m2；Ra,b表示兩輻射表面間的輻射換熱熱阻，m-2。

因此，機(jī)房?jī)?nèi)層墻壁熱節(jié)點(diǎn)的微分控制方程可以表示為：

內(nèi)層墻壁熱節(jié)點(diǎn)只與相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)生導(dǎo)熱傳熱，外層墻壁熱節(jié)點(diǎn)則與外界環(huán)境發(fā)生對(duì)流換熱和輻射換熱，且在白天還接受來(lái)自于太陽(yáng)的輻射熱量，它們的熱動(dòng)態(tài)控制方程為：

式中：Qsun為大數(shù)據(jù)中心接受到的太陽(yáng)輻射量，W，太陽(yáng)輻射大致按余弦規(guī)律隨晝夜變化[10]。

隨著太陽(yáng)照射角的變化，大數(shù)據(jù)中心接受輻射的面積Aw也在變化，假設(shè)Aw與時(shí)間τ的關(guān)系為：

式中：αw為大數(shù)據(jù)中心外表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率；qsun為單位面積太陽(yáng)輻射量，W/m2；Aw為大數(shù)據(jù)中心接受太陽(yáng)輻射的面積，m2，其大小隨著每日的太陽(yáng)角度變化；trise、tset分別為當(dāng)?shù)厝粘鰰r(shí)刻與日落時(shí)刻，隨季節(jié)變化而提前或推遲。

服務(wù)器與地板冷空氣和室內(nèi)空氣發(fā)生對(duì)流換熱，且服務(wù)器與墻壁、服務(wù)器與服務(wù)器之間也存在輻射換熱，第一臺(tái)服務(wù)器壁面熱節(jié)點(diǎn)微分控制方程為：

式中：Qs1為第一臺(tái)服務(wù)器的產(chǎn)熱量，在熱動(dòng)態(tài)模型中取10 kW。

其余七臺(tái)服務(wù)器的壁面熱節(jié)點(diǎn)熱控制方程描述方法同上，在此不再贅述。

根據(jù)熱節(jié)點(diǎn)的微分控制方程及相應(yīng)的邊界條件，可建立大數(shù)據(jù)中心的熱動(dòng)態(tài)特性模型，通過(guò)非線性求解器迭代求解，最終可獲得系統(tǒng)中個(gè)熱節(jié)點(diǎn)的溫度隨外界環(huán)境變化的熱動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

利用大數(shù)據(jù)中心熱動(dòng)態(tài)特性模型，根據(jù)南京的全年小時(shí)太陽(yáng)輻射變化（圖3）及全年小時(shí)室外空氣溫度變化（圖4），可以模擬出大數(shù)據(jù)中心各節(jié)點(diǎn)的溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。若大數(shù)據(jù)中心新風(fēng)通風(fēng)量Gvent=50000 m3/h，且空調(diào)系統(tǒng)引風(fēng)量Gcold=0m3/h，則服務(wù)器表面和室內(nèi)空氣的全年溫度動(dòng)態(tài)變化如圖4所示。

如圖4所示，大數(shù)據(jù)中心室內(nèi)空氣溫度和服務(wù)器表面溫度隨室外溫度發(fā)生季節(jié)性變化，由于墻壁隔熱作用以及熱動(dòng)態(tài)系統(tǒng)本身的熱慣性，室內(nèi)空氣溫度晝夜波動(dòng)不明顯。服務(wù)器表面溫度比室內(nèi)空氣溫度高3～5℃，且服務(wù)器溫度變化滯后室外空氣溫度變化約10 h。由于沒(méi)有額外的冷風(fēng)冷卻，服務(wù)器與室外空氣間的溫差會(huì)隨著時(shí)間的推移緩慢升高，由最1月初的5℃變?yōu)?2月的10℃。

圖3 全年小時(shí)太陽(yáng)輻射變化

圖4 室內(nèi)溫度全年動(dòng)態(tài)響應(yīng)

不同通風(fēng)量下室內(nèi)空氣溫度的變化趨勢(shì)如圖5所示。隨著通風(fēng)量增加，室內(nèi)空氣溫度降低但降低的幅度逐漸減小，同時(shí)其溫度變化的波動(dòng)性增強(qiáng)，其溫度變化與室外空氣溫度變化的滯后時(shí)間縮小，若新風(fēng)通風(fēng)量過(guò)小（Gvent=10000m3/h），則沒(méi)有充分利用外界環(huán)境的冷量，在下半年室內(nèi)空氣溫度會(huì)上升至50℃。若通風(fēng)量過(guò)大（Gvent=250000m3/h），則對(duì)于冷量的利用效率不高，此時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)耗能較大。因此，選擇合適的通風(fēng)量對(duì)于保持室內(nèi)空氣溫度在正常范圍內(nèi)尤為重要。

圖5 不同通風(fēng)量下室內(nèi)空氣溫度全年動(dòng)態(tài)變化

為了保證室內(nèi)各儀器正常工作，室內(nèi)空氣溫度必須嚴(yán)格控制在合適的區(qū)間內(nèi)，按國(guó)標(biāo)GB2887-89計(jì)算機(jī)站場(chǎng)地技術(shù)條件規(guī)定，室內(nèi)環(huán)境溫度A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為22±2℃。在夏季，由于室外氣溫過(guò)高，需要避免引入新風(fēng)，因此新風(fēng)通風(fēng)量為0m3/h，此時(shí)空調(diào)機(jī)組開(kāi)始工作，并從室內(nèi)引入空氣，將室內(nèi)空氣溫度降低到18℃后再對(duì)服務(wù)器進(jìn)行冷卻，大數(shù)據(jù)中心全年新風(fēng)通風(fēng)量及空調(diào)引風(fēng)量的變化策略及調(diào)節(jié)后的室內(nèi)空氣溫度全年動(dòng)態(tài)變化曲線如圖6所示。

圖6 采用通風(fēng)策略下的室內(nèi)溫度變化

由圖6可知，在室外空氣溫度低于空調(diào)機(jī)組出風(fēng)溫度時(shí)（18℃），可通過(guò)調(diào)節(jié)新風(fēng)通風(fēng)量的大小來(lái)維持室內(nèi)溫度正常，在室外空氣溫度高于空調(diào)機(jī)組出風(fēng)溫度時(shí)則通過(guò)空調(diào)制冷降溫，可將大數(shù)據(jù)中心室內(nèi)空氣溫度有效控制在20～24℃之間，在1～3月份，11月份和12月份大量利用室外空氣冷量，達(dá)到節(jié)能減排，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

4 結(jié)論

以引入新風(fēng)調(diào)節(jié)的大數(shù)據(jù)中心為研究對(duì)象，以南京全年溫度小時(shí)變化和太陽(yáng)輻射變化為邊界條件，在集總參數(shù)法的思想上，建立了大數(shù)據(jù)中心的熱動(dòng)態(tài)特性模型，通過(guò)該模型對(duì)大數(shù)據(jù)中心全年溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了分析，研究了不同通風(fēng)量及通風(fēng)策略對(duì)大數(shù)據(jù)中心室內(nèi)空氣溫度的影響，得出了以下結(jié)論。

1）大數(shù)據(jù)中心室內(nèi)溫度隨室外空氣溫度發(fā)生季節(jié)性變化，室內(nèi)空氣溫度存在晝夜波動(dòng)但波動(dòng)不明顯，服務(wù)器表面溫度比室內(nèi)空氣溫度高3～5℃，且服務(wù)器溫度變化滯后室外空氣溫度變化約10 h。

2）隨著新風(fēng)通風(fēng)量增加，室內(nèi)空氣溫度降低但降低的幅度逐漸減小，同時(shí)其溫度變化的波動(dòng)性增強(qiáng)，其溫度變化與室外空氣溫度變化的滯后時(shí)間縮小。

3）在南京地區(qū)有大約5個(gè)月（1～3月份，11月份和12月份）室外空氣冷量充足，對(duì)于產(chǎn)熱量為80 kW的大數(shù)據(jù)中心，在此期間僅通過(guò)調(diào)節(jié)新風(fēng)通風(fēng)量就可使室內(nèi)溫度維持在22±2℃的范圍，新風(fēng)通風(fēng)量需要控制在5000～30000m3/h之間。在夏天需要關(guān)閉新風(fēng)通風(fēng)扇，若地板冷風(fēng)溫度為18℃，則空調(diào)引風(fēng)量需維持在50000m3/h。

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