數(shù)據(jù)中心的冷氣出口設(shè)計(jì)

李清 李長明 范仟仟

摘 要：數(shù)據(jù)中心的空調(diào)設(shè)計(jì)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的意義，本文結(jié)合實(shí)際氣流組織的分析，建立出數(shù)據(jù)中心空調(diào)氣流組織評(píng)價(jià)體系，進(jìn)一步利用模擬退火算法對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房柜體布局及空調(diào)通風(fēng)口位置的最優(yōu)方案進(jìn)行討論求解。

關(guān)鍵詞：氣流組織;模擬退火算法;自然對(duì)流

1.引言

伴隨著大數(shù)據(jù)，云計(jì)算時(shí)代的到來，尤其是智慧城市建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，各類數(shù)據(jù)的需求量猛增，帶動(dòng)數(shù)據(jù)中心數(shù)目的快速增長。其大量的能源消耗和隨之而來的的環(huán)境問題，日益引起人們的關(guān)注，因此數(shù)據(jù)中心的節(jié)能方法研究成為當(dāng)前數(shù)據(jù)中心建設(shè)和運(yùn)營的重點(diǎn)關(guān)注之一。影響數(shù)據(jù)中心能耗問題的因素有很多，而服務(wù)器和空調(diào)能耗在總能耗中占比超過70%，因此對(duì)送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化對(duì)節(jié)能具有重要意義。不僅如此，雖然各國都很重視數(shù)字化、大數(shù)據(jù)的發(fā)展，但大部分國家的科技技術(shù)與發(fā)達(dá)國家有差距，數(shù)據(jù)中心能耗過大問題會(huì)給國家和企業(yè)帶來較大負(fù)擔(dān)，對(duì)數(shù)據(jù)中心節(jié)能化的研究也可以為這些國家科技的發(fā)展盡微薄之力。

在大量關(guān)于機(jī)房節(jié)能的研究討論中，有不同方式可用以提高數(shù)據(jù)中心空調(diào)效率。包括對(duì)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)方式改造，例如使用精確送風(fēng)空調(diào)方式，在原有風(fēng)口上接二級(jí)風(fēng)管直接對(duì)機(jī)柜內(nèi)送風(fēng)以減少能耗;或是選定適合變壓器，加強(qiáng)房間密閉性;或是改變送風(fēng)方式，例如改為下送風(fēng)等達(dá)到節(jié)能的目的。基于數(shù)據(jù)中心空調(diào)布局優(yōu)化問題的研究現(xiàn)狀，我們對(duì)不同布局系統(tǒng)效率的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了進(jìn)一步討論，結(jié)合天花板與柜體的高度差與熱量消耗間的關(guān)系確定天花板高度，通過建立相關(guān)模型得出最優(yōu)柜體布局，結(jié)合柜體布局確定出風(fēng)口位置。最終避免不必要的冷熱交換，提高空調(diào)系統(tǒng)效率，減少機(jī)房運(yùn)行費(fèi)用。

2.正文

2.1數(shù)據(jù)中心空調(diào)效率影響因素的討論

列間送風(fēng)是伴隨高密度數(shù)據(jù)機(jī)房出現(xiàn)的一種送風(fēng)模式，通常與封閉‘冷熱通道的布置結(jié)合在一起使用，將列間空調(diào)放置在機(jī)柜之間。列間空調(diào)是通過多個(gè)出風(fēng)口將冷空氣水平送出，由于與機(jī)柜緊密安裝在一起，水平送出的風(fēng)與機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器后部安裝的風(fēng)扇形成一個(gè)有效的氣流循環(huán)，空調(diào)制冷量得到充分利用，與傳統(tǒng)空調(diào)相比，節(jié)能更為明顯。

明確最優(yōu)的柜體布局后，以其為基礎(chǔ)對(duì)出風(fēng)口進(jìn)行指標(biāo)設(shè)定。分析已有的研究結(jié)論，選取列間送風(fēng)的作為簡化模型的氣流組織運(yùn)行方式。列間送風(fēng)可通過多個(gè)出風(fēng)口將冷空氣水平送出，由于機(jī)柜緊密安裝在一起，水平送出的風(fēng)與機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器后部安裝的風(fēng)扇形成一個(gè)有效的氣流循環(huán)，空調(diào)制冷量得到充分利用。[2] 以回風(fēng)溫度指數(shù)RT1為評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)立不同布局下空調(diào)冷風(fēng)利用率評(píng)價(jià)體系。回風(fēng)溫度指數(shù)RT1是氣流組織評(píng)價(jià)系統(tǒng)中反映冷熱氣流混合程度的量度。接下來，利用模擬退火算法對(duì)指標(biāo)最優(yōu)化。評(píng)價(jià)指標(biāo)回風(fēng)溫度指數(shù)的值作為算法的優(yōu)化目標(biāo)，以不同出風(fēng)口位置所對(duì)應(yīng)的回風(fēng)溫度指數(shù)的最劣值作為起點(diǎn)，根據(jù)已知數(shù)據(jù)，粗略找到出風(fēng)口位置的最優(yōu)位置區(qū)域，進(jìn)而提高位置區(qū)域搜索精度，準(zhǔn)確找到目標(biāo)值的全局最優(yōu)點(diǎn)，最后根據(jù)目標(biāo)值最優(yōu)點(diǎn)確定數(shù)據(jù)中心空調(diào)出風(fēng)口位置。

2.2組織評(píng)價(jià)體系的建立

建立氣流組織評(píng)價(jià)體系，回風(fēng)溫度指數(shù)RT1是氣流組織評(píng)價(jià)系統(tǒng)中反映冷熱氣流混合程度的度量，并作為評(píng)價(jià)機(jī)房機(jī)柜附近的氣流組織的指標(biāo)。理想情況下，RTI=1時(shí)，表明數(shù)據(jù)中心內(nèi)冷、熱氣流未發(fā)生嚴(yán)重?fù)交飕F(xiàn)象，冷熱交換較少，空調(diào)冷風(fēng)利用率較高;RTI>l時(shí)，表明機(jī)柜以熱空氣回流現(xiàn)象（再循環(huán)）為主，反之，以冷空氣短路為主;RTI偏離1越遠(yuǎn)，說明氣流組織越差，冷熱交換較多，空調(diào)冷風(fēng)利用率較低。其計(jì)算方法為

依據(jù)回風(fēng)溫度指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法對(duì)不同出風(fēng)口位置所確立的數(shù)據(jù)中心空調(diào)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。出風(fēng)口位置的設(shè)計(jì)會(huì)影響氣流組織的分布，進(jìn)而影響冷熱交換造成的能量損失量的大小以及空調(diào)冷風(fēng)利用率的高低。

分析簡化得到的三種模型：“四排四管”“三排四管”“四排三管”。以下分別為三種模型的仿真圖。

首先對(duì)“四排四管”空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)行分析。冷空氣順支管在四排機(jī)柜走廊間向下流動(dòng)，沿水平空氣傳導(dǎo)至機(jī)柜處冷熱交匯進(jìn)而交換熱量，熱空氣在底部聚集后由于熱脹冷縮與走廊上方一部分冷空氣進(jìn)行豎直方向上空氣對(duì)流的熱量傳遞，之后剩余的熱空氣從房間一側(cè)的熱空氣容器排出。將冷熱空氣有效的隔離，讓冷空氣順利的送入通信設(shè)備內(nèi)部，進(jìn)行熱交換，將交換產(chǎn)生的熱空氣送回至空調(diào)機(jī)組，避免了不必要的冷熱交換。[1 ]

在“四排三管”空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置中，結(jié)合實(shí)際需要的冷風(fēng)位置，系統(tǒng)將三根管道進(jìn)行如圖3所示的位置，兩根管道及通風(fēng)口位于前方，另一根管道位于四排計(jì)算機(jī)柜機(jī)后方。同樣在計(jì)算機(jī)柜機(jī)之間形成穩(wěn)定氣流便于冷熱交換。

將RTI計(jì)算公式與模擬退火算法相結(jié)合，得出RTI的最優(yōu)解，以便得到空調(diào)出風(fēng)口的最優(yōu)位置。

假設(shè)一個(gè)迭代次數(shù)，觀察新解在達(dá)到迭代次數(shù)后，是否滿足終止的約束條件，此題將約束條件設(shè)置為回風(fēng)溫度指標(biāo)RTI的值。若滿足直接返回最優(yōu)解，否則緩慢降低 ，重置迭代次數(shù)，循環(huán)上述步驟，得到回風(fēng)溫度指標(biāo)的最優(yōu)解，結(jié)合前文對(duì)三種模型氣流組織的分析，最終得到出風(fēng)口位置設(shè)置的最優(yōu)方案為四排四列分布，即出風(fēng)口位置在計(jì)算機(jī)機(jī)柜間，兩個(gè)冷通道間隔一個(gè)熱通道為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]Wu Yaqi. Research on Energy Saving Method of Data Center Computer Room[D].Master Dissertation of Suzhou University of Science and Technology，2019.

[2]遲媛，朱國棟，吳飛，許永昭. 淺談數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化[J]. 中國設(shè)備工程，2019，（17）：71-72.

[3]洪曉涵. 數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能模式的研究[D].南京理工大學(xué)，2018.