數據中心的冷氣出口設計

李清 李長明 范仟仟

摘 要：數據中心的空調設計對計算機系統的穩定運行有著重要的意義，本文結合實際氣流組織的分析，建立出數據中心空調氣流組織評價體系，進一步利用模擬退火算法對數據中心機房柜體布局及空調通風口位置的最優方案進行討論求解。

關鍵詞：氣流組織;模擬退火算法;自然對流

1.引言

伴隨著大數據，云計算時代的到來，尤其是智慧城市建設的持續推進，各類數據的需求量猛增，帶動數據中心數目的快速增長。其大量的能源消耗和隨之而來的的環境問題，日益引起人們的關注，因此數據中心的節能方法研究成為當前數據中心建設和運營的重點關注之一。影響數據中心能耗問題的因素有很多，而服務器和空調能耗在總能耗中占比超過70%，因此對送風系統進行優化對節能具有重要意義。不僅如此，雖然各國都很重視數字化、大數據的發展，但大部分國家的科技技術與發達國家有差距，數據中心能耗過大問題會給國家和企業帶來較大負擔，對數據中心節能化的研究也可以為這些國家科技的發展盡微薄之力。

在大量關于機房節能的研究討論中，有不同方式可用以提高數據中心空調效率。包括對機房空調系統送風方式改造，例如使用精確送風空調方式，在原有風口上接二級風管直接對機柜內送風以減少能耗;或是選定適合變壓器，加強房間密閉性;或是改變送風方式，例如改為下送風等達到節能的目的。基于數據中心空調布局優化問題的研究現狀，我們對不同布局系統效率的評價方法進行了進一步討論，結合天花板與柜體的高度差與熱量消耗間的關系確定天花板高度，通過建立相關模型得出最優柜體布局，結合柜體布局確定出風口位置。最終避免不必要的冷熱交換，提高空調系統效率，減少機房運行費用。

2.正文

2.1數據中心空調效率影響因素的討論

列間送風是伴隨高密度數據機房出現的一種送風模式，通常與封閉‘冷熱通道的布置結合在一起使用，將列間空調放置在機柜之間。列間空調是通過多個出風口將冷空氣水平送出，由于與機柜緊密安裝在一起，水平送出的風與機柜內服務器后部安裝的風扇形成一個有效的氣流循環，空調制冷量得到充分利用，與傳統空調相比，節能更為明顯。

明確最優的柜體布局后，以其為基礎對出風口進行指標設定。分析已有的研究結論，選取列間送風的作為簡化模型的氣流組織運行方式。列間送風可通過多個出風口將冷空氣水平送出，由于機柜緊密安裝在一起，水平送出的風與機柜內服務器后部安裝的風扇形成一個有效的氣流循環，空調制冷量得到充分利用。[2] 以回風溫度指數RT1為評價指標，設立不同布局下空調冷風利用率評價體系?；仫L溫度指數RT1是氣流組織評價系統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指標最優化。評價指標回風溫度指數的值作為算法的優化目標，以不同出風口位置所對應的回風溫度指數的最劣值作為起點，根據已知數據，粗略找到出風口位置的最優位置區域，進而提高位置區域搜索精度，準確找到目標值的全局最優點，最后根據目標值最優點確定數據中心空調出風口位置。

2.2組織評價體系的建立

建立氣流組織評價體系，回風溫度指數RT1是氣流組織評價系統中反映冷熱氣流混合程度的度量，并作為評價機房機柜附近的氣流組織的指標。理想情況下，RTI=1時，表明數據中心內冷、熱氣流未發生嚴重摻混現象，冷熱交換較少，空調冷風利用率較高;RTI>l時，表明機柜以熱空氣回流現象（再循環）為主，反之，以冷空氣短路為主;RTI偏離1越遠，說明氣流組織越差，冷熱交換較多，空調冷風利用率較低。其計算方法為

依據回風溫度指標的評價方法對不同出風口位置所確立的數據中心空調模型進行評價。出風口位置的設計會影響氣流組織的分布，進而影響冷熱交換造成的能量損失量的大小以及空調冷風利用率的高低。

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“四排四管”空調系統設置進行分析。冷空氣順支管在四排機柜走廊間向下流動，沿水平空氣傳導至機柜處冷熱交匯進而交換熱量，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行豎直方向上空氣對流的熱量傳遞，之后剩余的熱空氣從房間一側的熱空氣容器排出。將冷熱空氣有效的隔離，讓冷空氣順利的送入通信設備內部，進行熱交換，將交換產生的熱空氣送回至空調機組，避免了不必要的冷熱交換。[1 ]

在“四排三管”空調系統設置中，結合實際需要的冷風位置，系統將三根管道進行如圖3所示的位置，兩根管道及通風口位于前方，另一根管道位于四排計算機柜機后方。同樣在計算機柜機之間形成穩定氣流便于冷熱交換。

將RTI計算公式與模擬退火算法相結合，得出RTI的最優解，以便得到空調出風口的最優位置。

假設一個迭代次數，觀察新解在達到迭代次數后，是否滿足終止的約束條件，此題將約束條件設置為回風溫度指標RTI的值。若滿足直接返回最優解，否則緩慢降低 ，重置迭代次數，循環上述步驟，得到回風溫度指標的最優解，結合前文對三種模型氣流組織的分析，最終得到出風口位置設置的最優方案為四排四列分布，即出風口位置在計算機機柜間，兩個冷通道間隔一個熱通道為最優設計方案。

參考文獻：

[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. 淺談數據機房空調系統節能優化[J]. 中國設備工程，2019，（17）：71-72.

[3]洪曉涵. 數據中心空調系統節能模式的研究[D].南京理工大學，2018.