通信機(jī)房能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)中熱仿真應(yīng)用初探

吳 捷

（中國(guó)電信江蘇分公司網(wǎng)運(yùn)部）

1 背 景

隨著信息技術(shù)的持續(xù)快速發(fā)展，當(dāng)前國(guó)內(nèi)的通信機(jī)房（特別是IDC）規(guī)模在不斷地發(fā)展，大規(guī)模、高密度的設(shè)備部署，大量的分布式系統(tǒng)的應(yīng)用，所有這些使得通信機(jī)房已經(jīng)從面向單一的建筑物體內(nèi)的應(yīng)用，發(fā)展到行業(yè)級(jí)、大區(qū)域的應(yīng)用，致使通信機(jī)房的運(yùn)行維護(hù)和管理復(fù)雜、能量消耗巨大。

目前很多通信機(jī)房的建設(shè)和升級(jí)存在著隨意性較大，難以用數(shù)據(jù)說(shuō)明問(wèn)題。就通信機(jī)房總設(shè)備能耗與IT設(shè)備能耗之比（PUE）而言，據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)外先進(jìn)機(jī)房PUE值已達(dá)到1.3，而我們國(guó)家PUE平均值則在2.0以上。由此可見(jiàn)，我國(guó)通信機(jī)房在運(yùn)行能效方面與國(guó)外存在很大差距，機(jī)房的能源有效利用率也是通信機(jī)房目前面臨的重大問(wèn)題之一。

江蘇電信圍繞企業(yè)用電建立了專業(yè)化的嚴(yán)格管理目標(biāo)，已經(jīng)建設(shè)了一個(gè)由綜合的能耗數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)、有效的節(jié)能考核指標(biāo)體系、科學(xué)的能效評(píng)估指標(biāo)體系、客觀的節(jié)能效果評(píng)估功能、精細(xì)化設(shè)備管理功能以及基于數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)的多維分析等功能組成的能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，對(duì)企業(yè)的所有能耗指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控和管理。由于通信機(jī)房的能耗占了江蘇電信總能耗的40%以上，而其中空調(diào)用電又占了機(jī)房能耗的40%以上，因此對(duì)通信機(jī)房空調(diào)用電監(jiān)控及空調(diào)的節(jié)能改造效果監(jiān)控分析是能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)關(guān)注的重點(diǎn)。

2 總體思路

我們認(rèn)為，應(yīng)該以系統(tǒng)觀點(diǎn)審視存在的問(wèn)題，站在行業(yè)的高度看待通信機(jī)房的能耗監(jiān)測(cè)及能效評(píng)估，架構(gòu)從底層的監(jiān)控、到中層的管理、再到上層的決策等三層的綜合體系，科學(xué)地解決通信機(jī)房的設(shè)備安裝、能耗控制和空調(diào)節(jié)能改造等問(wèn)題。

為了解決上述存在的問(wèn)題，結(jié)合數(shù)據(jù)中心今后可能的發(fā)展規(guī)模和方向，為此開(kāi)展通信機(jī)房熱仿真輔助分析系統(tǒng)的研究，其目的如下：

（1）合理、有效地使通信機(jī)房設(shè)備，減少設(shè)備的無(wú)效工作；

（2）有效提高系統(tǒng)投入產(chǎn)出比，合理降低系統(tǒng)能耗；

（3）精細(xì)把握機(jī)房設(shè)備發(fā)熱及空調(diào)的運(yùn)行狀況，科學(xué)、準(zhǔn)確地調(diào)整空調(diào)工作時(shí)間；

（4）以科學(xué)的方法，評(píng)估未來(lái)通信機(jī)房的建設(shè)和設(shè)備擴(kuò)容；

（5）構(gòu)建監(jiān)控體系，以機(jī)房空間、機(jī)柜為對(duì)象，監(jiān)測(cè)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(dòng)分析、形成多樣化的統(tǒng)計(jì)報(bào)表，作為能耗、運(yùn)行環(huán)境分析、控制決策的依據(jù)，并予以控制；

（6）以各數(shù)據(jù)中心、機(jī)房為單位，系統(tǒng)分析設(shè)備利用率、投入產(chǎn)出比、運(yùn)行維護(hù)水平等多種因素，為評(píng)估數(shù)據(jù)中心運(yùn)行狀況、更新設(shè)備、系統(tǒng)升級(jí)等提供依據(jù)；

（7）以設(shè)備、機(jī)柜為對(duì)象，仿真機(jī)柜中設(shè)備的配置，為設(shè)備和機(jī)柜合理選型提供決策依據(jù)；

（8）作為江蘇電信能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)能耗問(wèn)題分析功能的擴(kuò)展模塊。

3 仿真模型的建立

通過(guò)機(jī)房溫、濕度場(chǎng)建模，機(jī)房氣流組織建模，以可視化的形式對(duì)機(jī)房進(jìn)行熱仿真，以描述在不同的設(shè)備分布結(jié)構(gòu)下機(jī)房空調(diào)控制的效果。圖1所示的是一個(gè)虛擬機(jī)房的建模過(guò)程。

圖1 虛擬機(jī)房建模過(guò)程

由此可將上述問(wèn)題分解為：機(jī)房仿真建模、溫度分布及送風(fēng)氣流組織建模兩個(gè)部分。

3.1 機(jī)房仿真建模

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

（2）對(duì)一個(gè)實(shí)際機(jī)房，可以從空機(jī)房開(kāi)始，通過(guò)構(gòu)建直角坐標(biāo)系→地板、天花板→機(jī)柜→設(shè)備的過(guò)程，完成一個(gè)3D機(jī)房的仿真。

（3）以機(jī)柜為單元，柜內(nèi)放置的設(shè)備只確定幾何尺寸，不做動(dòng)態(tài)配置。各種技術(shù)參數(shù)（主要是電能、熱容量指標(biāo)）固定。

（4）可從任意角度觀察機(jī)房。

（5）可拉近放遠(yuǎn)機(jī)房。

3.2 溫度分布及送風(fēng)氣流組織

根據(jù)數(shù)模組提供的模型，分三步實(shí)現(xiàn)仿真目標(biāo)，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(gè)機(jī)柜中的溫度場(chǎng)分布。第二步，按下進(jìn)風(fēng)和上進(jìn)風(fēng)的模式，用曲線（組）形式仿真單機(jī)柜的送風(fēng)氣流、機(jī)房的送風(fēng)氣流。第三步，將第一步和第二步的結(jié)果融合。

（1）單一機(jī)柜溫度分布

a.可從各側(cè)面觀察機(jī)柜溫度分布（見(jiàn)圖2）。

圖2 單一機(jī)柜溫度分布

b.可以指定密度的垂直面組觀察機(jī)柜溫度分布（見(jiàn)圖3）。

圖3 單一機(jī)柜溫度分布垂直面圖

c.可以指定密度的水平面組觀察機(jī)柜溫度分布（見(jiàn)圖4）。

（2）機(jī)房溫度分布（見(jiàn)圖5）。

（3）送風(fēng)氣流組織分布（見(jiàn)圖6、圖7）

圖4 單一機(jī)柜溫度分布水平面圖

圖5 機(jī)柜組溫度分布任一指定垂直截面溫度分布

圖6 機(jī)房氣流（垂直截面）組織分布

圖7 送風(fēng)氣流組織分布與機(jī)房溫度分布的組合

4 仿真可行性驗(yàn)證

為了解熱仿真軟件對(duì)解決、分析房間溫度場(chǎng)問(wèn)題的可行性，首先必須進(jìn)行仿真驗(yàn)證。以某通信機(jī)房安裝的精密空調(diào)機(jī)組作為被研究的對(duì)象，對(duì)機(jī)房空間橫向按3條等高線安裝了有150個(gè)溫度傳感器的多通道溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及輔助分析系統(tǒng)，然后根據(jù)這些鉑電阻溫度傳感器記錄空調(diào)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，此機(jī)房?jī)?nèi)某些機(jī)架及機(jī)架上的設(shè)備的3個(gè)切面上溫度場(chǎng)變化情況。以制冷狀態(tài)為例，整個(gè)仿真過(guò)程經(jīng)過(guò)機(jī)房有限元網(wǎng)格模型的建立、邊界條件的設(shè)定、控制參數(shù)的定義之后，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。由于模擬的整個(gè)降溫過(guò)程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，因此要驗(yàn)證仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否一致需對(duì)某段時(shí)間的溫度—時(shí)間變化特性進(jìn)行對(duì)比。

5 能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)和機(jī)房熱仿真功能的集成

在能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)中結(jié)合機(jī)房熱仿真進(jìn)行機(jī)房能耗的精細(xì)化管理，再結(jié)合目前的CFD計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行通信機(jī)房的熱評(píng)估，簡(jiǎn)化“熱評(píng)估”前期的繁重實(shí)地測(cè)試工作。嘗試把“三維”空間模型，簡(jiǎn)化為“二維”模型，優(yōu)化軟件算法、提高工作效率，系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖8 能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)通信機(jī)房熱仿真模塊管理、控制示意圖

6 結(jié)束語(yǔ)

在能耗監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)上，引入熱仿真方法，建設(shè)以“無(wú)人值守”為特征的通信機(jī)房能耗監(jiān)控及分析模塊，實(shí)時(shí)采集機(jī)房能耗的相關(guān)數(shù)據(jù)模擬房間溫度場(chǎng)，同時(shí)分析由能耗監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)提交的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)通信機(jī)房的空調(diào)能效評(píng)估，提出對(duì)通信機(jī)房的運(yùn)行、維護(hù)、空調(diào)節(jié)能改造的輔助決策方案。

［1］ 國(guó)家發(fā)改委能源所課題組.千家企業(yè)節(jié)能效果評(píng)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.