小型數(shù)據(jù)中心的冷氣出口設(shè)計(jì)

楊迪之 雷潔 趙小麗 潘嘉隆 蔡劍華

摘? 要：冷卻系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心機(jī)箱正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。而本文是通過設(shè)計(jì)合理的出風(fēng)口位置，機(jī)柜的擺放以及出風(fēng)方式，能有效的提高冷風(fēng)利用效率，從而達(dá)到節(jié)約資源的目的。而本文首先對(duì)進(jìn)風(fēng)方式選擇進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，之后我們是通過設(shè)計(jì)冷熱通道解決了冷風(fēng)與熱風(fēng)接觸的問題。而后我們通過熱傳導(dǎo)方程，熱傳導(dǎo)率以及有限差分法并運(yùn)用MATLAB得到溫度以及熱量與位置的關(guān)系。我們也可以通過天花板各點(diǎn)處的熱量以及單位時(shí)間內(nèi)空調(diào)進(jìn)氣口氣體進(jìn)來(lái)的體積建立起以天花板每個(gè)位置進(jìn)氣口需要進(jìn)入的體積為目標(biāo)的非線性規(guī)劃模型。同時(shí)為了提高冷風(fēng)利用效率，我們定義了與熱空氣容器的安全距離。最后我們用了模擬退火算法，即通過隨機(jī)搜索一個(gè)初值和移動(dòng)位置去尋求最優(yōu)解。

關(guān)鍵詞：冷熱通道? 熱傳導(dǎo)? 非線性規(guī)劃? 模擬退火算法

中圖分類號(hào)：TU831? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）10（b）-0046-03

Abstract： The cooling system is the basis for the normal operation of the data center chassis. In this paper， through the design of reasonable air outlet location， cabinet placement and air outlet method， the efficiency of cold wind utilization can be effectively improved， so as to achieve the purpose of saving resources. This article firstly analyzes and selects the air intake method， and then we solve the problem of contact between cold air and hot air by designing cold and hot channels. Then we use the heat conduction equation， heat conductivity and finite difference method and use MATLAB to obtain the relationship between temperature and heat and position. Then we can also establish a non-linear programming model aiming at the volume that the air inlet of each position of the ceiling needs to enter through the heat at each point of the ceiling and the volume of the air intake air in the air per unit time. At the same time， in order to improve the efficiency of cold wind utilization， we have defined a safe distance from the hot air container. Finally， we used a simulated annealing algorithm， which seeks the optimal solution by randomly searching for an initial value and moving position.

Key Words： Hot and cold channels; Heat conduction; Nonlinear programming; Simulated annealing algorithm

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，人們已然步入了數(shù)據(jù)爆炸的時(shí)代。而在這個(gè)前所未有的時(shí)代中，數(shù)據(jù)中心的機(jī)房平穩(wěn)運(yùn)行就顯得尤為重要。而數(shù)據(jù)中心機(jī)房平穩(wěn)運(yùn)行的所面臨的最大挑戰(zhàn)是機(jī)房散熱問題，也即保持機(jī)房溫度恒定的問題。如果機(jī)房處于一個(gè)不適宜的溫度，如高溫，低溫，溫度快速波動(dòng)，都可能破壞數(shù)據(jù)或者導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)閉。也可能改變電子的芯片和其它板塊元件的電子和物理屬性，從而造成運(yùn)行出錯(cuò)或者故障，故數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要。

1? 送風(fēng)方式的選擇

送風(fēng)方式分為上送風(fēng)與下送風(fēng)兩種。上送風(fēng)是指在機(jī)房頂部安裝冷氣出口，而冷風(fēng)是通過其出口對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)制冷。而對(duì)于整個(gè)機(jī)房而言，熱源，即機(jī)柜立于地板之上，即離冷源，即冷風(fēng)出口較遠(yuǎn)，避免了冷熱風(fēng)混合，使冷風(fēng)利用效率達(dá)到較高程度[1-2]。

下送風(fēng)是指在地板上安裝冷氣出口，而冷風(fēng)是通過其出口對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)制冷。相對(duì)于整個(gè)機(jī)房而言，熱源在靠近冷風(fēng)出口的地方，即離冷源較近，所以大量的冷熱風(fēng)混合，從而降低了冷風(fēng)的利用效率。而相對(duì)于一個(gè)較小數(shù)據(jù)中心而言，選擇上送風(fēng)方式較為合適[1-2]。圖1是上進(jìn)風(fēng)方式示意圖;圖2是下進(jìn)風(fēng)方式示意圖。

2? 冷熱通道的形成

機(jī)柜在設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮排熱的問題，故一般的機(jī)柜都被設(shè)計(jì)成正面可以打開，且后方有類似于百葉窗的小格，計(jì)算機(jī)硬盤存放在機(jī)柜中，當(dāng)CPU工作時(shí)，產(chǎn)生的熱量從機(jī)柜的后方（反面）排出，所以，相反方向?yàn)檎媲覚C(jī)柜的正面朝向方向需要被考慮。因此機(jī)柜的朝向方向可以設(shè)計(jì)為反面對(duì)反面，以及正面對(duì)反面兩種模式。

對(duì)于一個(gè)機(jī)柜的正面與另一個(gè)機(jī)柜的反面相對(duì)的模式，與第一種模式相比，它能夠使機(jī)體四周的氣流分布更加均勻，同樣的讓溫度分布也更加均勻，在我們的模型中暫時(shí)不考慮這樣的設(shè)計(jì)，理由如下，第一，機(jī)柜向四周散熱均勻，不利于排風(fēng)口位置的確定，影響排風(fēng)口排出熱風(fēng)的效率;第二，氣溫相對(duì)均勻，氣流相對(duì)而言穩(wěn)定，增大了冷氣和熱氣的接觸面積，加強(qiáng)了冷風(fēng)與熱風(fēng)混合，在一定程度上，降低冷風(fēng)的有效使用效率?；谝陨峡紤]，我們選擇圖3這種模式作為機(jī)柜的擺放順序[5-7]。

而對(duì)于機(jī)柜正面對(duì)正面，反面對(duì)反面的模式。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是，在兩個(gè)機(jī)柜之間，相當(dāng)于形成了一個(gè)熱通道。我們可以針對(duì)這個(gè)熱通道先設(shè)計(jì)熱風(fēng)的排氣口，這樣機(jī)體排放的熱量能夠最大程度的被排熱出口排出，避免了冷風(fēng)與熱風(fēng)直接接觸，從而最大程度的增加了冷風(fēng)的使用效率，在這種情況下我們來(lái)設(shè)計(jì)冷風(fēng)出口的擺放位置更具有針對(duì)性[3-4]。

而這個(gè)散熱過程是，CPU工作產(chǎn)生了熱量，一部分產(chǎn)生的熱量通過其散熱片、風(fēng)扇等排出機(jī)柜，但還有一部分通過熱量在機(jī)柜中熱傳遞傳到正面，而遇到形成冷通道的較低溫度的氣體，通過熱擴(kuò)散，使其降溫，從而也避免了冷熱直接相遇，提高了冷風(fēng)的利用效率。圖3是冷熱通道示意圖。

3? 模型的建立與求解

對(duì)于保持?jǐn)?shù)據(jù)中心溫度盡可能不變的情況下而使冷氣的使用效率盡可能高的情況下，去研究冷氣出口位置的最佳問題，即在提高相同的溫度情況下，輸入房間冷氣體積最小的最佳冷氣出口位置的問題，我們首先以天花板一角為原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系，如圖4所示。

假設(shè)房間內(nèi)冷空氣出氣口和熱空氣排除口尚未打開，機(jī)柜內(nèi)機(jī)片在最大負(fù)荷運(yùn)行的情況下，在單位時(shí)間內(nèi)所釋放的熱量，很容易能夠被計(jì)算出來(lái)。

利用空氣的熱傳導(dǎo)率和熱傳導(dǎo)方程可以計(jì)算出房間內(nèi)空間中任意一點(diǎn)的溫度，熱傳導(dǎo)方程是一個(gè)偏微分方程，它能夠描述在一定時(shí)間空間內(nèi)，空間中一點(diǎn)受熱源影響下，溫度隨時(shí)間空間的變化規(guī)律。即房間內(nèi)任意一點(diǎn)的溫度與其空間坐標(biāo)有一定的關(guān)系式。

借助溫度這一跳板，計(jì)算出房間內(nèi)任意一點(diǎn)的熱量與其空間坐標(biāo)的關(guān)系，在每一個(gè)冷源單獨(dú)作用時(shí)，消耗的冷空氣體積最小，而在冷源溫度，風(fēng)速以及出風(fēng)口的橫截面積確定的情況下，可以轉(zhuǎn)化為求在溫度降到標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房溫度范圍內(nèi)而輸入冷空氣的時(shí)間最小。

模型建立如下：

首先我們?cè)诔跏紲囟却_定的前提下通過熱傳導(dǎo)方程、熱傳導(dǎo)率以及空間直角坐標(biāo)系建立了數(shù)據(jù)中心任意一點(diǎn)熱量（）以及相應(yīng)溫度（）與其坐標(biāo)位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即：

c冷為冷源的比熱容，冷為冷源密度，V速為冷源噴進(jìn)房間的風(fēng)速，S1為進(jìn)氣口橫截面積。

而在固定天花板長(zhǎng)度N1與天花板固定寬度N2的范圍，x與y區(qū)間如下：

每一個(gè)數(shù)據(jù)中心都會(huì)有出風(fēng)口，為了防止冷熱風(fēng)過多的接觸從而提高冷風(fēng)的利用效率，設(shè)置了安全距離，而對(duì)于安全距離的約束：

4? 結(jié)語(yǔ)

本文通過小型數(shù)據(jù)中心進(jìn)風(fēng)方式的分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)于其小型數(shù)據(jù)中心而言，上進(jìn)風(fēng)方式更為合理。而通過對(duì)機(jī)柜擺放方式的分析，發(fā)現(xiàn)正面對(duì)正面（或反面對(duì)反面）冷氣利用效率更高，即冷熱通道形成。然后對(duì)小型數(shù)據(jù)中心進(jìn)風(fēng)口以及出風(fēng)口位置進(jìn)行分析，推理，從而建立了空間直角坐標(biāo)系，以及非線性規(guī)劃模型。通過有限差分法以及模擬退火算法可以搜索到天花板上的數(shù)個(gè)坐標(biāo)，從而在冷風(fēng)利用效率最高的情況下，使小型數(shù)據(jù)中心機(jī)房維持相對(duì)恒定溫度。

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