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揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院

0 引言

隨著云計算，移動互聯(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，我國大數(shù)據(jù)中心的數(shù)量和服務(wù)量也快速增長。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，是未來我國節(jié)能減排的重要方向[1]。對于我國長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)用來維持室內(nèi)溫度的空調(diào)耗能。對于引入室外冷風(fēng)節(jié)的能策略以及節(jié)能效果的分析，國內(nèi)外已有許多研究，徐偉對北京某數(shù)據(jù)中心進行了水冷和自然冷卻雙冷源節(jié)能運行設(shè)計[2]。張揚等對某一夏熱冬冷地區(qū)的通風(fēng)空調(diào)設(shè)備進行了分析與研究[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溫度作為輸入預(yù)測了這兩種不同方式下的冷卻風(fēng)溫度[4]。Endo等對全年的室外空氣溫濕度變化提出了不同的新風(fēng)換熱運行模式[5]。Sun等對商業(yè)辦公室兩個數(shù)據(jù)中心的能源使用情況進行研究，探討了數(shù)據(jù)中心的節(jié)能問題[6]。

目前的研究主要集中在針對室外空氣溫度的階段性變化來采取不同的通風(fēng)策略，很少考慮到新風(fēng)參數(shù)的實時變化對整個空調(diào)系統(tǒng)的瞬態(tài)影響。在實際生活中，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產(chǎn)生很大的變化波動，為了避免在采用新風(fēng)換氣時室外環(huán)境的波動對數(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)境變化的全年動態(tài)特性數(shù)據(jù)，以對新風(fēng)通風(fēng)量進行管理和控制。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)中心全年溫度動態(tài)變化過程的理論模型，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，機房采用防靜電高架地板，機房內(nèi)布置8臺主服務(wù)器（單臺散熱量10 kW），機房兩側(cè)分別開設(shè)新風(fēng)進口和暖風(fēng)出口，在兩個通風(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)口處安裝空氣過濾網(wǎng)以防止灰塵、煙霧、蚊蟲等雜質(zhì)的進入。室外新風(fēng)由進風(fēng)口進入機房，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)管道進入地板，由地板的出風(fēng)口吹出，此時空調(diào)制冷系統(tǒng)不工作。在夏季，機房進出口處的通風(fēng)風(fēng)扇關(guān)閉，空調(diào)機組由引風(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)口吹出以對服務(wù)器進行冷卻。由于晝夜交替及季節(jié)變化，環(huán)境溫度和太陽輻射熱量也不斷地變化，這對大數(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)中心的溫度受到機房內(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)中心動態(tài)熱特性的主要因素，在大數(shù)據(jù)中心動態(tài)溫度變化的建模中，做了以下假設(shè)：

1）忽略大數(shù)據(jù)中心機房內(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，通過集總參數(shù)法的對大數(shù)據(jù)中心熱平衡系統(tǒng)進行了研究，并建立了大數(shù)據(jù)中心的熱動態(tài)特性模型。利用集總參數(shù)法分析傳熱問題時，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用[7-9]。在運用總參數(shù)法建立了大數(shù)據(jù)中心的熱網(wǎng)絡(luò)模型時，先對大數(shù)據(jù)中心熱傳遞系統(tǒng)中主要組成部分劃分熱節(jié)點，熱節(jié)點的劃分及熱網(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，八臺服務(wù)器的壁面溫度分別由Ts1～Ts8表示，認為從各個地板出風(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，一個熱節(jié)點無法準確反映溫度沿墻壁的梯度變化，故墻壁由內(nèi)層，中層和外層三個熱節(jié)點表示，其溫度分別由Tw1，Tw2和Tw3表示。以上各熱節(jié)點之間的熱耦合關(guān)系如圖2（b）所示，任意兩相鄰熱節(jié)點之間可能存在熱傳導(dǎo)，熱對流和熱輻射這三種中的一種或幾種傳熱方式，兩熱節(jié)點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)點除了與相鄰熱節(jié)點發(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。

機房內(nèi)層墻壁不僅與室內(nèi)空氣發(fā)生對流換熱，還與服務(wù)器壁面發(fā)生輻射換熱。為了方便計算輻射換熱量，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)點間輻射換熱量的計算表達式：

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，機房內(nèi)層墻壁熱節(jié)點的微分控制方程可以表示為：

內(nèi)層墻壁熱節(jié)點只與相鄰節(jié)點發(fā)生導(dǎo)熱傳熱，外層墻壁熱節(jié)點則與外界環(huán)境發(fā)生對流換熱和輻射換熱，且在白天還接受來自于太陽的輻射熱量，它們的熱動態(tài)控制方程為：

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

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

式中：αw為大數(shù)據(jù)中心外表面對太陽輻射的吸收率；qsun為單位面積太陽輻射量，W/m2；Aw為大數(shù)據(jù)中心接受太陽輻射的面積，m2，其大小隨著每日的太陽角度變化；trise、tset分別為當?shù)厝粘鰰r刻與日落時刻，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，第一臺服務(wù)器壁面熱節(jié)點微分控制方程為：

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

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

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

3 計算結(jié)果及分析

利用大數(shù)據(jù)中心熱動態(tài)特性模型，根據(jù)南京的全年小時太陽輻射變化（圖3）及全年小時室外空氣溫度變化（圖4），可以模擬出大數(shù)據(jù)中心各節(jié)點的溫度動態(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態(tài)系統(tǒng)本身的熱慣性，室內(nèi)空氣溫度晝夜波動不明顯。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。由于沒有額外的冷風(fēng)冷卻，服務(wù)器與室外空氣間的溫差會隨著時間的推移緩慢升高，由最1月初的5℃變?yōu)?2月的10℃。

圖3 全年小時太陽輻射變化

圖4 室內(nèi)溫度全年動態(tài)響應(yīng)

不同通風(fēng)量下室內(nèi)空氣溫度的變化趨勢如圖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，同時其溫度變化的波動性增強，其溫度變化與室外空氣溫度變化的滯后時間縮小，若新風(fēng)通風(fēng)量過?。℅vent=10000m3/h），則沒有充分利用外界環(huán)境的冷量，在下半年室內(nèi)空氣溫度會上升至50℃。若通風(fēng)量過大（Gvent=250000m3/h），則對于冷量的利用效率不高，此時通風(fēng)系統(tǒng)耗能較大。因此，選擇合適的通風(fēng)量對于保持室內(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)空氣溫度必須嚴格控制在合適的區(qū)間內(nèi)，按國標GB2887-89計算機站場地技術(shù)條件規(guī)定，室內(nèi)環(huán)境溫度A級標準為22±2℃。在夏季，由于室外氣溫過高，需要避免引入新風(fēng)，因此新風(fēng)通風(fēng)量為0m3/h，此時空調(diào)機組開始工作，并從室內(nèi)引入空氣，將室內(nèi)空氣溫度降低到18℃后再對服務(wù)器進行冷卻，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)機組出風(fēng)溫度時（18℃），可通過調(diào)節(jié)新風(fēng)通風(fēng)量的大小來維持室內(nèi)溫度正常，在室外空氣溫度高于空調(diào)機組出風(fēng)溫度時則通過空調(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，達到節(jié)能減排，提高經(jīng)濟效益的目的。

4 結(jié)論

以引入新風(fēng)調(diào)節(jié)的大數(shù)據(jù)中心為研究對象，以南京全年溫度小時變化和太陽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)中心的熱動態(tài)特性模型，通過該模型對大數(shù)據(jù)中心全年溫度動態(tài)響應(yīng)進行了分析，研究了不同通風(fēng)量及通風(fēng)策略對大數(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但波動不明顯，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，同時其溫度變化的波動性增強，其溫度變化與室外空氣溫度變化的滯后時間縮小。

3）在南京地區(qū)有大約5個月（1～3月份，11月份和12月份）室外空氣冷量充足，對于產(chǎn)熱量為80 kW的大數(shù)據(jù)中心，在此期間僅通過調(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。

[1] 谷立靜,周伏秋,孟輝.我國數(shù)據(jù)中心能耗及能效水平研究[J].中國能源,2010,32(11):42-45

[2] 徐偉.北京某數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能設(shè)計[J].暖通空調(diào),2011,41(8):19-20

[3] 張揚,姚謹英,張劍峰,等.夏熱冬冷地區(qū)數(shù)據(jù)中心機房節(jié)能對策研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2011,37(5):295-297

[4] Iyengar M, Schmidt R, Kamath V, et al. Energy efficient economizer economizer based data centers with air cooled servers[C]//Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm),2012 13th IEEE Intersociety Conference on. IEEE,2012: 367-376

[5] Endo H, Kodama H, Fukuda H, et al. Effect of climatic conditions on energy consumption in direct fresh-air container data centers[J]. Sustainable Computing: Informatics and Systems, 2015, 6:17-25

[6] Sun H S,Lee SE.Casestudy of data centers’energy performance[J].Energy and Buildings,2006,38(5):522-533

[7] Holman JP.Heat Transfer(7th Edit)[M].New York:1990

[8] Mellor P H, Roberts D, Turner D R. Lumped parameter thermal model for electrical machines of TEFC design[C]//IEE Proceedings B (Electric Power Applications). IET Digital Library, 1991,138(5): 205-218

[9] Ramallo-González A P, Eames M E, Coley D A. Lumped parameter models for building thermal modelling: An analytic approah to simplifying complex multi-layered constructions [J]. Energy and Buildings, 2013, 60: 174-184

[10] Kaplanis S N. New methodologies to estimate the hourly global solar radiation; Comparisons with existing models[J]. Renewable Energy, 2006, 31(6): 781-790