绿色机房设计1组.docx

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绿色机房设计1组

绿色机房设计

摘要

本文对问题三中通过对附件2的数据分析发现高温度点均处于在高度1.8，据空调位置4.1米附近，结合线性方程拟合以及非线性方程拟合得到各机柜群任务量与各通道温度的关系，通过LINGO进行最优化分析得到最优解。

关键词：

热分布流场分布BP神经网络线性与非线性拟合

一、问题重述

由于高密度计算、多任务计算的需要，越来越多的高性能数据中心或互联网中心（DC、IDC）正逐渐建成。

在现代的数据中心内，由于刀片服务器成本与性价比高，体积小而被广泛使用。

由于自身能源与冷却条件限制，这类大规模的数据中心或许每年需要花费数百万美元，主要用于计算设备及系统冷却所需的能源费用。

因此有必要提高数据中心设备的能效，极大化数据中心的能源利用率及计算能力。

大约在上世纪90年代后期，IBM、HP等公司首先提出绿色数据中心的概念，并受到世界各国的广泛重视。

绿色数据中心的主要目标包括：

●最佳PUE（数据中心基础设施能源利用效率）实现

●实现动态智能制冷，精确送配风系统

●优化的场地设计、电气系统设计

●支持全球领先环保节能标准LEED（美国领先能源和环境设计规范）

●实现最佳系统部署

●区域化和模块化设计－－高热区和低热区，采用不同的散热方式，实现对不同负载的有效支持。

对大型数据中心，模块化设计理念。

●整合的智能的机房监控系统（动力设施,环境与IT设施,平台统一）实现自动化管理。

绿色数据中心的设计在我国处于刚起步阶段，相关的工作很少，资源缺乏。

作为绿色数据中心设计的一个重要环节是利用源自服务器及环境温度的数据，刻画数据中心的热循环过程。

机房内热环境分析是绿色机房设计的主要步骤之一。

为了保证机房内设备健康运行，数据中心制冷系统必须根据机房内热点的温度（室内最高温度）向机房送配冷气。

而合理地给服务器分配工作任务，能够降低机房内热点的温度，达到节能目的。

图1是较典型的一类数据中心机房虚拟示意图。

图1虚拟机房示意图

该类机房采用独立的空调通风制冷系统（HVAC），机房机柜的布置通常按一定的行业设计规范要求布置。

相邻机柜的出风口面对同一个通道。

形成热通道。

机房内热气流经循环进入HVAC顶部，在经过水冷系统冷却后从地下冷风槽通过中孔板送入机柜进风口，形成冷通道。

对于此类机房，往往由于机柜布置的不合理，以及各机柜服务器任务分配的不合理，造成机房内局部温度过高（形成热点）。

为了保证服务器的健康工作，通常需要HVAC降低送风温度或加大送风量，造成耗能增加。

绿色数据中心的主要任务之一就是根据机房的基础设施状态，按照行业规范要求合理地布置机柜，分布任务，尽量避免局部地区过热。

该问题数学上处理起来比较困难，图2是一个测试案例，部分测试数据见附件1及附件2。

供你们队参考。

图2测试机房虚拟示意图

该测试机房高3.2米，，每个机柜群长6.4米，深0.8米，高2米，由8个同样的机柜组成，每个机柜由5个机架构成（共160个机架）。

通道2与4是冷通道，空调制冷系统将冷气送到冷通道，各机柜的服务器从冷通道吸入冷气。

通道1,3,5是热通道，服务器将热量排入热通道，再通过排风系统排出，循环进入空调顶部。

机柜群与侧边墙距离1.6米，两个空调布置在冷通道的一端靠墙处。

空调几何尺寸为宽1.8米，厚度为0.9米，高度为2米。

回风孔位于空调顶部，几何尺寸约为0.5米乘1.4米。

空调的进风风速与温度由机房室内温度与风速确定，送风温度为送风槽出口温度，风速不详。

可以将机房近似看作封闭系统（一般情况下机房门不开的，不允许人进出）。

出风槽的宽度约为0.4米（冷通道宽度的三分之一），长度约为6.4米，，孔隙率约为50%，与机柜并行排列。

 需要解决的问题如下：

（1）根据附件1的数据，绘出冷、热通道的热分布及流场分布及室内最高温度位置。

（2）建立描述该问题热分布的数学模型及算法，并与测试案例进行比较。

（3）如果定义该机房的总体任务量为1，根据你的模型及附件1的流场数据，确定服务器实际任务量为0.8及0.5的最优任务分配方案，并给出室内最高温度。

（4）如果按照《电子信息系统机房设计规范》（附件3）C级要求控制机房温度，讨论服务器设计任务量一定条件下，如何控制空调的送风速度或送风温度（可以通过送风槽的出口风速与温度来描述）。

二、模型假设

1、机柜是唯一热源，空调和排气系统不会产热，且热源均匀，为

（

）。

2、机房气体均匀分布，可是为连续体。

3、除去通道一和通道五其附近墙壁对温度的影响。

三、符号说明

表示流体温度

表示壁面温度

表示热流

h代表对流传热系数

A代表气体与固体间的接触面积

q表示热流密度

M为质量流量

V为流速

为气体分子在两次碰撞间平均自由行程。

表示导热系数

为气体分子运动的均方根速

T4代表通道四的温度

T3代表通道三左侧的温度

T3‘代表通道三右侧的温度

T2代表通道二的温度

P1代表机柜组一的任务量

P2代表机柜组二的任务量

P3代表机柜组三的任务量

P4代表机柜组四的任务量

代表空气密度

为地板上出风槽出风面积

四、模型的建立与求解

问题一

通过对数据的分析，运用sufer9软件对附件一的数据进行处理，得到通道2和通道3的热分布图，见图二、图三。

流场是指运动流体所充满的空间

图一通道2热分布图

图二通道3热分布图

红色区域代表温度较高的区域

对于机房流体分布，通过MATLAB软件进行分析处理得到图三，图四

图三通道二的流场分布图

图四通道三的流场分布图

蓝箭头代表冷区域，红箭头代表热区域

问题二

首先，我们确定以“工作机组——排气系统——空调”为主体的模型系统。

整个系统热源只有4个机柜群，而冷气和热气的主要接触面发生在机柜表面，以及机柜上层边缘处。

当整个机房系统的各个机柜的任务量，空调出风速率确定时，机房系统将逐渐的达到动态热平衡。

而这种动态平衡是则是通过气体对流传热的方式进行的，对流在传热学中特指由于流体宏观运动造成的能量迁移，即热量的传递，对流传热也就是运动的流体和固体壁面之间的热交换。

将与机柜接触的冷气视作连续的介质，进行微元化分析，根据牛顿冷却定律，流体被加热时：

（1）

式中

表示热流，h代表对流传热系数，A代表气体与固体间的接触面积，

表示壁面温度，

表示流体温度。

则热对流时：

（2）

其中q表示热流密度。

获得表面传热系数h的表达式的方法大致有四种：

　　1、分析法，对描写某一类对流传热问题的偏微分方程及相应的定解条件进行数学求解，从而获得速度场和温度场的分析解的方法。

　　2、实验法，在相似原理指导下进行实验研究，是目前获得表面传热系数的主要途径。

　　3、比拟法，通过研究动量传递及热量传递的共性或类似特性，以建立起表面传热系数与阻力系数间的相互关系的方法。

　　4、数值法，在求解导热系数的基础上，增加对流项的离散及动量方程中的压力梯度项的数值处理，从而获得表面传热系数的方法。

这里，我们选取分析法与实验法相结合的方法对导热系数进行求解。

由于流体连续流动遵循质量守恒定律，从流场中（x，y）处取出边长为dx、dy的微元体，并设x方向上流体流速为u，y方向上流体流速为v，令设M为质量流量，[kg/s]。

单位时间内，沿x轴方向，经x表面流入微元体的质量

（3）

则单位时间内，沿x轴方向，流入微元体的净质量：

（4）

同理，单位时间内，沿y轴方向，流入微元体的净质量：

（5）

因此，单位时间内微元体内流体质量的变化：

（6）

（6）式中，

，根据牛顿内摩擦定律

动力粘度

由此推得流体连续性方程：

（7）

同理推得三维时流体连续性方程：

（8）

根据能量守恒定律，引入能量微分方程：

（9）

表示导热系数

，其中

为气体分子运动的均方根速

度，

为气体分子在两次碰撞间平均自由行程。

这里，我们结合实验法进行热分布分析，通过BP神经网络法对附件

一的数据进行训练学习再对机房系统的其他位置点进行预测分析。

得到的温度与原数据对比如下:

通过误差分析发现其温度的误差控制在1之内，说明所建立的模型满足问题所需

问题三

对一个封闭空间而言，机房的工作过程可以看作处于一个动态平衡中，也就是说，它每一时刻释放的热量与空调所提供的冷气相对不变，可得机房的平均温度处于一个恒定值，而分析任务量对最优分配的影响，可以表现为任务量对温度的影响，

分析表二的数据可得，表二中除去通道一和通道五由于其附近墙壁的影响，其热点温度分布不均匀，其余三个通道的热点温度都分布在高度1.8，据空调位置4.1米附近，为了方便求解，我们把三通道分成两部分分别求解，假设用热点取代通道的平均温度，建立起温度与任务量的关系式，这里以通道四的数据为例：

t4max

p1

p2

p3

p4

32.1

0.5

0.5

0.5

0.5

35.9

0.8

0.5

0.5

0.5

32.4

0.5

0.8

0.5

0.5

32.2

0.5

0.5

0.8

0.5

32.1

0.5

0.5

0.5

0.8

30.2

0.3

0.5

0.5

0.5

28.4

0.5

0.5

0.2

0.5

31.9

0.5

0.2

0.5

0.5

28.1

0.2

0.2

0.2

0.2

30

0.3

0.2

0.2

0.2

30.1

0.3

0.2

0.2

0.3

30.1

0.3

0.3

0.3

0.3

利用线性回归方程求解可得其方程：

（1）利用线性方程拟合得到的图像

图二

发现拟合的不是特别好，改用非线性方程拟合，有图二可得利用二次拟合得到的曲线与原数据联系最为紧密，得到方程：

T4=26.3+0.67*p1-0.392*p2+11.321*p3-0.1*p4+11.321*p1*p2+11.321*p1*p3+9.1*p2*p3-11.321*p1^2-9.7*p2^2-9.7*p3^2，

利用回归检验得其检验值为r=0.9612比较符合，对于其他三个通道分别求解可得：

T4=26.3+0.67*p1-0.392*p2+11.321*p3-0.1*p4+11.321*p1*p2+11.321*p1*p3+9.1*p2*p3-11.321*p1^2-9.7*p2^2-9.7*p3^2;

T3=26.4+0.301*p1+12.4*p2+0.64*p3+0.1*p4

T3’=26.4+0.301*p1+12.4*p2+0.64*p3+0.1*p4

为了达到最优化的目的，需将最高温度控制在2，4通道内，也就是说，必须使，t2>t3,t4>t3;由此可以将问题转化为线性规划问题：

min=t2+t4:

（1）t2-t3>0

（2）t4-t3>0

（3）p1+p2+p3+p4=0.5*4或0.8*4

（4）0

（5）0

（6）0

（7）0

（8）T2=26.232+0.658*p4-0.3817*p3+12.618*p2-0.04*p1+10.61*p4*p3+10.61*p4*p2+8.75*p3*p2-10.61*p4^2-9.675*p3^2-9.67*p2^2;

（9）T4=26.3+0.67*p1-0.392*p2+11.321*p3-0.1*p4+11.321*p1*p2+11.321*p1*p3+9.1*p2*p3-11.321*p1^2-