小型数据中心的冷气出口设计

杨迪之 雷洁 赵小丽 潘嘉隆 蔡剑华

摘  要：冷却系统是数据中心机箱正常运行的基础。而本文是通过设计合理的出风口位置，机柜的摆放以及出风方式，能有效的提高冷风利用效率，从而达到节约资源的目的。而本文首先对进风方式选择进行了分析与设计，之后我们是通过设计冷热通道解决了冷风与热风接触的问题。而后我们通过热传导方程，热传导率以及有限差分法并运用MATLAB得到温度以及热量与位置的关系。我们也可以通过天花板各点处的热量以及单位时间内空调进气口气体进来的体积建立起以天花板每个位置进气口需要进入的体积为目标的非线性规划模型。同时为了提高冷风利用效率，我们定义了与热空气容器的安全距离。最后我们用了模拟退火算法，即通过随机搜索一个初值和移动位置去寻求最优解。

关键词：冷热通道  热传导  非线性规划  模拟退火算法

中图分类号：TU831                           文献标识码：A                    文章编号：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

隨着科学技术的发展，社会的进步，人们已然步入了数据爆炸的时代。而在这个前所未有的时代中，数据中心的机房平稳运行就显得尤为重要。而数据中心机房平稳运行的所面临的最大挑战是机房散热问题，也即保持机房温度恒定的问题。如果机房处于一个不适宜的温度，如高温，低温，温度快速波动，都可能破坏数据或者导致系统关闭。也可能改变电子的芯片和其它板块元件的电子和物理属性，从而造成运行出错或者故障，故数据中心冷却系统的设计尤为重要。

1  送风方式的选择

送风方式分为上送风与下送风两种。上送风是指在机房顶部安装冷气出口，而冷风是通过其出口对机房内制冷。而对于整个机房而言，热源，即机柜立于地板之上，即离冷源，即冷风出口较远，避免了冷热风混合，使冷风利用效率达到较高程度[1-2]。

下送风是指在地板上安装冷气出口，而冷风是通过其出口对机房内制冷。相对于整个机房而言，热源在靠近冷风出口的地方，即离冷源较近，所以大量的冷热风混合，从而降低了冷风的利用效率。而相对于一个较小数据中心而言，选择上送风方式较为合适[1-2]。图1是上进风方式示意图;图2是下进风方式示意图。

2  冷热通道的形成

机柜在设计时，要考虑排热的问题，故一般的机柜都被设计成正面可以打开，且后方有类似于百叶窗的小格，计算机硬盘存放在机柜中，当CPU工作时，产生的热量从机柜的后方（反面）排出，所以，相反方向为正面且机柜的正面朝向方向需要被考虑。因此机柜的朝向方向可以设计为反面对反面，以及正面对反面两种模式。

对于一个机柜的正面与另一个机柜的反面相对的模式，与第一种模式相比，它能够使机体四周的气流分布更加均匀，同样的让温度分布也更加均匀，在我们的模型中暂时不考虑这样的设计，理由如下，第一，机柜向四周散热均匀，不利于排风口位置的确定，影响排风口排出热风的效率;第二，气温相对均匀，气流相对而言稳定，增大了冷气和热气的接触面积，加强了冷风与热风混合，在一定程度上，降低冷风的有效使用效率。基于以上考虑，我们选择图3这种模式作为机柜的摆放顺序[5-7]。

而对于机柜正面对正面，反面对反面的模式。这样设计的优点是，在两个机柜之间，相当于形成了一个热通道。我们可以针对这个热通道先设计热风的排气口，这样机体排放的热量能够最大程度的被排热出口排出，避免了冷风与热风直接接触，从而最大程度的增加了冷风的使用效率，在这种情况下我们来设计冷风出口的摆放位置更具有针对性[3-4]。

而这个散热过程是，CPU工作产生了热量，一部分产生的热量通过其散热片、风扇等排出机柜，但还有一部分通过热量在机柜中热传递传到正面，而遇到形成冷通道的较低温度的气体，通过热扩散，使其降温，从而也避免了冷热直接相遇，提高了冷风的利用效率。图3是冷热通道示意图。

3  模型的建立与求解

对于保持数据中心温度尽可能不变的情况下而使冷气的使用效率尽可能高的情况下，去研究冷气出口位置的最佳问题，即在提高相同的温度情况下，输入房间冷气体积最小的最佳冷气出口位置的问题，我们首先以天花板一角为原点建立空间直角坐标系，如图4所示。

假设房间内冷空气出气口和热空气排除口尚未打开，机柜内机片在最大负荷运行的情况下，在单位时间内所释放的热量，很容易能够被计算出来。

利用空气的热传导率和热传导方程可以计算出房间内空间中任意一点的温度，热传导方程是一个偏微分方程，它能够描述在一定时间空间内，空间中一点受热源影响下，温度随时间空间的变化规律。即房间内任意一点的温度与其空间坐标有一定的关系式。

借助溫度这一跳板，计算出房间内任意一点的热量与其空间坐标的关系，在每一个冷源单独作用时，消耗的冷空气体积最小，而在冷源温度，风速以及出风口的横截面积确定的情况下，可以转化为求在温度降到标准机房温度范围内而输入冷空气的时间最小。

模型建立如下：

首先我们在初始温度确定的前提下通过热传导方程、热传导率以及空间直角坐标系建立了数据中心任意一点热量（）以及相应温度（）与其坐标位置的对应关系，即：

c冷为冷源的比热容，冷为冷源密度，V速为冷源喷进房间的风速，S1为进气口横截面积。

而在固定天花板长度N1与天花板固定宽度N2的范围，x与y区间如下：

每一个数据中心都会有出风口，为了防止冷热风过多的接触从而提高冷风的利用效率，设置了安全距离，而对于安全距离的约束：

4  结语

本文通过小型数据中心进风方式的分析，发现对于其小型数据中心而言，上进风方式更为合理。而通过对机柜摆放方式的分析，发现正面对正面（或反面对反面）冷气利用效率更高，即冷热通道形成。然后对小型数据中心进风口以及出风口位置进行分析，推理，从而建立了空间直角坐标系，以及非线性规划模型。通过有限差分法以及模拟退火算法可以搜索到天花板上的数个坐标，从而在冷风利用效率最高的情况下，使小型数据中心机房维持相对恒定温度。

参考文献

[1] 黄若琳.大型数据中心机房冷却系统研究与优化[D].重庆：重庆大学，2018.

[2] 罗浩文.单元式数据机柜冷却系统研究[D].广州：广州大学，2019.

[3] 胡力文.基于自然冷却的数据中心复合制冷空调系统研究[D].合肥：合肥工业大学，2018.

[4] 刘宏宇.基于辐射对流耦合高效换热的节能新型数据中心机房空调系统研究[D].太原：太原理工大学，2019.

[5] 李萍.机房空调机组设计分析与性能研究[D].上海：上海交通大学，2018.

[6] 顾小杰.哈尔滨大型数据 机房新风空调系统节能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.

[7] 尚禹.数据中心机房空调系统的技术分析及改造[D].沈阳：东北大学，2016.