李清 李长明 范仟仟

摘 要：数据中心的空调设计对计算机系统的稳定运行有着重要的意义，本文结合实际气流组织的分析，建立出数据中心空调气流组织评价体系，进一步利用模拟退火算法对数据中心机房柜体布局及空调通风口位置的最优方案进行讨论求解。

关键词：气流组织;模拟退火算法;自然对流

1.引言

伴随着大数据，云计算时代的到来，尤其是智慧城市建设的持续推进，各类数据的需求量猛增，带动数据中心数目的快速增长。其大量的能源消耗和随之而来的的环境问题，日益引起人们的关注，因此数据中心的节能方法研究成为当前数据中心建设和运营的重点关注之一。影响数据中心能耗问题的因素有很多，而服务器和空调能耗在总能耗中占比超过70%，因此对送风系统进行优化对节能具有重要意義。不仅如此，虽然各国都很重视数字化、大数据的发展，但大部分国家的科技技术与发达国家有差距，数据中心能耗过大问题会给国家和企业带来较大负担，对数据中心节能化的研究也可以为这些国家科技的发展尽微薄之力。

在大量关于机房节能的研究讨论中，有不同方式可用以提高数据中心空调效率。包括对机房空调系统送风方式改造，例如使用精确送风空调方式，在原有风口上接二级风管直接对机柜内送风以减少能耗;或是选定适合变压器，加强房间密闭性;或是改变送风方式，例如改为下送风等达到节能的目的。基于数据中心空调布局优化问题的研究现状，我们对不同布局系统效率的评价方法进行了进一步讨论，结合天花板与柜体的高度差与热量消耗间的关系确定天花板高度，通过建立相关模型得出最优柜体布局，结合柜体布局确定出风口位置。最终避免不必要的冷热交换，提高空调系统效率，减少机房运行费用。

2.正文

2.1数据中心空调效率影响因素的讨论

列间送风是伴随高密度数据机房出现的一种送风模式，通常与封闭‘冷热通道的布置结合在一起使用，将列间空调放置在机柜之间。列间空调是通过多个出风口将冷空气水平送出，由于与机柜紧密安装在一起，水平送出的风与机柜内服务器后部安装的风扇形成一个有效的气流循环，空调制冷量得到充分利用，与传统空调相比，节能更为明显。

明确最优的柜体布局后，以其为基础对出风口进行指标设定。分析已有的研究结论，选取列间送风的作为简化模型的气流组织运行方式。列间送风可通过多个出风口将冷空气水平送出，由于机柜紧密安装在一起，水平送出的风与机柜内服务器后部安装的风扇形成一个有效的气流循环，空调制冷量得到充分利用。[2] 以回风温度指数RT1为评价指标，设立不同布局下空调冷风利用率评价体系。回风温度指数RT1是气流组织评价系统中反映冷热气流混合程度的量度。接下来，利用模拟退火算法对指标最优化。评价指标回风温度指数的值作为算法的优化目标，以不同出风口位置所对应的回风温度指数的最劣值作为起点，根据已知数据，粗略找到出风口位置的最优位置区域，进而提高位置区域搜索精度，准确找到目标值的全局最优点，最后根据目标值最优点确定数据中心空调出风口位置。

2.2组织评价体系的建立

建立气流组织评价体系，回风温度指数RT1是气流组织评价系统中反映冷热气流混合程度的度量，并作为评价机房机柜附近的气流组织的指标。理想情况下，RTI=1时，表明数据中心内冷、热气流未发生严重掺混现象，冷热交换较少，空调冷风利用率较高;RTI>l时，表明机柜以热空气回流现象（再循环）为主，反之，以冷空气短路为主;RTI偏离1越远，说明气流组织越差，冷热交换较多，空调冷风利用率较低。其计算方法为

依据回风温度指标的评价方法对不同出风口位置所确立的数据中心空调模型进行评价。出风口位置的设计会影响气流组织的分布，进而影响冷热交换造成的能量损失量的大小以及空调冷风利用率的高低。

分析简化得到的三种模型：“四排四管”“三排四管”“四排三管”。以下分别为三种模型的仿真图。

首先对“四排四管”空调系统设置进行分析。冷空气顺支管在四排机柜走廊间向下流动，沿水平空气传导至机柜处冷热交汇进而交换热量，热空气在底部聚集后由于热胀冷缩与走廊上方一部分冷空气进行竖直方向上空气对流的热量传递，之后剩余的热空气从房间一侧的热空气容器排出。将冷热空气有效的隔离，让冷空气顺利的送入通信设备内部，进行热交换，将交换产生的热空气送回至空调机组，避免了不必要的冷热交换。[1 ]

在“四排三管”空调系统设置中，结合实际需要的冷风位置，系统将三根管道进行如图3所示的位置，两根管道及通风口位于前方，另一根管道位于四排计算机柜机后方。同样在计算机柜机之间形成稳定气流便于冷热交换。

将RTI计算公式与模拟退火算法相结合，得出RTI的最优解，以便得到空调出风口的最优位置。

假设一个迭代次数，观察新解在达到迭代次数后，是否满足终止的约束条件，此题将约束条件设置为回风温度指标RTI的值。若满足直接返回最优解，否则缓慢降低 ，重置迭代次数，循环上述步骤，得到回风温度指标的最优解，结合前文对三种模型气流组织的分析，最终得到出风口位置设置的最优方案为四排四列分布，即出风口位置在计算机机柜间，两个冷通道间隔一个热通道为最优设计方案。

参考文献：

[1]Wu Yaqi. Research on Energy Saving Method of Data Center Computer Room[D].Master Dissertation of Suzhou University of Science and Technology，2019.

[2]迟媛，朱国栋，吴飞，许永昭. 浅谈数据机房空调系统节能优化[J]. 中国设备工程，2019，（17）：71-72.

[3]洪晓涵. 数据中心空调系统节能模式的研究[D].南京理工大学，2018.