張成挺 錢杰 王文娟 虞文進

摘要：文章重點研究電信級別IDC機房頑固性熱島問題的解決方案，個案為加10-2019年持續(xù)技術革新改造中無法有效解決的4個IDC通訊局端機房。通過基于嵌入式系統(tǒng)和大數(shù)據融合技術的風機盤管技術升級，通過模糊控制矩陣算法，緊密控制風機盤管的轉速和風速，有效控制空調蒸發(fā)量，且將熱島的輻射型散熱模式轉化為對流型散熱模式，實現(xiàn)有效降低熱島核心溫度的情況下，對空調系統(tǒng)的節(jié)能改造。

關鍵詞：IDC機房;空調技術;熱島效應;節(jié)能

中圖分類號：TP308;TU831

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（ 2020）09-0106-05

0 引言

電信級別的IDC機房承擔著區(qū)域通信的核心交換任務。隨著互聯(lián)網數(shù)據負荷的增加，lDC機房供電功率也隨之增加，當前技術條件下，單個機柜的最大用電功率已經達到了6kW級別，其本身的散熱如果不能被有效排出，則可能在機房內形成熱島，導致無論如何加大機房空調功率，都無法解決機房內局部過熱問題。2010年以后，中國移動在多個城市進行熱島輻射和熱島對流控制的相關研究，取得了一定的成果。通過疏散熱島效應帶來的局部過熱空氣，在空調功率不變的前提下，使熱島效應得到有效控制，IDC機房的局部過熱問題得到有效解決。本文研究是在之前研究的基礎上，研究當前技術條件下控制機房熱島問題的進一步技術革新方向。

1 IDC機房個案分析

2010年，中國移動公司在C市建設400柜以上IDC機房97個，其中平均每24h出現(xiàn)1次以上溫度告警的機房達到7個，占7.22%，經過初步技術革新，至2019年，中國移動公司在C市建設200柜以上IDC機房116個，其中平均每24h出現(xiàn)1次以上溫度告警的機房達到4個，占3.45%。即之前技術革新已經取得了一定的研究成果，但仍未完全解決IDC機房熱島效應給機房運行帶來的風險。對以上4個問題機房進行分析，所有機房均采用42U機柜進行布局，機房高度均超過4.5m，采用弱天強地的方式進行機房布局，所有機房均采用專業(yè)機房空調通過天地綜合盤管布局進行控制。

問題機房的具體參數(shù)如下：

機房A：機柜數(shù)量397個，面積1763m2，機柜平均能耗1657+173kW，空調能耗400kW，平均室溫26.7+ 1.4℃，歷史測得熱島極端高溫41.6℃。 機房B：機柜數(shù)量296個，面積1252m2，機柜平均能耗1352+137kW，空調能耗300kW，平均室溫26.2+1.3℃，歷史測得熱島極端高溫42.5℃。 機房C：機柜數(shù)量253個，面積1021m2，機柜平均能耗1139+101W，空調能耗260kW，平均室溫25 .4+ 1.4℃，歷史測得熱島極端高溫39.3℃。

機房D：機柜數(shù)量468個，面積1855m2，機柜平均能耗2073+209kW，空調能耗500kW，平均室溫27.6+2.1℃，歷史測得熱島極端高溫42.1℃。

2 可用的成熟技術分析

2.1 局部通風設施

機房熱島形成的根源在于大功率機柜的局部空氣流通狀態(tài)不佳，導致機房局部散熱不是對流散熱，而是單純性的輻射散熱。通過使用局部通風設施，加強對熱島區(qū)域空氣流通的促進，可以讓熱島區(qū)域的對流散熱增強，使用對流效應使熱島附近高出機房其他區(qū)域8-10°的高溫空氣被周邊低溫空氣充分中和，可以實現(xiàn)較小功率下的局部熱島的熱量平衡。

2.2 局部導風設施

傳統(tǒng)的機房布局，空調盤管的布局方式一般為均勻布局，部分經過加強的空調盤管布局方式為針對機柜安裝密集區(qū)的盤管布局。因為該布局與實際散熱分布并不完全切合，導致空調功率不能向熱島區(qū)域有效集中，導致空調效率低下。通過使用導風槽設施代替?zhèn)鹘y(tǒng)天地式空調通風盤管設施，使空調出風口更接近熱島區(qū)域，同時使空調出風量對熱島空氣對流產生的影響最大化，可以實現(xiàn)較小功率下的局部熱島的熱量平衡。

2.3 空調盤管設施的升級措施

從節(jié)能視角看待IDC機房的溫度控制問題，壓縮機的能耗遠大于鼓風機的能耗，2010-2019年的前置研究中，更多使用單獨安裝軸流風機的方式實現(xiàn)熱島控制，即在熱島區(qū)域使用軸流風機打散熱島空氣對流狀態(tài)實現(xiàn)對空調的節(jié)能。隨著導風槽設施和變量空調風機設施的逐漸成熟，本文研究中會使用整合大風量盤管設施的方式，減少盤管數(shù)量，增加盤管效率，增加對流效率，在不增加空調裝機功率甚至節(jié)約部分空調裝機功率的前提下，實現(xiàn)對熱島效應的有效控制。

3 智能化空調系統(tǒng)設計實踐

3.1 需求分析

通過前文分析，本文重點通過對風機盤管，特別是地裝風機盤管的優(yōu)化改造實現(xiàn)節(jié)能條件下的熱島效應優(yōu)化。整體思路如圖2所示。

1）使用機房紅外攝影系統(tǒng)形成的紅外溫度計對機房整體溫度進行控制性測量，得到實時的局部高精度熱島分布圖。同時根據之前系統(tǒng)中設定的風機盤管與熱島的空間邏輯關系得到熱島效應的實際關聯(lián)盤管。

2）采集關聯(lián)盤管的風機轉速、出風口溫度、出風口風速信息，用于供控制器決策風機盤管的控制策略。

3）風機輸出部分，可以對風機轉速進行控制，對空調盤管的截止閥、節(jié)流閥進行控制，使其達到最優(yōu)狀態(tài)，必要時系統(tǒng)會聯(lián)動其他風機盤管，壓縮其蒸發(fā)液體注入量為熱島附近盤管提供足夠的蒸發(fā)液體作為應急策略。

以上控制器是對單個風機盤管的控制器，但所有風機盤管之間的控制器被控制主機聯(lián)合控制，其控制方式如圖3。

涉及到本文解決方案的功能主機系統(tǒng)共有3套，其中包括盤管控制主機負責控制每個風機盤管的嵌入式控制器，溫度監(jiān)測主機負責分析IDC機房內的溫度分布情況，空調控制主機負責控制空調主機的總功率。其中判斷熱島控制盤管的邏輯關聯(lián)關系的主機系統(tǒng)為盤管控制主機，盤管控制主機的控制指令與空調控制主機實現(xiàn)數(shù)據交換，而其對溫度監(jiān)測主機的溫度分布狀態(tài)數(shù)據信息的控制方式為只讀。

3.2 硬件設計

盤管控制主機采用通用服務器實現(xiàn)，其與各盤管控制器之間的通訊采用通用FDDI網絡控制模塊，通過單模光纖實現(xiàn)雙工通訊。所以控制主機的硬件選型在本文中不做贅述。

盤管控制器為嵌入式ARM設備，使用ARM31開發(fā)板作為基板，該基板內置1/0杜邦接口、網絡光纖接口，配置8個2.4GHz的64位CPU計算核心，4個128位CPU浮點計算核心，8GByte的RAM，16GByte的TF存儲器，基本可以滿足本文系統(tǒng)的開發(fā)需求。所有探頭及控制模塊直接與開發(fā)板的1/0杜邦接口連接。

因為控制主機和控制器均采用了通用設備，所以本文的硬件設計不做過多分析。

3.3 軟件及算法設計

因為本文解決方案的數(shù)據構成和控制過程較為簡單，所以本文采用嵌套式模糊矩陣算法進行核心算法的搭建，并不引入機器學習概念。其控制矩陣共有以下構成：

本文解決方案的風機盤管控制策略的選擇等同于熱島預警，但其數(shù)據控制較預警系統(tǒng)更加精確。通過對溫差（表1）和熱島區(qū)域核心溫度（表2）的判斷，得到兩組熱島狀態(tài)評分，根據該兩組熱島狀態(tài)評分，對對應風機的運行狀態(tài)進行調整，其調整策略的控制如表3所示。

以上策略的實際意義如表4所示。

4 系統(tǒng)測試

4.1 實際溫控效果測試

圖4的紅外探頭拍攝位置和拍攝角度與圖1完全一致，可以看到，圖l中大量紅色區(qū)域已經被完全沖散，形成較大面積的黃綠色區(qū)域。但圖4中藍色區(qū)域的面積顯著小于圖1中的藍色區(qū)域面積。即通過使用該系統(tǒng)，確實將機房熱島的輻射型散熱狀態(tài)轉變?yōu)閷α餍蜕釥顟B(tài)，熱島面積伴隨空氣流動有效擴大，熱島核心溫度伴隨空氣流動有效降低。

對個案4個問題機房的實際治理效果，治理前后4個機房的平均室溫變化不顯著，但最高室溫均出現(xiàn)顯著下降。A機房最高室溫從41.6℃下降到33.6℃，下降幅度19.23%;B機房最高室溫從42.5℃下降到34.1℃，下降幅度19.76%;C機房最高室溫從39.3℃下降到31.2℃，下降幅度20.61%;D機房最高室溫從42.1℃下降到32.3℃，下降幅度23.28%。具體變化情況如表5所示。

雖然應用本文方案后，熱島效應依然存在，但本文解決方案在以往2010-2019年的解決方案基礎上，進一步升級了IDC機房的熱島問題解決方案，使目前依然存在熱島問題困擾的4個機房的熱島問題得到有效緩解，使其正常運行狀態(tài)下的最高室溫即熱島核心溫度下降到系統(tǒng)容許的范圍內。

4.2 實際空調耗能功率測試

可以看到，風機的實際轉速基本穩(wěn)定在500-1000r/min的轉速上，1200r/min以上的工況較為罕見，即即便使用了本文系統(tǒng)，風機轉速也不會因為該系統(tǒng)的使用而發(fā)生顯著提升，反而降低非熱島區(qū)域的轉速，實現(xiàn)空調系統(tǒng)的蒸發(fā)量減少，從而帶來空調節(jié)能的最終效果。在使用本文解決方案前，風機盤管的實際出風口速度，運行在3.72-7.05m/s之間，使用本文解決方案后，風機盤管的實際出風口速度，風速區(qū)間沒有發(fā)生實質性變化。

考察4個問題機房的97個風機盤管出風口，使用本文解決方案后，風速達到最高7.05m/s的出風口數(shù)量，從之前的26個減少到9個，下降幅度為65.38%，風速達到最低3.72m/s的出風口數(shù)量，從之前的31個增加到49個，增加幅度為58.06%。系統(tǒng)空調運行壓力顯著減少。

空調系統(tǒng)實際耗電量方面，每機柜的實際空調功率平均值，從使用本文解決方案前的每機柜0.49+06kW下降到每機柜0.31+0.04kW，空調實際功率下降幅度為36.73%。因為之前4個機房總共機柜數(shù)量為1414個，總空調裝機功率為1460kW，平均每機柜空調裝機功率為1.03kW，空調負荷從最初的47.57%下降到30.10%，機房空調系統(tǒng)的冗余量得到了有效保障。

5 結語

通過本文研究，在不增加實際空調裝機功率的情況下，使用嵌入式系統(tǒng)對空調的風機盤管進行升級改造，增加一個專用風機盤管控制主機，與機房溫度監(jiān)測系統(tǒng)主機和機房空調控制主機進行聯(lián)合運行，對4個2010-2019年間未能解決的頑固熱島問題機房進行了空調系統(tǒng)升級改造。經過改造，機房的平均室內溫度未發(fā)生實質性變化，但機房內的熱島核心溫度發(fā)生了大于19%的顯著降低，同時機房的實際空調運行功率得到了顯著下降。即本文解決方案可以在實現(xiàn)節(jié)能的同時，解決度頑固性的機房熱島問題。其解決原理是打破熱島的輻射型降溫模式，使其充分轉化為對流型降溫模式。

參考文獻

[1]王廷廷，高翔，蔣標，等.大數(shù)據時代超長IDC建筑結構溫度響應分析[J].建筑結構，2019，49（S1）：607-609.

[2]藍郁峰，蔡建開.探索優(yōu)化互聯(lián)網數(shù)據中心（IDC）機房熱島效應的節(jié)能解決方案[J].通信電源技術，2019，36（S1）：114-126.

[3]卞禮軍，數(shù)據中心（IDC）機房能耗監(jiān)測及可視化探討[J].通信電源技術，2019，36（S1）：238-240.

[4]王加軍.IDC機房的建設目標及節(jié)能技術淺析[J].計算機產品與流通，2019（12）：269.

[5]周常春.IDC機房封閉冷通道應用[J].電信技術，2019（S1）：68-71.

[6]吳玉琴，陳超，陳紫光，等.IDC機房微熱管型分體式自然冷卻系統(tǒng)及其應用[J].暖通空調，2018，48（03）：80-84.

[7]陳燕樹.IDC機房空調系統(tǒng)優(yōu)化配置方法與綜合節(jié)電分析[J].機電信息，2018（ 15）：156-157.

[8]吳振同.IDC數(shù)據通信中心機房節(jié)能設計分析[J].通訊世界，2018（04）：27-28.

[9]周拓.IDC機房典型送風方式氣流組織研究[D].西安：西安電子科技大學，2018.

[10]韓嘯，陳利榮.數(shù)據中心機房空調建設方案分析及應用[J].電信技術，2017（10）：60-63.

[11] Wang Jinggang， Kang Ligai， Du Meixia， et aI.Feasi-bility analysis using natural source cooling the IDC plant[P].Control and Decision Conference， 2009.CCDC'09.Chi-nese.2009.

[12] Liu Chen， Yikun Tan.The performance of a desic-cant wheel air conditioning system with high- tempera-ture chilled water from natural cold source[J].RenewableEnergy， 2020， 146：2142-2157.

[13] Hye- Won Dong， Jae- Weon Jeong.Energy benefitsof organic Rankine cycle in a liquid desiccant and evap-orative cooling- assisted air conditioning system[J].Re-newable Energy ， 2020 ， 147 （ Pt l） ： 2358-2373.

[14] Yiwei Xie， Pingfang Hu， Na Zhu，et aI.Collaborative op-timization of ground source heat pump- radiant ceiling airconditioning system based on response surface method andNSGA-II[J].Renewable Energy，2020，147（Pt l） ：249-264.

[15] A.D.Akbari， F.Talati， S.M.S.Mahmoudi.New solutionmethod for latent energy storage and thermoeconomic op-timization for an air conditioning system[J].IntemationalJournal of Refrigeration ， 2020 ， 109 ： 12-24.

[16] T.Korth， F.Loistl， A.Storch， et al.Capacity enhance-ment of air conditioning systems by direct integration ofa latent heat storage unit[J].Applied Thermal Engineer-ing ， 2020 ， 167.

[17] Zhenxin Zhou， Jiangyu Wang， Huanxin Chen， et al.Anonline compressor liquid floodback fault diagnosis meth-od for variable refrigerant flow air conditioning system[J].Intemational Journal of Refrigeration，2020， （1 1 1） ： 9-19.

[18] Baohong Jin， Xiaohong Nan， Xuhao Ning， et al.Energy-saving operation strategy of air conditioning system in teabrick fermentation room under different outdoor meteorolog-ical parameters[J].Sustainable Cities and Society，2020，5 3.

[19] Hisashi Usuki ， Hiroaki Kitamura ， Yasuhisa Ando ， etal.New Concept Air Conditioning System for the Operat-ing Room to Minimize Patient Cooling and Surgeon Heat-ing：A Historical Control Cohort Study.[J].World journal ofsurgery ， 2020 ， 44 （ 1 ） ： 45-52.

[20] Science-Refrigeration Science;Data on RefrigerationScience Detailed by Researchers at University of Tabriz（ New solution method for latent energy storage and ther-moeconomic optimization for an air conditioning system）[J].Science Letter ， 2020.

作者簡介：張成挺（1985-），男，民族，本科，工程師，研究方向：計算機應用。