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基于優(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

2020-10-20 05:35張成挺錢杰王文娟虞文進
粘接 2020年9期
關鍵詞:節(jié)能

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。

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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。

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