基于评价指标的数据中心热环境实测分析与优化改造

摘要

21世纪以来，随着技术创新驱动的物联网、人工智能、VR等领域的快速发展，数据存储、云计算与网络流量大幅增加，随着大数据时代的到来，数据中心建设如火如荼。同时，作为能源密集型设施，数据中心内服务器从机架式到刀片式的发展过渡致使单个机柜发热密度急剧升高，数据中心散热设备多、散热量大、设备运行时间长及设备对环境温度有严格要求等特点造成了数据中心相当可观的能耗量。而数据中心空调系统能耗占数据中心总能耗40％左右，是数据中心的主要能耗来源。对数据中心进行节能改造，建成绿色高效的数据中心对节能降耗具有重大意义。
　　通过改善数据中心热环境，调节气流分布，既可以保证服务器安全运行的需求，还可以降低空调系统的能耗。为实现该目标，国内外专家学者进行了大量研究和实践，目前研究方向主要集中于优化几何结构、改善局部热点等方面，同时也在积极拓展补充热环境评价指标，以完善热环境评价体系，更好地评价数据中心气流组织。
　　数据中心发展至今，机架“面对面，背对背”的摆放形式已经成为业界共识，这种冷、热通道分离的布置形式可以有效防止冷、热气流的掺混，在此基础上，封闭通道可以更好地隔离冷、热气流。目前，冷通道封闭-地板下送风的结构形式在实际工程中应用最广泛。对于地板下送风型数据中心，地板下静压层内的气流组织对数据中心有效运作起关键作用。因此改善地板下送风型数据中心热环境的关键就是要优化静压层内的几何结构分布从而优化气流分布。
　　本文基于对现有冷通道封闭-地板下送风型数据中心的热环境实测，针对性地从机房空调送风口、地板穿孔率和静压层挡板入手，研究各几何因素对气流组织的影响。首先对机房级影响因素，即空调送风口进行调整，得出当送风口位于热通道下方时，穿孔地板可以获得更大的出风速度，冷通道内的冷气流与高热量服务器热交换更充分，冷量利用情况更好。在此基础上，进一步研究静压层内几何结构对数据中心热环境的影响，实测分析地板穿孔率从10％～40％，以10％作为变化步长、静压层挡板角度从30°～60°，以15°作为变化步长的各种结构形式下气流组织优劣，对比分析温度场与速度场的分布来选择数据中心最佳地板穿孔率和挡板角度的组合。得到在空调送风口位于热通道下方，地板穿孔率为30％，挡板角度为60°时，数据中心气流分布最合理，整体温度分布均匀，局部热点区域和范围最小。
　　在实测数据中心速度场、温度场来验证各几何结构形式的热环境的同时，采用热环境相关评价指标对其局部热环境作出评价，并结合现有评价体系，提出新的评价指标-局部综合指数LII用以评估局部热环境。通过评价指标可以进一步验证优化改造结果，得出数据中心冷通道封闭-地板下送风形式下风道几何结构对数据中心热环境的影响的定性分析结论，为相关工程实践提供一定的参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 目前存在的问题

1．4 本文主要研究内容

第2章 数据中心热环境评价指标研究

2．1 当前热环境评价体系

2．1．1 供热指数SHI和回热指数RHI

2．1．2 机架冷却指数RCI

2．1．3 回风温度指数RTI

2．1．4 平均温差指标β

2．1．5 掺混指标IOM、HIOM和能量利用系数η

2．2 局部综合指数LII(Local Integrated Index)

第3章 数据中心实勘研究及优化改造

3．1 概述

3．1．1 实勘机房概况

3．1．2 实勘内容及方案制定

3．2 机房空调送风口位置对热环境的影响研究

3．2．1 速度场实测分析

3．2．2 温度场实测分析

3．3 地板穿孔率和挡板角度对热环境的影响研究

3．3．1不同几何结构的进风速度分布

3．3．2 不同几何结构的进风温度分布

3．4 测量的不确定度分析

3．5 本章小结

第4章 评价指标计算分析

4．1 评价指标计算

4．1．1 基础评价指标计算

4．1．2 局部综合指数LII计算

4．2 各结构类型评价指标结果对比分析

4．3 小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 本文主要创新点

5．3 展望和建议

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢