通信机房能耗监测管理系统中热仿真应用初探

吴 捷

（中国电信江苏分公司网运部）

1 背 景

随着信息技术的持续快速发展，当前国内的通信机房（特别是IDC）规模在不断地发展，大规模、高密度的设备部署，大量的分布式系统的应用，所有这些使得通信机房已经从面向单一的建筑物体内的应用，发展到行业级、大区域的应用，致使通信机房的运行维护和管理复杂、能量消耗巨大。

目前很多通信机房的建设和升级存在着随意性较大，难以用数据说明问题。就通信机房总设备能耗与IT设备能耗之比（PUE）而言，据统计，国外先进机房PUE值已达到1.3，而我们国家PUE平均值则在2.0以上。由此可见，我国通信机房在运行能效方面与国外存在很大差距，机房的能源有效利用率也是通信机房目前面临的重大问题之一。

江苏电信围绕企业用电建立了专业化的严格管理目标，已经建设了一个由综合的能耗数据采集监测、有效的节能考核指标体系、科学的能效评估指标体系、客观的节能效果评估功能、精细化设备管理功能以及基于数据仓库技术的多维分析等功能组成的能耗监测管理系统，对企业的所有能耗指标进行监控和管理。由于通信机房的能耗占了江苏电信总能耗的40%以上，而其中空调用电又占了机房能耗的40%以上，因此对通信机房空调用电监控及空调的节能改造效果监控分析是能耗监测管理系统关注的重点。

2 总体思路

我们认为，应该以系统观点审视存在的问题，站在行业的高度看待通信机房的能耗监测及能效评估，架构从底层的监控、到中层的管理、再到上层的决策等三层的综合体系，科学地解决通信机房的设备安装、能耗控制和空调节能改造等问题。

为了解决上述存在的问题，结合数据中心今后可能的发展规模和方向，为此开展通信机房热仿真辅助分析系统的研究，其目的如下：

（1）合理、有效地使通信机房设备，减少设备的无效工作；

（2）有效提高系统投入产出比，合理降低系统能耗；

（3）精细把握机房设备发热及空调的运行状况，科学、准确地调整空调工作时间；

（4）以科学的方法，评估未来通信机房的建设和设备扩容；

（5）构建监控体系，以机房空间、机柜为对象，监测电流、电量、温湿度等，以二维形式提供可视化的图形描述能耗、温湿度分布，自动分析、形成多样化的统计报表，作为能耗、运行环境分析、控制决策的依据，并予以控制；

（6）以各数据中心、机房为单位，系统分析设备利用率、投入产出比、运行维护水平等多种因素，为评估数据中心运行状况、更新设备、系统升级等提供依据；

（7）以设备、机柜为对象，仿真机柜中设备的配置，为设备和机柜合理选型提供决策依据；

（8）作为江苏电信能耗监测管理系统能耗问题分析功能的扩展模块。

3 仿真模型的建立

通过机房温、湿度场建模，机房气流组织建模，以可视化的形式对机房进行热仿真，以描述在不同的设备分布结构下机房空调控制的效果。图1所示的是一个虚拟机房的建模过程。

图1 虚拟机房建模过程

由此可将上述问题分解为：机房仿真建模、温度分布及送风气流组织建模两个部分。

3.1 机房仿真建模

（1）分三大步构建机房模型：第一步，建立直角坐标系，按（可变）尺寸构建空机房，包括地板及底下、天花板及顶上、地板上和天花板下的机房主空间。地板下和天花板上是可能的空调管道区域。第二步，以对象的方式，拖拽机柜对象，置于地板上。机柜对象的属性应包括尺寸及摆放位置。第三步，以对象的方式，拖拽机器对象，置于机柜中。机器对象的属性应包括尺寸、摆放的机柜、摆放位置和功能率等指标。

（2）对一个实际机房，可以从空机房开始，通过构建直角坐标系→地板、天花板→机柜→设备的过程，完成一个3D机房的仿真。

（3）以机柜为单元，柜内放置的设备只确定几何尺寸，不做动态配置。各种技术参数（主要是电能、热容量指标）固定。

（4）可从任意角度观察机房。

（5）可拉近放远机房。

3.2 温度分布及送风气流组织

根据数模组提供的模型，分三步实现仿真目标，即：第一步，以水平面和垂直面的形式，单面、水平（或垂直）组合仿真在一个机柜中的温度场分布。第二步，按下进风和上进风的模式，用曲线（组）形式仿真单机柜的送风气流、机房的送风气流。第三步，将第一步和第二步的结果融合。

（1）单一机柜温度分布

a.可从各侧面观察机柜温度分布（见图2）。

图2 单一机柜温度分布

b.可以指定密度的垂直面组观察机柜温度分布（见图3）。

图3 单一机柜温度分布垂直面图

c.可以指定密度的水平面组观察机柜温度分布（见图4）。

（2）机房温度分布（见图5）。

（3）送风气流组织分布（见图6、图7）

图4 单一机柜温度分布水平面图

图5 机柜组温度分布任一指定垂直截面温度分布

图6 机房气流（垂直截面）组织分布

图7 送风气流组织分布与机房温度分布的组合

4 仿真可行性验证

为了解热仿真软件对解决、分析房间温度场问题的可行性，首先必须进行仿真验证。以某通信机房安装的精密空调机组作为被研究的对象，对机房空间横向按3条等高线安装了有150个温度传感器的多通道温度实时数据监测及辅助分析系统，然后根据这些铂电阻温度传感器记录空调运行时间内，此机房内某些机架及机架上的设备的3个切面上温度场变化情况。以制冷状态为例，整个仿真过程经过机房有限元网格模型的建立、边界条件的设定、控制参数的定义之后，进行数值模拟计算。由于模拟的整个降温过程是一个非稳态过程，因此要验证仿真结果与实验结果是否一致需对某段时间的温度—时间变化特性进行对比。

5 能耗监测管理系统和机房热仿真功能的集成

在能耗监测管理系统中结合机房热仿真进行机房能耗的精细化管理，再结合目前的CFD计算流体力学进行通信机房的热评估，简化“热评估”前期的繁重实地测试工作。尝试把“三维”空间模型，简化为“二维”模型，优化软件算法、提高工作效率，系统架构示意图如图8所示。

图8 能耗监测管理系统通信机房热仿真模块管理、控制示意图

6 结束语

在能耗监测管理平台上，引入热仿真方法，建设以“无人值守”为特征的通信机房能耗监控及分析模块，实时采集机房能耗的相关数据模拟房间温度场，同时分析由能耗监测管理平台提交的基础数据和运行数据，可以实现对通信机房的空调能效评估，提出对通信机房的运行、维护、空调节能改造的辅助决策方案。

［1］ 国家发改委能源所课题组.千家企业节能效果评估体系研究［Z］.2008.

［2］ ISO 7730 ，Moderate ther mal environ ments Deter mination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions f or ther mal co mfort［S］.Inter national Standar d.1994.

［3］ ASHRAE.ASHRAE standard 55－1992，55a－1995.Ther mal environ mental conditions for hu man occupancy，1995.

［4］ David Egan M.Concepts in ther mal co mfort.Prentice2 Hall Inc，1975.