CN110594983A - 一种适用于小型数据中心的温度控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种适用于小型数据中心的温度控制方法，涉及热力学及控制学技术领域。首先对于形状、大小已知，有n个出风口的数据中心设定调控目标温度，用二维坐标表示数据中心任意点及各出风口坐标；计算各出风口在t秒后对数据中心任意点的影响及各出风口在t秒后对数据中心任意点的影响大小占所有出风口对数据中心中任意点的影响大小的比例；再得到当前数据中心温度分布，根据差分法预测数据中心任意点的温度，计算得到各出风口在t秒时间内需要调控的温差；最后将各出风口需要调控的温差作为各出风口温控的输入，使用现有温控技术对各出风口进行调控。本发明方法能够计算出各出风口合理的需调控温差，达到数据中心中各出风口协调温控的效果。

Description

一种适用于小型数据中心的温度控制方法
技术领域
本发明涉及热力学及控制学技术领域，尤其涉及一种适用于小型数据中心的温度控制方法。
背景技术
国内外对数据中心空调节能措施的研究，大致从以下三个角度出发。
一是从结合数据中心独有节能优势角度出发，根据某一数据中心有利于节能的优势，为其设计特有的温控方法，达到绿色节能目的。节能优势包括气候条件、建筑材料、数据中心的规律性等。如使用洁净的自然风进行降温，使用导热系数小的建筑材料减少冷负荷损耗等。对于访问高低峰有一定规律的数据中心，可使用负载均衡器进行动态虚拟机配置，在访问低峰期关闭部分服务器。但该角度研究成果的普适性不强，且花费较高，对经费预算有限的小微型数据中心不适用。
二是从尝试改进现有空调制造工艺角度出发，提高能量利用率。如将回风与新风混合经过表冷器，降低新风能耗。为空调冷热源添加冷热储能系统，使用离子电池、冷冻水、液体空气等作为载体，存储多余冷负荷、热量乃至动能，有效降低空调能耗。先进的空调制造工艺是高效调节、节能环保的进步方向，但空调制造技术经过多年的实践与发展，已达到一个比较完善的地步，对空调制造工艺的改进难以在短时间内得到想要的效果。
三是从优化空调控制技术角度出发，改变现有中央空调控制系统以室内最高温度作为控制对象，富裕冷/热负荷的超负荷现状。如将传统模糊pid温控技术与粒子群算法相结合，提出智能pid控制；或使用pid协调技术改进二自由度PID(2DOF-PID)算法，独立调整抗干扰性能与设定值跟随性能两种参数，设计PID温度控制器。但不同位置的出风口都以室内最高温温度作为控制温度，使得大量的冷负荷浪费。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种适用于小型数据中心的温度控制方法，对小型数据中心的温度进行控制。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种适用于小型数据中心的温度控制方法，包括以下步骤：
步骤1、对于形状、大小已知，有n个出风口的数据中心，以水平面为xoy面，高度为z轴，将数据中心中任意点用(x，y，z)坐标表示，各出风口坐标表示为(a1，b1，c1)、(a2，b2，c2)、…、(an，bn，cn)，设定调控的目标温度为Taim；
步骤2、忽略数据中心的z轴，即高度，将数据中心中任意点坐标表示为(x，y)，各出风口坐标表示为(a1，b1)、(a2，b2)、…、(an，bn)；
步骤3、计算出位于(a，b)坐标的出风口在t秒后对数据中心中任意点(x，y)的影响大小W(a，b)(x，y，t)，如下公式所示：
其中，(a，b)∈{(a1，b1)、(a2，b2)、…、(an，bn)}；
步骤4、计算出位于(a，b)坐标的出风口在t秒后对数据中心中任意点(x，y)的影响大小占所有出风口对(x，y)点的影响大小的比例Ratio(a，b)(x，y，t)，如下公式所示：
步骤5、使用传感器测量得到当前数据中心温度分布情况，然后根据差分法预测t秒后数据中心中任意点的温度，记作T，T(x，y，t)表示t秒后坐标(x，y)的预测温度，计算方程组如下公式所示：
其中，为初始时刻数据中心所处温度场的瞬时值，λ为空气导热系数，ρ为空气密度，c为空气比热容，t为时间、为等温线法线方向单位矢量，Δt表示时间步长，Δx表示x轴距离步长，上标p表示时间步长的序号，下标i代表x轴距离步长的序号，下标j代表y轴距离步长的序号；
求解该线性方程组得到t秒后数据中心中任意点坐标(x，y)处的预测温度T(x，y，t)；
步骤6、计算得到位于(a，b)坐标的出风口在t秒时间内需要调控的温差，如下公式所示：
ΔT(a，b)(t)＝MAX(Ratio(a，b)(x，y，t)*(T(x，y，t)-Taim)) (4)
步骤7、将步骤6求得的温差ΔT(a，b)(t)，作为(a，b)坐标出风口温控的输入，使用现有温控技术对位于(a，b)坐标的出风口温度进行调控。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种适用于小型数据中心的温度控制方法，位于不同位置的出风口可根据自己的位置与温度场特点，计算出合理的需调控温差，达到数据中心中各出风口协调温控的效果。提高冷负荷的利用率，节约能源。根据预测温度场的调控可以减少温控的响应时间。
附图说明
图1为本发明实施例提供的协调控制模糊pid控制器框图；
图2为本发明实施例提供的一种适用于小型数据中心的温度控制方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的数据中心示意图；
图4为本发明实施例提供的进行温度控制下30分钟后的数据中心温度场分布图；
图5为本发明实施例提供的出风口温度为8摄氏度下30分钟后的数据中心温度场分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的使用范围。
本实施例采用模糊pid控制器为主要温控方法，结合各个坐标点的空调出风口应调控的温度差，设计智能温控方法，对数据中心各个空调进行协调温控。如图1所示，本实施例的温度控制方法为：模糊pid控制器输入值为热源变量；根据热源变量为各个空调出风口计算出应调控的温差e与温差变化率ec，然后对这两个值进行模糊化，根据模糊规则得到对应的模糊输出量，再将模糊输出量解模糊，即可得到pid控制器中kp、ki、kd三个参数的偏差量。将温差e、温差变化率ec输入整定参数后的pid控制器，即可得控制结果。
本实例以ansys有限元分析软件模拟本发明的适用于小型数据中心的温度控制方法，具体计算过程未完全依赖现有坐标位置，如图2所示，具体方法为：
步骤1、对于形状、大小已知，有n个出风口的数据中心，以水平面为xoy面，高度为z轴，将数据中心中任意点用(x，y，z)坐标表示，各出风口坐标表示为(a1，b1，c1)、(a2，b2，c2)、…、(an，bn，cn)，设定调控的目标温度为Taim；
本实施例中，将本发明的温度控制方法作用于一个如图3所示的长为12m，宽8.5m，高4m的数据中心，该数据中心有四个空调出风口，三台800x800x2000的服务器机架，三台服务机架依次放置。以数据中心房间左下角为原点，构建三维坐标系，数据中心各出风口坐标为(0，6.5，1)、(2，0，1)、(12，1.5，1)，(10，8.5，1)，服务器机架中心坐标为(5，3，1)。
步骤2、忽略数据中心的z轴，即高度，将数据中心中任意点坐标表示为(x，y)，各出风口坐标表示为(a1，b1)、(a2，b2)、…、(an，bn)；
本实施例中，设初始时刻数据中心室内外温度均为30摄氏度，空调服务散热为2000W每平方米，调控的目标温度为25摄氏度，将数据中心房间抽象为二维俯视图，忽略高度影响。
步骤3、计算出位于(a，b)坐标的出风口在t秒后对数据中心中任意点(x，y)的影响大小W(a，b)(x，y，t)，如下公式所示：
其中，(a，b)∈{(a1，b1)、(a2，b2)、…、(an，bn)}；
本实施例中，根据公式(1)，可计算出各出风口在30分钟后对服务器机架中心点(5，3)的影响大小为：W(0，6.5)(0，6.5，30)＝0.6958、W(2，0)(2，0，30)＝0.7882、W(12，1.5)(12，1.5，30)＝0.6555、W(10，8.5)(10，8.5，30)＝0.6196；
步骤4、计算出位于(a，b)坐标的出风口在t秒后对数据中心中任意点(x，y)的影响大小占所有出风口对(x，y)点的影响大小的比例Ratio(a，b)(x，y，t)，如下公式所示：
本实施例中，根据公式(2)，可计算各出风口在30分钟后对服务器机架中心点(5，3)的影响大小占所有出风口对中心点(5，3)的影响大小的比例为Ratio(0，6.5)(0，6.5，30)＝0.2522、Ratio(2，0)(2，0，30)＝0.2857、Ratio(12，1.5)(12，1.5，30)＝0.2376、Rati0(10，8.5)(10，8.5，30)＝0.2245；
步骤5、使用传感器测量得到当前数据中心温度分布情况，然后根据差分法预测t秒后数据中心任意点的温度，记作T，T(x，y，t)表示t秒后坐标(x，y)的预测温度，计算方程组如下公式所示：
其中，为初始时刻数据中心所处温度场的瞬时值，λ为空气导热系数，ρ为空气密度，c为空气比热容，t为时间，为等温线法线方向单位矢量，Δτ表示时间步长，Δx表示x轴距离步长，上标p表示时间步长的序号，下标i代表x轴距离步长的序号，下标j代表y轴距离步长的序号；
求解该线性方程组得到t秒后数据中心中任意点坐标(x，y)处的预测温度T(x，y，t)；
本实施例中，根据方程组(3)可以得到无空调调控时30分钟后z＝1m水平面服务器机架中心点(5，3)的预测温度T(5，3，30)＝193℃；
步骤6、计算得到位于(a，b)坐标的出风口在t秒时间内需要调控的温差，如下公式所示：
ΔT(a，b)(t)＝MAX(Ratio(a，b)(x，y，t)*(T(x，y，t)-Taim)) (4)
本实施例中，根据公式(4)可得各出风口需要调控的温差为：ΔT(0，6.5)(30)＝42.25℃、ΔT(2，0)(30)＝47.86℃、ΔT(12，1.5)(30)＝39.80℃、ΔT(10，8.5)(30)＝37.61℃。
步骤7、将步骤6求得的温差ΔT(a，b)(t)，作为(a，b)坐标出风口温控的输入，使用现有温控技术对位于(a，b)坐标的出风口温度进行调控。
本实施例中，输入各个出风口需要调控的温差e(0，6.5)＝42.25℃、e(2，0)＝47.86℃、e(12，1.5)＝39.80℃、e(10，8.5)＝37.61℃和温差变化率ec(0，6.5)＝0.0235℃/s、ec(2，0)＝0.0266℃/s、ec(12，1.5)＝0.0221℃/s、ec(10，8.5)＝0.0209℃/s。设置各出风口初始温度为：T(0，6.5)＝12℃、T(2，0)＝8℃、T(12，1.5)＝11.5℃、T(10，8.5)＝15℃，风速为3m/s。使用模糊pid控制技术对出风口进行调控，输出结果为30分钟后数据中心的温度场，如图4所示；
本实施例还设置对照组，不采用本发明的温度控制方法，为使降温效果更快，设置四个出风口温度为8摄氏度，即：T(0，6.5)＝T(2，0)＝T(12，1.5)＝T(10，8.5)＝8℃，风速为3m/s，可得30分钟后的数据中心温度场，如图5所示；
由图4和图5可知，采用本发明方法和对照方法都可达到温控目的，但在所有出风口温度为8摄氏度的情况下，30分钟后大量区域的温度为20摄氏度，远低于目标温度。相比于不采用温度控制方法的对照组，采用控制方法所得到的温度场更为平均。空调能耗公式＝功率(KW)/1000*时间(h)，在30分钟内，本实施例和对照组空调耗能相同。但由于对照组中大量区域温度为20摄氏度，为达到目标温度，空调会进行升温调控，空调耗能增加，温控方法调控数据中心温度的能耗显著低于传统方式。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种适用于小型数据中心的温度控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、对于形状、大小已知，有n个出风口的数据中心，以水平面为xoy面，高度为z轴，将数据中心中任意点用(x，y，z)坐标表示，各出风口坐标表示为(a1，b1，c1)、(a2，b2，c2)、…、(an，bn，cn)，设定调控的目标温度为Taim；
步骤2、忽略数据中心的z轴，即高度，将数据中心中任意点坐标表示为(x，y)，各出风口坐标表示为(a1，b1)、(a2，b2)、…、(an，bn)；
步骤3、计算各出风口在t秒后对数据中心中任意点(x，y)的影响大小；
步骤4、计算各出风口在t秒后对数据中心中任意点(x，y)的影响大小占所有出风口对(x，y)点的影响大小的比例；
步骤5、使用传感器测量得到当前数据中心温度分布情况，然后根据差分法预测t秒后数据中心任意点的温度；
步骤6、计算各出风口在t秒时间内需要调控的温差；
步骤7、将步骤6求得的各出风口的温差对应出风口温控的输入，使用现有温控技术对各出风口温度进行调控。
2.根据权利要求1所述的一种适用于小型数据中心的温度控制方法，其特征在于：步骤3所述各出风口在t秒后对数据中心中任意点(x，y)的影响大小W(a，b)(x，y，t)如下公式所示：
其中，(a，b)∈{(a1，b1)、(a2，b2)、…、(an，bn)}。
3.根据权利要求2所述的一种适用于小型数据中心的温度控制方法，其特征在于：步骤4所述各出风口在t秒后对数据中心中任意点(x，y)的影响大小占所有出风口对(x，y)点的影响大小的比例Ratio(a，b)(x，y，t)，如下公式所示：
4.根据权利要求3所述的一种适用于小型数据中心的温度控制方法，其特征在于：步骤5所述根据差分法预测t秒后数据中心任意点的温度通过如下方程组计算得到：
其中，T(x，y，t)表示t秒后数据中心中任意点坐标(x，y)处的预测温度，为初始时刻数据中心所处温度场的瞬时值，λ为空气导热系数，ρ为空气密度，c为空气比热容，t为时间，为等温线法线方向单位矢量，Δt表示时间步长，Δx表示x轴距离步长，上标p表示时间步长的序号，下标i代表x轴距离步长的序号，下标j代表y轴距离步长的序号；
求解该线性方程组得到t秒后数据中心中任意点坐标(x，y)处的预测温度T(x，y，t)。
5.根据权利要求4所述的一种适用于小型数据中心的温度控制方法，其特征在于：步骤6所述各出风口在t秒时间内需要调控的温差如下公式所示：
ΔT(a，b)(t)＝MAX(Ratio(a，b)(x，y，t)*(T(x，y，t)-Taim)) (4)。
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