一种数据中心热工环境评价方法及装置

技术领域

本发明涉及数据中心的热工环境评价技术领域，特别涉及一种数据中心热工环境评价方法及装置。

背景技术

当前，数据中心是一个耗电量大户同时朝着高热密度方向发展。

对于高能耗的的问题，国家制定的指导意见中指出PUE(电能使用效率)应该控制在1.5以下，为实现这个指标，关键在于制冷系统，要降低制冷系统的能耗，首先要能够测量数据中心的冷却效率，才能找到降低制冷系统能耗的途径。而目前实际用来评价数据中心能耗的手段和方法缺失，国内国际公认的评价方法是通过数据中心热环境指标来评价冷却效率，机架冷却指数可以有效反应制冷系统的效率指标，但需要所以机柜的精细的温度数据作为支撑，每个机柜多个温度监测目前还是个难点。而光纤光栅阵列的出现可以填补长距离连续测温的需求，而且不受电磁干扰，温度精度高，布点可任意调整。

由于数据中心高热密度发展趋势，小体积高功耗服务器大量采用，机架的热功率越来越大，冷却方案的评估以及气流的异常监测也需要通过RCI，RTI，SHI，RHI等指数的计算和分析来实现。尤其数据中心容易出现的气流短路现象，会造成局部负载温度的持续上升，当超过60℃的温度后，对电子器件就会产生影响，从而影响设备的正常运行，而RTI指标可以有效的发现气流短路现象，从而采取调整气流流向解决冷效率问题。另外整个机房的整体热功率和空调制冷量是否达到平衡，目前也没有更精细的手段来控制，只是简单的计算整体热功率和空调制冷量定性评估，没有量化标准，对气流分布和温度分布没有仔细考虑，从而机房热点成为司空见惯的现象，大量的数据中心深受困扰，对高热密度数据中心来说，更加严峻，因此精细测温成为必要的条件。光纤光栅温度阵列非常适合这种场景的使用。经过指标的分析对机房冷损耗也会及时发现，并且做相应的调整。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是数据中心热环境实时在线评价及评估手段及方法问题，解决原有手段及方法简单粗糙的问题，可对热环境进行精细化精准在线实时评估。

本发明基于以下技术手段解决上述问题的：一种数据中心热工环境的评价方法，其所述方法包括：

步骤1：在数据中心的机柜进风口或出风口布设光纤温度传感器，获取相应的测点温度；

步骤2：根据热工环境评价指标计算需要获取数据中心的机柜空调系统的送风温度、回风温度；

步骤3：设置数据中心机架的最高允许温度、最高推荐温度、最低推荐温度、最低允许温度；

步骤4：利用上述温度计算得到数据中心热工环境的评价指标：机架冷却指数(RCI)、回风温度指数(RTI)、供热指数(SHI)、回热指数(RHI)中至少一项指标；

步骤5：根据上述的热工环境评价指标，制定冷却方案，优化冷却效率。

优选地，利用实际测得的最高架入口温度为被控变量以设定的最高推荐温度为期望值进行机柜空调系统的送风温度的PID闭环控制以在保障安全的条件下实现数据中心节能。

优选地，光纤温度传感器为基于光纤光栅阵列技术的光纤光栅温度传感阵列，温度传感器之间间距可调整。

优选地，机架冷却指数(RCI)利用公式(1)、公式(2)计算得到，

所述的步骤4所述的回风温度指数(RTI)利用公式(3)计算得到，

所述的步骤4所述的供热指数(SHI)利用公式(4)计算得到，

所述的步骤4所述的回热指数(RHI)利用公式(5)计算得到，

优选地，获取送风温度、回风温度的方法，通过光纤光栅传感器测量并获取或从空调设备直接获取。

一种数据中心热工环境评价的装置，其特征在于，所述的装置包括：

光纤温度传感器用于在测量机柜进风口、出风口、空调送风口、回风口至少一处进行温度测量；

光纤温度传感器解调模块用于将光纤温度传感器的光学信号转换为温度信号；

数据处理模块用所获取的温度计算出RCI、RTI、SHI、RHI至少一种指标数据，用于制定冷却方案，优化冷却效率。

优选地，采用光纤光栅阵列作为光纤温度传感器的敏感单元。

优选地，光纤光栅阵列采用缆式结构用于保护光纤光栅阵列，并易于现场安装；光纤光栅阵列的感温单元布设在机架(机柜)的正面和背面门内的左右两侧；左右两侧感温单元分别从下到上排列2至4支用于获取不同高度的温度数据，间距根据支数不同进行调整定制。

优选地，光纤光栅传感器的光学信号到温度信号的转换采用扫描光源技术和体光栅技术之一来实现。

优选地，利用RCI、RTI、SHI、RHI指标计算方法，利用解调模块获取的温度数据，计算出RCI、RTI、SHI、RHI指标；通过显示装置将RCI、RTI、SHI、RHI指标展示出来，并将温度数据展示出；利用RCI、RTI、SHI、RHI温度数据中的一种或多种数据组合来对数据中心的热工环境进行分析和优化治理。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种数据中心热工环境的评价方法的流程示意图；

图2为一种数据中心热工环境评价的装置的结构框图。

其中，数据处理模块1、光纤温度传感解调模块2、服务器机柜进风口光纤光栅温度传感器3、服务器机柜出风口光纤光栅温度传感器4、空调送风口光纤光栅温度传感器5、空调回风口光纤光栅温度传感器6。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下将结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有说明书特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

请参阅图2，本发明实施例中，一种数据中心热工环境评价的装置，包括数据处理模块1、光纤温度传感器解调模块2、服务器机柜进风口光纤光栅温度传感器3、服务器机柜出风口光纤光栅温度传感器4、空调送风口光纤光栅温度传感器5、空调回风口光纤光栅温度传感器6，多个所述光纤光栅温度传感器(3、4、5、6)分别安装在服务器机柜进风口、出风口、空调送风口、回风口内，也可安装于蓄电池间、桥架、中心配电柜等需要监测温度的设备内，所述光纤温度传感器解调模块2与光纤光栅温度传感器(3、4、5、6)光学连接，所述数据处理模块1与光纤温度传感器解调模块2通讯连接。

本方法通过光纤测温系统及空调温度监测系统实时获取各机柜(机架)的多点进风、出风温度数据，空调的送风及回风温度数据，结合各种热指标的计算模型，实时计算出RCI、RTI、SHI、RHI指标，通过指标评估数据中心整体和局部的制冷效果、热流异常、制冷损失以及冷利用率的情况，从而对评估方及维护方提供数据支撑。

进一步地，所述步骤一(图1、S101)包括：利用光纤光栅温度传感器(3、4)获取各机柜(机架)进风及出风的温度数据，利用光纤光栅温度传感器(5、6)或者电子类传感器获取空调送风及回风的温度数据。

进一步地，所述步骤二(图1、S102)包括：光纤传感器采用光纤光栅温度传感器(3、4、5、6)至少一作为温度探测单元，光纤光栅温度传感器(3、4)的间隔可根据机柜(机架)的进风和出风进行间距调整，光纤光栅温度传感器(3、4、5、6)采用光栅阵列缆式封装结构可方便施工及敷设。

进一步地，所述步骤三(图1、S103)包括：

利用公式

利用公式n×(t

利用公式

利用公式

利用公式n×(t

利用公式

利用公式

利用公式

利用公式

利用公式

利用公式

进一步地，所述步骤四(图1、S104)包括：

利用光纤光栅阵列传感器获取各机柜(机架)的进风及出风温度数据，光纤光栅阵列间距可定制，每个机柜(机架)，正面和背面布设2～6支光纤光栅用于测量温度。空调送风和回风温度可通过光纤温度传感器获取，但不限定于光纤温度传感器，还可通过电子类温度传感器获取。

进一步地，所述步骤五(图1、S105)包括：

利用光纤温度传感器及空调温度传感器获取的温度数据计算出RCI、RTI、SHI、RHI指标用于评估数据中心整体或局部区域的过冷、过热、气流短路、旁路、冷损失、冷效率等能量特征，用于指导数据中心进行评估和维护。通过各机柜(机架)的温度数据可对机柜(机架)的温度异常进行监测，并提供警告信息，用于判断是否局部出现服务器过载问题。

光纤光栅温度传感器(3、4、5、6)采用光纤光栅作为感温原件，光纤光栅采用光纤光栅阵列，光纤光栅阵列进行缆式封装，增加抗拉强度，采用透明材料，使光纤光栅标记可见，可识别光纤光栅的位置，光纤光栅温度传感器(3、4)铺设位置指定在机柜(机架)的进风口和出风口，在机柜的前后立柱上敷设，每个立柱从上至下敷设2～4个点位。光栅间距根据柜内温度敏感区域调整。

光纤温度传感器解调模块2，采用两种技术之一，一种为体光栅技术，将宽带光导入到光环形器(光耦合器)后一路出光到光开关，光开关的输出接光纤光栅传感器阵列，光纤光栅传感器阵列将温度对应的特定波长的光信号反射回光开关，并且通过光环形器(光耦合器)第三口出射到体光栅模块，将光信号按照不同波长分开并通过CCD阵列进行光电转换，对转换后的光谱信息进行计算获取每只光纤光栅传感器的波长信息，并通过温度对应关系转换为温度信息。

光纤温度传感器解调模块2采用的另一种技术为扫描激光光源技术，将扫描光源的光输出到光分路器，通过光分路器的输出端传出到光纤光栅传感器阵列，光纤光栅传感器阵列将温度对应的特定波长的光信号反射回光分路器，并且通过光分路器的反射端，将光信号传输到PIN(光电转换器件)管，对转换后的原始信息进行计算获取每只光纤光栅传感器的波长信息，并通过温度对应关系转换为温度信息。

数据处理模块1获取解调模块以及空调温度监测系统的温度(波长)数据，获取的波长数据用于计算出温度，温度数据可直接利用RCI、RTI、SHI、RHI指标的计算模型，计算出相应的指标，根据设置的阈值进行事件的识别。并将温度及指标数据、事件信息发送到显示模块显示。同时提供数据服务功能，提供远程数据。指标数据用于数据中心分析机柜、冷热通道的热效率、气流短路、热损耗(冷损耗)、热回流现象，并可通过温度数据辅助分析。对识别出来的异常或者低效问题进行优化、治理，合理布局气流组织。

为使光纤光栅阵列具有一定的抗拉、抗压、抗弯强度，所述光纤光栅温度传感器(3、4、5、6)被封装在透明塑料套管内，并加筋增加强度，透明套管可让光栅被视觉识别。

作为本发明进一步的方案，所述光纤光栅温度传感器(3、4、5、6)的温度测点数和相邻距离可以根据机柜温度监测的具体要求调整，典型方案为：

在每个机柜的前面板(即进风口)左右两侧的高度在1.4-1.6m之间的位置分别布设1个温度监测点，共2个温度监测点；而在后面板(即出风口)左右联测的上中下三个位置(下部监测点位在7U-8U之间；中部点位在21U-22U之间；上部点位在35U-36U之间)，分别布设1个温度监测点，共6个温度监测点。

光纤光栅温度传感器(3、4、5、6)属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器，其可以实现对温度、应变等物理量的直接测量，通过采用光纤光栅温度传感器(3、4、5、6)进行温度监测，具有安全性高，现场无需供电，不受电磁干扰、雷击及核辐射的影响，能够在易燃、易爆、高雷击、高电磁干扰等恶劣环境中使用的优势，本实施例中，光纤光栅温度传感器(3、4、5、6)采用透明材料及钢绞线封装的光纤光栅温度传感阵列，光栅单元之间没有熔接点，标配24只光纤光栅。

所述光纤光栅温度传感器(3、4、5、6)上设置有若干个温度监测点，且每两个相邻的温度监测点的间距为0.01-10m，本实施例中，光纤光栅温度传感器(3、4、5、6)上的温度监测点数量优选为20-40个。

所述光纤光栅温度传感器(3、4、5、6)为透明料封装，并且有加强筋增加抗拉强度，采用光纤光栅阵列作为核心敏感单元。

所述光纤光栅温度传感器(3、4、5、6)固定在对应的服务器机柜进风口、出风口、空调送风口、回风口，也可布置在蓄电池间、桥架、中心配电柜等需要测温的装置内，所述温度监测点通过轧带附在对应的测温区域内，具体的光纤光栅温度传感器3上的温度监测点优先安装于服务器机柜的进风口、出风口、各个服务器主机的壳体上。

本发明的工作原理是：

(1)将光纤光栅温度传感器(3、4)安装在数据中心的服务器机柜内部，用于测量各个服务器机柜的温度信息；光纤光栅温度传感器(5、6)安装于空调送风和回风位置，用于测量送风和回风温度；光纤光栅温度传感器也可安装在蓄电池间内，以利用不同的温度监测点对各个蓄电池的温度进行测量；光纤光栅温度传感器也可安装安装于桥架内，用于对电缆桥架及光纤桥架内的电缆温度及光纤温度进行测量；光纤光栅温度传感器也可安装于中心配电柜内，以对各个中心配电柜的稳定进行测量；

(2)光纤温度传感器解调模块2通过测量各个光纤光栅温度传感器(3、4、5、6)的各个温度监测点的波长信息，进而解调出各个监测点的温度信息；

(3)将实测的温度数据通过数据处理模块1进行数据处理、指标计算、分析、显示和存储等工作，并提供数据服务功能；

(4)将温度信息和指标信息展示出来，并可通过服务远程传输，用于指导数据中心对热效率、气流短路、冷损失、回流现象进行建模分析，从而对数据中心气流组织进行治理和优化，温度信息可以辅助分析以上指标和现象；

本发明和已有技术相比，其效果是积极和明显的，主要体现在以下几个方面：

1)采用光纤光栅阵列作为温度敏感元件，其温度探头具有无电信号的特点，该传感器具有本质安全、不受电磁干扰、测温精度高、可靠性高等诸多优点，非常适合于数据中心的温度监测领域；

2)所述光纤光栅温度传感阵列的温度测点数和相邻距离可以根据机柜温度监测的具体要求调整，可以完成对数据中心机柜的进风口、出风口以及重要节点位置的精细化温度测量，可以为数据中心的精细化温控提供数据支撑；

3)所述光纤光栅温度传感阵列的测点数量多、测温精度高、定位准确，可以更加精确的测量出机柜不同位置上的温度，更易于捕捉数据中心的“热点”现象；

4)所述光纤光栅温度传感阵列还可以安装在数据中心的电池室、UPS配电室进行温度监测，为数据中心的用电安全提供保障；

5)所述的数据中心热工环境评价的装置及热工环境评价方法可对数据中心的气流组织和冷效率、气流异常的进行评估并指导维护；

6)所述数据中心热工环境评价的装置和热环境评价方法同光纤光栅阵列技术，电子类温度传感器技术的结合可为数据中心的热环境提供精细化的评估。

本发明通过采用光纤光栅温度传感阵列(3、4、5、6)对数据中心的温度进行监测，具有测温精度高、定位精度高、响应速度快、布设简单、无需光纤接续等诸多优点。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。