基于服务器热湿环境形成机理的数据中心能耗特性研究

It is significant foundation to study the integrated energy performance in data centers for energy saving and reducing CO2 emission. Both IT equipment and air-conditioning system, which are the two major parts of energy consumers in data centers, are connected closely with the thermal and humid environment in servers. The relevant scientific theories and methods included in thermal physics, built environment and information technology will be applied in this research. The characteristics of IT equipment power varying with environment and workload will be investigated and the quantitative relationship among them will be found. According to server assemblies and operation situations, the energy model of servers will be put forward, the thermal and humid environment of servers will be described dynamically based on the essence of heat transfer and air flow. With the air environment requirements and the temperature prediction of servers, the cooling load will be studied. Exploring the coupled relations among IT equipment power, the thermal and humid environment in servers and air conditioning energy consumption, so that the overall model of energy consumption in data centers will be developed. The energy performance of data centers will be quantified and the evaluation method of energy efficiency of data centers will be presented. The research aims at the basic problem of energy performance analysis, to provide theoretical supports for optimizing energy management and constructing green data centers, and establish scientific basis for revising the existing design code and proposing the energy efficiency standard of data centers.

数据中心整体能耗特性规律的研究是实现节能减排的理论基础。作为数据中心能耗构成的最主要两个部分，IT设备和空调系统，都与动态变化的服务器热湿环境紧密相关。本项目将利用热物理、人工环境、信息技术等多学科的专业知识和研究方法，研究IT设备功耗随空气环境参数和负载率的变化规律，并掌握其定量关系。按照服务器的配置和应用情形，建立服务器能耗模型。以服务器内的传热和气流理论为基础，动态描述服务器热湿环境的形成过程。根据数据中心室内环境控制要求，结合服务器的温度预测，建立动态空调负荷模型。基于相互关联耦合的服务器节点功耗模型、服务器空气环境的热湿交换模型、空调能耗模型，建立并验证完整的数据中心能耗模型，分析多参数影响条件下的能耗变化特性，研究并提出综合能效评价方法。本项目旨在解决数据中心能源性能分析的根本问题，为数据中心的能源优化管理和绿色数据中心的发展建设奠定基础，也为相应的设计规范和节能标准提供依据。

数据中心既有巨大的节能潜力又有建筑环境的特殊要求，其整体能耗特性规律的研究是环境调控和节能减排的理论基础。作为数据中心能耗构成的最主要两个部分，IT设备和空调系统，都与动态变化的服务器热湿环境紧密相关。.本项目统计分析了641个服务器样本的型号、配置、功耗等特性，掌握了服务器功耗及性能的发展变化。针对某数据中心机柜PDU的大量运行数据分析，获得了数据中心功率的动态变化规律。搭建了服务器功耗与散热实验台，设计了176个工况，实测研究了多因素协同作用对IT设备运行功耗的影响。分析了IT设备功耗与服务器运行状态、CPU负载、进风温度等相关参数的定量关系，建立了服务器功耗模型。根据IT设备的功耗变化和产热特性，结合服务器的传热和气流分析，研究了服务器、机柜、房间热湿环境的动态变化和空间分布。搭建了数据中心机柜热环境实验台，研究了不同场景下机柜的速度场、压力场和温度场，分析了相互之间的作用特性，得到了服务器出风温度预测模型，建立了服务器风扇转速与空调运行参数之间的耦合关系，提出了服务器风扇与精密空调送风的协同优化控制策略。研究了空调系统和IT设备之间风量的供需平衡关系，提出了合理考虑泄漏和旁通气流以确定精密空调送风量的方法。基于服务器功耗特性，研究了空调系统、电力系统等相互关联耦合的各用能末端能耗变化规律，得到了数据中心整体能耗模型，并构建了能耗监测框架。探讨了以辅助系统单位能耗产生的数据中心算力为依据的评价方法，分析了多参数影响条件下的能耗变化特性，提出了综合能效的提升路径。.本项目研究一方面为数据中心的精细化热环境管理和用能管理提供直接的理论基础，另一方面也为数据中心能耗的宏观预测和相关标准的制定提供准确依据。从而指导数据中心的能源优化管理和绿色数据中心的发展建设。