数据中心分布式环境测温与能耗管理

 

1. 产品背景

数据中心永恒不变的话题是冷却和节能，电力消耗主要来源于这两个方面：硬件，包括服务器、存储、网络等IT系统以及冷却系统。越大越热的设备需要更多的电力来冷却、排出热空气并保持适宜温度。据统计，数据中心40%的电力消耗用于降温系统。冷却的方式有很多种，比如服务器散热采用水冷机架、行冷却单元等，但这些方法并不常用。

传统做法是采用固定在房间墙壁或屋顶上的空调机组，通过专用的导管或活动地板不断的向房间输送冷空气，并将热空气从房间排除，让数据中心内保持20摄氏度。但是，20摄氏度真的是一个合理的温度吗？

如果看看那些服务器和网络设备的说明书，会发现大多数的运行温度是不超过70~75摄氏度，这离20摄氏度还很远。如果数据中心运行在20摄氏度，突然出现了冷却问题导致数据中心温度上升，其实还需要很长一段时间才能达到临界点。在一个大型的房间中，虽然一套庞大的制冷系统能够在几分钟内将房间温度调节到正常的运营温度，但需要耗费很多电力。根据数据中心硬件的耐热上限，适当调高数据中心温度是个不错的节能方法。

在传统的温度监测手段中，缺乏对数据中心内微环境的数据采集，不能够对精细化的环境数据实时分析从而控制局部环境，采取节能措施时由于数据支撑不足，也无法完成全面的量化评估。

分布式光纤测温能提供全线实时在线监测温度，提供一个全方位的温度分布数据为运行人员全面了解设备的运行状况提供可靠依据；同时，分布式光纤测温系统可与动环系统相结合对制冷设备联动达到节能的能力。

 

2. 产品介绍

       2.1. 工作原理

光纤既是传输介质，又是传感器。高速驱动电路驱动激光器发出一窄脉宽激光脉冲，激光脉冲经波分复用器后沿传感光纤向前传输，激光脉冲与光纤分子相互作用，产生多种微弱的背向散射，包括瑞利（Rayleigh）散射、布里渊（Brillouin）散射和拉曼（Raman）散射等，其中拉曼散射是由于光纤分子的热振动，产生温度不敏感的斯托克斯（Stokes）光和温度敏感的反斯托克斯（Anti-Stokes）光，两者的波长不一样，经波分复用器分离后由高灵敏的探测器所探测。光纤中的Anti-Stokes光强受外界温度调制，Anti-Stokes与Stokes的光强比值准确反映了温度信息；不同位置的拉曼散射信号返回探测器的时间是不一样的，通过测量该回波时间即可确定散射信号所对应的光纤位置；结合高速信号采集与数据处理技术，可准确、快速地获得整根传输光纤上任一点的温度分布信息。

分布式光纤测温系统可同时实现温度测量和空间定位功能，其中温度测量利用光纤自发拉曼（Raman）散射效应，空间定位利用光时域反射（OTDR）技术。

2.2. 系统构成方案

分布式光纤测温系统是国际先进的线型温度探测器，集光、电、机械、计算机和微弱信号检测等高新技术为一体，可实现大范围空间温度分布式实时测量，具有测量距离长、无测量盲区、实时监测、可精确定位等优点，在交通隧道、地铁、电力、石化、水利等领域均有广泛应用。

光纤温度监测系统构成如下：

本系统主要用于数据中心设备和室内环境温度监测，采用一套分布式感温光纤测温系统，主机可通过感温光缆监控设备温度及室内环境温度；将所得数据进行建模，模拟机房内热量分布；可以通过以太网和监控中心的动环控制主机连接，控制机房内制冷系统功能。

 2.3 产品功能

光纤温度监测系统能提供大量在线监测数据，为运行人员全面了解机房设备的使用情况提供可靠依据。同时分别针对空间内不同区域的温度进行监测，记录空间的热量分布，对局部热点进行集中降温处理，同时指导空调系统进行降温或者节能。

1）系统实时对整个数据中心监控区域进行温度自动巡检，监测设备、环境的实时温度，100%覆盖监测区域，无测量盲区。

2）系统具有多级定位报警、差温报警和预报警功能，一旦检测到温度值或温升速率超过设定的阈值，自动给发出报警信息。

3）系统具有自诊断功能，如果探测光缆受损，系统可及时定位故障点。

4）实时温度信息和报警信息可自动保持，具有历史数据查阅与统计分析功能。

5）可建模生成区域3D热力分布图，对机房环境有直观了解。

 

3. 产品特点

       3.1. 分布式实时监测，100%全覆盖，无测量盲区

    连续的温度检测，真正的分布式测量，可以得到感温光纤沿线的温度分布，直观显示被测点的具体位置；

      3.2. 光信号测量，抗电磁干扰，安全性高，本征安全

    光纤既是传输媒介又是感温媒介，具有不带电、抗射频和电磁干扰，防燃、防爆、耐高压、耐电离辐射等特征；

      3.3. 测量距离长(20km)，测量精度高(±0.5℃)

    单根多模光纤最大支持10km，双通道可支持单条路径最大长度20km，可覆盖多个区域；

      3.4. 全年无休不间断监测，快速响应，防范人为疏忽导致的事故

    全天候全天时在线监测，实时数据采集与显示，确保测量的及时性和有效性，快速定位故障点；

      3.5 预警配置灵活，可按需设计，不同区域可设置不同阈值

    多级超温，温度变化速率报警，可根据需要调整过冷、过热、温度变化速率报警阈值；

      3.6 远程监控，快捷组网，施工简单

    测温主机可放置在远端实施远程监控，在现场只需铺设感温光纤或光缆；

      3.7 丰富的通信接口(USB, RS232, 以太网)，方便信息共享

    具有以太网接口，方便接入各类网络系统，实现实时数据与信息共享；

      3.8 工作寿命长，后期维护成本低

光纤材料一般均为石英玻璃，具有耐腐蚀、耐水及寿命长等特点，若对感温光纤采用聚合物涂覆，耐高温可提升至400℃以上；

      3.9 故障自我诊断能力

具有自诊断功能，可瞬时判定感温光纤或光缆故障，并进行定位；

      3.10 可追朔的数据

    历史数据保存与查询显示，有利于经验的积累和为故障趋势分析提供依据。

 

4. 解决方案

分布式光纤测温系统是 IDC 数据中心环境监控系统的一个子系统。实测温度数据传输层主要指将现场采集层的数据通过数据转换，经由 TCP/IP 及网络设备上传。结合数据中心环境的 3D分布，显示在监控界面，工作人员可以自动或者手动进行各种联动控制和调整。数据中心温度监控系统具有开放的通讯接口，可以通过多种数据接口与监控中心综合平台进行数据传输和集成。

      4.1 感温光纤固定

感温探测光缆采用“几”字形分别覆盖敷设至机柜顶端及单列机柜两端用于监测机柜实时温度；机柜表面采用扎带固定或者强磁压片吸附在机柜表面将光缆固定于机柜上。

      4.2 数据中心热力分布示意图

结合数据中心 3D 建模和计算流体力学(CFD)模拟技术，可以生成一套实时连续的机柜温度分布的 3D 视图。根据数据中心 3D视图及每个机柜的温度分布情况，可对空调系统进行反馈控制和高效率精确送风，从而消除局部温度过高或过低的状况。实现数据中心局部过热点的精确定位与快速降温，通过空调系统的精准调控进而大幅降低能耗，节省电费开支。

系统的进一步优化可以监测到整个数据中心的立体的温度分布，使管理者对数据中心的温度的整体情况一目了然，对出现局部温度过高的问题做到快速响应，采取措施消除风险。

5. 总结

   数据中心分布式环境测温系统以光纤测温技术为基础，以精细化监测与管理为着眼点，通过实时采集数据中心的温度信息，结合改良型的CFD算法，3D图形化再现数据中心机房环境分布、机柜微环境分布、动力线路，发现机房过热或者过冷区域，通过调整智能化动态调整，寻找有效气流组织、送回风温度、冷源温度与开度设置的方案，消除局部过热及过冷现象，以期达到消除安全隐患、发掘节能潜力的目的，为建设绿色数据中心提供一种完全不同于传统供电安全、能耗管理和节能减排的整体解决方案。