一种机柜智能气流优化系统及基于该系统的数据中心的制作方法

本发明实施例涉及计算机领域，尤其涉及机柜智能气流优化系统一种机柜智能气流优化系统及基于该系统的数据中心。

背景技术：

随着计算机技术的飞速发展以及大型的云计算数据中心的建立，电子设备的集中程度也变得越来越高，服务器等电子设备通常被直接设置在服务器机柜内。

通常情况下，一个服务器机柜中设置有10至15台服务器，这些服务器在运行过程中会产生大量的热量，如果不能及时有效地进行降温，由于热量累积，很容易导致服务器过热而死机，从而导致网络系统运行异常。目前，数据中心的服务器机柜通常采用冷通道方式进行冷却，即服务器机柜以面对面或背对背的方式排列形成的通道，在两组机柜间建立密封制冷空间，利用两组服务器机柜间的空调向下送风，使两组服务器机柜之间构成冷通道，确保冷风必须穿过这两组服务器机柜并为服务器散热后实现回风。此方式以两个整列服务器机柜为一个控制单元，控制复杂度较高，不能精确的监控每个服务器机柜是否出现过热点，且不能解决根据服务器在负荷峰值或负荷谷值的不同发热量确定排风量，导致空调能耗增加的问题。

目前，还采用漫灌方式对服务器机柜进行冷却，即将液态冷媒输送至每个服务器机柜，与服务器机柜内的电子设备高强度地换热。这里的液态冷媒包括了水或氟利昂等。此方式虽然可以实现对单个服务器机柜内的电子设备进行冷却处理，但存在液体泄漏的风险。

技术实现要素：

本发明提供机柜智能气流优化系统一种机柜智能气流优化系统及基于该系统的数据中心，以实现自动调节排风量，消除过热点，降低空调的能耗，提高了服务器机柜的功率密度。

第一方面，本发明实施例提供了机柜智能气流优化系统一种机柜智能气流优化系统，包括：压力传感器、温度传感器、排风装置和控制器；

所述压力传感器，用于检测服务器机柜内的气压；

所述温度传感器，用于检测服务器机柜的出风温度；

所述控制器分别与所述压力传感器和所述温度传感器电连接，用于采集由所述压力传感器检测到的服务器机柜内的气压和所述温度传感器检测到的出风温度；按照设定的模式，根据所述气压和/或出风温度调节排风装置的排风量；其中，设定的模式包括压力控制模式、温度控制模式和综合控制模式；

所述排风装置与所述控制器电连接，用于在所述控制器的控制下运行，以将服务器机柜内的携带热量的热风通过与设定的模式对应的排风量，定量排出至热风通道。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于机柜智能气流优化数据中心，该数据中心包括如上述第一方面所述的机柜智能气流优化系统。

本发明实施例，通过采集各个服务器机柜内的气压和服务器的出风温度，根据设定的工作模式，通过气压和/或出风温度调节排风装置的排风量，满足服务器在负荷峰值或负荷谷值处的不同发热量的冷却需求，消除了过热点，解决了目前数据中心的机柜冷却系统控制复杂、能耗较高的问题，达到了降低能耗，提高服务器机柜的功率密度的效果。

附图说明

图1是本发明实施例一中提供的机柜智能气流优化系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一中提供的机柜智能气流优化系统中风压控制模式下风机调控示意图；

图3是本发明实施例一中提供的机柜智能气流优化系统中温度控制模式下风机调控示意图；

图4是本发明实施例二中提供的机柜智能气流优化系统的一个示例的结构示意图；

图5是本发明实施例二中提供的机柜智能气流优化系统、服务器机柜与空调的连接结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1示出了本发明实施例一中的机柜智能气流优化系统的结构示意图。如图1所示，该系统具体包括：压力传感器110、温度传感器120、排风装置140和控制器130。

压力传感器110用于检测服务器机柜内的气压。压力传感器110设置于服务器机柜内，可以是空气压力传感器。通过空气压力传感器检测服务器机柜内的空气压力后，转化为电信号，通过模数转换电路采样后输出至控制器130。

温度传感器120用于检测服务器机柜的出风温度。温度传感器120设置于服务器机柜中风机的位置附近，用于检测服务器吹出的热风的平均温度。可选的，温度传感器120可以是热敏式温度传感器。通过热敏式温度传感器检测服务器的出风温度后，转换为电信号，通过模数转换电路采样后输出至控制器130。

控制器130分别与压力传感器110和温度传感器120电连接，用于采集所述压力传感器110检测到的气压和所述温度传感器120检测到的出风温度；根据设定的工作模式，通过所述气压和/或出风温度调节排风装置140的排风量。控制器130包括比例-积分-微分控制器(PID控制器)。

其中，设定的模式可以包括风压控制模式、温度控制模式和综合控制模式。系统处于何种模式可以由预设规则确定，以实现机柜智能气流优化系统通过自适应的调整工作模式，自适应的调节排风量；还可以由用户指定系统处于何种模式，满足用户的个性化要求。由于机柜智能气流优化系统实现了自适应的调节排风量的功能，避免不能根据服务器在负荷峰值和负荷低谷时不同发热量而调整排风量的问题，满足在不同发热状况下调节风机的转速实现不同的排风量，提高冷却效率，进一步提高了服务器机柜的功率密度，消除过热点，减小了系统的能耗。示例性的，若用户选择综合控制模式，则在综合控制模式下，将所采集的出风温度与设定的安全温度阈值进行比较。在所述出风温度小于所述安全温度阈值时，根据设定的压力控制模式调节排风装置的排风量。在所述出风温度超过所述安全温度阈值时，根据设定的温度控制模式调节排风装置的排风量。

所述排风装置140与所述控制器130电连接，用于在所述控制器130的控制下运行，以将服务器机柜内的热风输出至热风通道150。示例性的，热风通道150包括设置于服务器机柜上的出风口、垂直风道和水平风道；所述垂直风道与所述出风口连接，用于传输由所述排风装置排出的热风至水平风道；所述水平风道与空调的回风口连接，用于将所排出的热风传输至所述空调，实现服务器机柜内的热量直接回馈空调160的目的，热气不与冷气混合，进入服务器机柜的冷气为恒温冷气，提高了冷却效率。

示例性的，所述排风装置140包括至少两台风机；所述风机为采用无刷直流电机驱动的离心风机。其中，采用两套相互独立的系统控制风机的运转。上述两个风机的冗余设计方式，避免其中一个风机故障而影响系统的工作。其中，风机为采用无刷直流电机驱动的离心风机(EC风机)。并且，所述风机对应的连接组件具有带电插拔功能，可以是抽屉式可热插拔风机。

在所述服务器机柜的前柜门上开有通孔，所述通孔为冷风流入所述服务器机柜的入口，以通过机房内冷风道、所述通孔和服务器机柜中服务器入风口构成所述冷风通道。

该系统的工作过程为：室内的冷风经由服务器机柜的前柜门上的通孔,通过服务器内置冷却风机作用进入服务器，将服务器内部的热量带至服务器机柜后部，然后由排风装置将热量传输至热风通道排出，或回馈至空调的回风口。

图2示出了本发明实施例一中机柜智能气流优化系统中风压控制模式下风机调控示意图。如图2所示，在风压控制模式下，确定所采集的气压P_机柜与机房内气压P_机房的压力差e(P)。计算所述压力差e(P)与压力参考值P_ref(p)的偏差，将所述偏差作为压力参考给定量输入至风机调速系统的压力调节器。其中，压力参考值P_ref(p)可以是用户通过键盘或触摸屏手动输入的。所述压力调节器根据所述压力参考给定量，采用比例积分微分控制算法计算出风机转速的控制量u₁。将控制量u₁输出至脉冲发生器，以调节脉冲发生器输出的驱动信号的占空比。通过脉冲发生器对风机的转速进行调节，以控制风机的排风量，使所述服务器机柜内的气压与外界大气压平衡，以在满足冷却要求的同时，使系统的耗能最小。上述示例仅为本实施例一个较佳的方案，还可以是采用风压控制模式调控风机的转速，使服务器机柜内的气压不等于外界大气压，诸如，可以使服务器机柜内气压大于外界大气压，使外界冷气源源不断的进入服务器机柜内部，风机快速运转将热交换后的热空气排入热风管道，从而实现为服务器机柜内的电子设备降温的目的。但是，此种方式要求风机以较高的转速运行，耗能较高。

图3示出了本发明实施例一中机柜智能气流优化系统中温度控制模式下风机调控示意图。如图3所示，在温度控制模式下，计算所采集的出风温度T_出风与温度参考值T_ref(t)的偏差，将所述偏差作为温度参考给定量输入至风机调速系统的温度调节器。其中，温度参考值T_ref(t)可以是用户通过键盘或触摸屏手动输入的。温度调节器根据所述温度参考给定量，采用比例积分微分控制算法计算出风机转速的控制量u₂。将控制量u₂输出至脉冲发生器，以调节脉冲发生器输出的驱动信号的占空比。通过脉冲发生器对风机的转速进行调节，以控制风机的排风量，使所述服务器机柜的出风温度满足设定条件(例如，使服务器机柜的出风温度低于设定参考值)。

在工作模式为综合控制模式下，将所采集的出风温度与设定的安全温度阈值进行比较。

在所述出风温度小于所述安全温度阈值时，如图2所示，根据设定的压力控制模式调节排风装置的排风量。

在所述出风温度超过所述安全温度阈值时，如图3所示，根据设定的温度控制模式调节排风装置的排风量。

本实施例的技术方案，通过采集各个服务器机柜内的气压和服务器的出风温度，根据设定的工作模式，通过气压和/或出风温度调节排风装置140的排风量，满足服务器在负荷峰值或负荷谷值处的不同发热量的冷却需求，消除了过热点，解决了目前数据中心的机柜系统控制复杂、能耗较高的问题，达到了降低能耗，提高了服务器机柜的功率密度的效果。

该服务器机柜的内部为密封空间，所述服务器机柜的前柜门上开有通孔，所述通孔为冷风流入所述服务器机柜的通道，顶部或背部上设有与所述热风通道连通的出风孔，在所述出风孔处设有所述排风装置140。示例的，服务器机柜的顶部设有出风孔，热风通道与出风孔连接，通过在出风孔处安装的排风装置140将热气排入热风通道，且出风孔与热风通道的连接处作密封处理，避免因热风泄露，而影响冷风的温度。服务器机柜的前柜门设计为网孔门，便于冷气从该网孔门进入服务器机柜。对服务器机柜的左右两侧的侧部、背部、底部及服务器机柜内的开口部分进行密封。冷风从服务器机柜的前柜门进入服务器机柜内部，冷门与服务器机柜内部发热的电子设备进行热交换后，向服务器机柜后部排出带走热量。通过设置于顶部的排风装置140抽出携带热量的风，并通过出气孔输出至热风通道150，通过热风通道150将热量排出机房或送回空调160。上述设计实现服务器机柜内的热气的密封，达到服务器机柜级的热气与冷气完全隔离的目的，提高冷却效率，达到了节能的效果。

在上述技术方案的基础上，机柜智能气流优化系统还包括自动切换开关，与控制器电连接，用于在控制器的控制下接通机房内预设的冗余电源，以在断电的情况下通过所述冗余电源为风机供电。

在上述技术方案的基础上，机柜智能气流优化系统还可以包括报警器170，与所述控制器130电连接，用于根据控制器130发出的报警指令执行报警操作。示例性的，控制器130检测到供电故障或风机故障时，可以发出故障指示灯点亮的报警指令，以控制故障指示灯点亮；还可以是发出蜂鸣器触发的报警指令，以使蜂鸣器报警等方式，提示用户系统发生故障，以待用户排除所发生的故障。

在上述技术方案的基础上，机柜智能气流优化系统还可以包括显示器180，与所述控制器130电连接，用于显示系统的运行状态信息和故障信息。示例性的，控制器130实时检测电源和风机的运行状态，获取正常运行时的运行状态信息和故障时的故障信息，将运行状态信息和故障信息通过异步传输标准接口RS232输出至显示器，以便于用户通过显示器监控系统的运行状态，以及，在发生故障时，及时做出响应。

实施例二

图4示出了本发明实施例二中机柜智能气流优化系统的一个示例的结构示意图。至少一个如本实施例中的系统通过交换机270与远程控制装置280连接，以通过远程控制装置280上配置的监控系统实现对系统的远程监控。其中，远程控制装置280为上位机管理系统，通过上位机管理系统采集、监控和存储机房内本实施例中机柜智能气流优化系统的数据(包括运行信息及故障信息)，及查询历史记录。

如图4所示，机柜智能气流优化系统具体包括：压力传感器210、控制器220、温度传感器230、两台风机240、自动切换开关250、报警器、显示器260以及温湿度传感器290。机房内供电电源采用冗余方式设计，当正常的供电电源断电时该自动切换开关自动切换至机房内的冗余电源UPS供电。

压力传感器210设置于服务器机柜内，用于检测服务器机柜内的空气压力。压力传感器210通过信号线与控制器220连接。压力传感器210还可以通过无线模块将气压信号传输至控制器220。

温度传感器230与风机240对应设置，且设置于风机240附近，用于检测服务器机柜的出风温度。温度传感器230通过信号线与控制器220连接。温度传感器230还可以通过无线模块将温度信号传输至控制器220。

控制器220按照设定的工作模式，通过所述气压和/或出风温度调节风机240的排风量，以通过风机240将携带热量的风输送至热风通道。具体的调控方式与上述实施例相同，此处不再赘述。

两个风机240分别通过信号线与控制器220电连接。风机240与控制器220可以设计在同一个硬件设备中，也可以采用分离式设计。并且，为每个风机240配置一个直流电源，在控制器220中两个风机240的控制也相互独立，实现风机240和电源的冗余设计，确保在有一路风机240断电或一路风机240故障的情况下，系统仍然可以稳定工作，保证系统工作的稳定性及可靠性。默认情况下，可以控制一路风机240处于工作状态。根据实际需要，还可以选择两路风机240均处于工作状态。控制器220实时采集为风机240供电的直流电源的输出参数、风机240的转速、所述气压和所述出风温度，判断是否断电或风机240是否发生故障。

在断电时，输出电源切换信号至自动切换开关250，以使自动切换开关250根据所述电源切换信号，接通机房内预设的冗余电源；

在风机240发生故障时，若为单风机运行状态，则控制故障风机关闭，控制备用风机开启，以及发送报警指令至报警器，实现在一路风机240或供电故障时，系统进行不间断运行。同时，风机240采用抽屉式可热插拔风机，在风机240故障时，无需关闭系统即可实现故障风扇的更换。

若为双风机运行状态，则断开故障风机的电连接，调整处于正常状态地风机的转速，以达到设定的模式对应的排风量，以及发送报警指令至报警器。

报警器与所述控制器220电连接，根据所述报警指令执行报警操作。

另外，在发生供电或风机240故障时，控制器220可以控制由自动模式切换至手动模式，供用户手动控制正常的风机240运转，以保证系统不间断工作。

两个交流电源均输入220V交流电，通过自动切换开关250控制接通的交流电源，再通过整流电路和稳压电路输出稳定的直流电(即对应于交流电A的第一直流电源和对应于交流电B的第二直流电源)，分别为第一风机和第二风机供电。

显示器260与所述控制器220电连接，用于显示系统的运行状态信息和故障信息。显示器260可以是触摸屏。示例性的，获取用户输入的比例积分微分控制算法所需的计算系数，并在显示器260上显示。同时，通过显示器260显示两路风机240的运行参数，即当前运行的风机240的转速以及运行时间的累计数，还显示温度阈值、转速阈值和风压阈值等。其中，风压反应当前服务器机柜内与服务器机柜外的气压差。

控制器220还可以采集设于服务器机柜内的温湿度传感器290检测的服务器机柜内的温度及湿度数据，并在显示器260上显示。

控制器220具有网络接口，通过网络接口向远程控制装置280输出系统的运行状态信息和故障信息。示例的，控制器220的网络接口与交换机270通过通信线缆连接，通过交换机270将运行状态信息和故障信息传输至远程控制装置280。如图4所示，至少一台系统通过通信线缆连接至交换机270。可以采用星型网络拓扑结构，单个交换机270的机柜智能气流优化系统接入量可达到254个，且任何一个系统故障均不会影响其它设备正常运行，具有便于扩展、移动方便、易于维护的优点。

用户通过配置于远程控制装置280上的监控系统对整个数据中心的所有系统的运行状况进行监控及存储，并可以调用历史数据对服务器机柜的运行环境进行分析。其中，监控系统包括：

监控模块，用于获取各个服务器机柜对应的系统当前的运行状态信息，根据用户的实时运行状态查询请求，将对应的当前运行状态信息发送至显示模块。示例性的，用户可以通过点击系统的编号，查看该系统的运行状态。运行状态信息包括通道A(对应于第一风机)和通道B(对应于第二风机)两个通道的温度、风机转速，以及运行时间的累积数等信息。

历史信息存储模块，用于存储系统在设定时间长度内的运行状态信息和故障信息，根据用户的历史信息查询请求，将对应的历史运行状态信息或故障信息发送至显示模块。

示例性的，故障信息包括通道A中第一风机转速低或温度高、通道B中第二风机转速低或温度高，以及风压高等信息。用户通过点击系统编号，可以触发故障信息的显示指令，便于用户根据故障信息判断导致该故障的可能的原因。故障信息还包括故障报警发生的时间，当班人员等信息。

显示模块，用于显示所述当前运行状态信息、历史运行状态信息或故障信息。

登录查询模块，用于存储操作人员的登录信息，根据用户的登录查询请求，将对应的登录信息发送至显示模块。其中，登录信息包括当班人员信息，何时接管及何时离开等信息。

参数设置模块，用于获取用户输入的设置参数，将所述设置参数发送至系统。其中，设置参数包括比例积分微分控制算法所需的计算系数、温度阈值、转速阈值和风压阈值等。

图5示出了本发明实施例二中机柜智能气流优化系统、服务器机柜与空调的连接结构示意图。如图5所示，机柜智能气流优化系统设置于服务器机柜的顶板上，且其排风装置与服务器机柜的出风孔对应。排风装置与热风通道的垂直风道连接，位于同一列的多个服务器机柜采用紧密排列的方式，各个服务器机柜对应的垂直风道连接至一条水平风道，该水平风道的另一端与空调的回风口连接，用于将所述热风传输至所述空调。在上述示例中，出风孔的位置并不限于服务器机柜的顶板，还可以设置于服务器机柜的背板。相应地，设置于出风孔处的排风装置可以设置于服务器机柜的顶板或背板；此外，排风装置还可以通过热气管路与服务器机柜间接安装。服务器机柜中的热气也可以通过水平风道排出至室外。

实施例三

本实施例提供一种基于机柜智能气流优化数据中心，该数据中心包括上述实施例所述的机柜智能气流优化系统，以及，还包括服务器机柜、服务器、冗余的数据通信连接设备、环境控制设备、监控设备以及各种安全装置等，以确保数据中心实现数据信息的传递、加速、展示、计算及存储等功能。示例的，该系统设置于服务器机柜的顶板上，与热气管路连接，通过系统使服务器机柜内电子设备散发的热气通过热气管路输送至空调。由于排出的热风不会和机房内的冷风混合，冷风可以保持在合适的温度，服务器机柜总是能够吸入充足的恒温冷风来满足冷却要求。随着服务器机柜内的热风被密封在热风通道内，在机房内所有的开放空间都成为冷风通道，充满着温度均匀的冷风。空调也可放置在房间的任何位置而不必担心送风的压力衰落。

本实施例的技术方案，通过在各个服务器机柜上设置机柜智能气流优化系统，并将热气封闭在热气管路中的方式，提高了数据中心的冷却效率，增大了各个服务器机柜的功率密度。相比于目前数据中心中服务器机柜通常采用冷通道等方式进行冷却的方案，在冷却效率和服务器机柜功率密度方面有明显的提高。由于冷却效率提高，使空调能耗降低10％-20％，并且使服务器的功率密度由目前的3KW-5KW提高至10KW-20KW。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。