新疆理工學院 莊蕾 馬和平 張俊 要志梅 趙樂

海底數(shù)據(jù)中心是安放在海底密閉壓力容器中，通過海底復合電纜供電并回傳數(shù)據(jù)至互聯(lián)網(wǎng)的大型數(shù)據(jù)處理和計算中心。在不同內外部因素影響下，如何求得集裝箱散熱最優(yōu)的關鍵問題。根據(jù)集裝箱內部空間大小，放置服務器數(shù)量以及外形選材方面對海底環(huán)境因素的相關指標進行綜合分析?；诖耍瑥慕嘀嘏c因素分析模型，借助對流傳熱理論，設計出分配集裝箱外形評估、散熱最優(yōu)決策方案。

在這個數(shù)據(jù)大爆炸的時代，建立數(shù)據(jù)中心顯得尤為重要，其中合適的集裝箱數(shù)量會最大化利用空間，減少維護成本的損耗。此外，響應新時代，在“雙碳”目標要求下，我國綠色發(fā)展方式將加速培育、漸成常態(tài)，生態(tài)文明建設，進入綠色發(fā)展新階段[1]。所以不同的集裝箱外形選材往往也會改變成本、盈利，不同的影響因素會構成不同的決策選擇，最優(yōu)的決策會減少損耗，增加公司收益。

1 集裝箱空間與服務器放置數(shù)量的模型與分析

隨著電子科技的發(fā)展，電子元器件的體積變得越來越小，但功耗和散熱等問題越來越大并成為瓶頸性問題，造成電子元器件本身和使用電子元器件設備的熱流密度不斷增大[2]。

首先，在不考慮服務器的散熱需求，對集裝箱最多可以放多少個服務器進行計算，得到存放最大值。

其次，考察并計算服務器結構的散熱情況，得到1個單位的集裝箱內最大放置服務器的數(shù)量。

將高為44.45mm，寬為482.6mm，長為525mm的IU服務器放入直徑為1m，長為12m，外形為圓柱體的集裝箱可有3種分析，分別為寬和高與圓柱體底面平行，長和高與圓柱體底面平行，長和寬與圓柱體底面平行。以圓柱體的底面為例，如圖1所示。

圖1 圓柱底面分析模型Fig.1 Analysis model of cylinder bottom surface

將數(shù)據(jù)代入公式（1）進行計算：

可得出：

（1）當圓柱底面是長和高時，其中IU服務器長和高分別為525mm、44.45mm，經(jīng)Excel計算可得，其底面的平面最多存放17個IU服務器，在此基礎上，集裝箱可放置454個IU服務器。

（2）當圓柱底面是寬和高時，其中IU服務器寬和高分別為482.6mm、44.45mm，經(jīng)Excel計算可得，其底面的平面最多存放12個IU服務器，在此基礎上，集裝箱可放置222個IU服務器。

（3）當圓柱底面是長和寬時，其中IU服務器長和寬分別為525mm、482.6m，經(jīng)Excel計算可得，其底面的平面最多存放1個IU服務器，在此基礎上，集裝箱可放置269個IU服務器。

綜上所述可以得到，在不考慮IU服務器電子元件的散熱的情況之下，1個集裝箱最多可以放置454個IU服務器，之后再將電子元件的散熱情況放入考慮之中。

在只考慮服務器電子元器件的散熱需求這一個元素時，為了確定估計出單個集裝箱內可以放置多少個IU服務器，建立熱平衡方程模型，對放熱與散熱情況進行評估分析。

假設單個集裝箱內部放置功耗為Pi的n臺IU服務器，定義第i臺IU服務器吸納的冷風溫度為：，吸熱為，呼出的熱風的溫度為：，放熱為。

接著，運用熱力學定律和能量守恒定律可以建議的IU服務器的熱平衡方程模型如式（2）所示：

但由于服務器吸入的冷水中會混有少量的循環(huán)熱水，散熱運用齊德-泰勒公式計算吸收的熱量，如式（3）所示：

借助Excel等軟件計算出長方體型的集裝箱的散熱翅片可以吸收的熱量為1725.12J，如式（4）、式（5）所示。

由于單個服務器的產(chǎn)熱為500W，且要使服務器能夠正常工作，那么數(shù)據(jù)中心所在集裝箱的溫度就不能超過80℃[3]。假設將IU服務器所消耗的功率全部轉化為熱能，所以要得到IU服務器的表面和冷卻水之間的換熱情況，需用穩(wěn)態(tài)換熱流方程模型即可表述公式如式（6）所示：

利用公式（6）所建立的穩(wěn)態(tài)換熱方程模型，即可得到IU服務器表面溫度的向量形式如式（7）所示：

再將服務器入口以溫度向量形式“代入”IU服務器表面溫度的向量形式后，可得到IU服務器表面溫度表示如式（8）所示：

可以得出：1個集裝箱內部最多可以安放的IU服務器數(shù)量為230個。

2 集裝箱外形選材多目標決策分析模型的建立與分析

集裝箱設計分析流程模型，如圖2所示。

圖2 集裝箱設計分析流程模型Fig.2 Flow model of container design analysis

集裝箱式儲能系統(tǒng)具有高集成性的特點，也對系統(tǒng)的散熱能力提出了更高的要求[3]。

假設為圓柱型集裝箱其直徑為1m，高度為12m；若長方體集裝箱則寬度為1m，長度為12m。

根據(jù)圖示分析，運用物理吸熱的公式計算出四周包裹的翅片的吸熱量，再對內體積下可以放下多少服務器，計算熱量Nuf。

考慮自然對流有層流與湍流之分，判別層流與湍流的準則數(shù)為Gr，得到如式（9）所示：

在穩(wěn)定情況下，散熱器表面所散發(fā)的熱量如式（10）所示：

管內水流所帶走的熱量公式如式（11）所示：

總熱量如式（12）所示：

借助Matlab和Excel計算出長方體型的集裝箱的散熱翅片可以吸收的總熱量，則長方體內約可以放下311個服務器，長方體型集裝箱達到80℃時可以放置的服務器數(shù)量約為280個。

最后，兩種設計對比散熱程度、遠程能耗、維修成本、資源運用等一系列問題后得出長方體型的不論是放服務器的數(shù)量還是散熱效果都要比圓柱型的有較好的優(yōu)勢，故選擇長方體型集裝箱。

3 集裝箱中服務器散熱影響因素層次結構模型的建立與分析

（1）首先對于散熱因素的影響，建立了一個層次分析模型。該模型的層次包括：目標層——對散熱的影響；準則層——溫度、水位、壓強；因素層——節(jié)性環(huán)流、季節(jié)性季風、潮汐。影響散熱的層次分析結構模型，如圖3所示。

圖3 影響散熱的層次分析結構模型Fig.3 Hierarchical analysis structure model affecting heat dissipation

潮汐是通過改變海水深度直接影響海底數(shù)據(jù)中心 集裝箱表面的海水溫度，當出現(xiàn)潮漲時，海底數(shù)據(jù)中心集裝箱的深度增加，集裝箱周圍海水的溫度降低[4]。

因此，需要考慮潮汐會影響到海平面的變化，季節(jié)變化會影響溫度變化，或直接影響到海底數(shù)據(jù)中心的服務器的散熱，從而影響到用戶體驗。

由于海水深度不同，導致壓強不同，從而導致溫度也會隨之發(fā)生變化，影響集裝箱的散熱程度。

因此溫度與水深也存在一定的關系，海水越深溫度會越低，將溫度與水深的關系建立模型并擬合出曲線。

海水溫度是反映海水熱量狀況的一個物理量，海水的溫度決定于輻射過程、大氣與海水之間的熱量交換和蒸發(fā)等因素。海洋水溫在垂直方向上，上層和下層截然不同，海洋上部在1000～2000m的水層內，水溫從表層向下層降低很快，而2000m以下海水溫度幾乎沒有變化。

構造判斷矩陣，比較權重。其中溫度占另外3個的權重，如式（13）所示：

其中溫度占3個因素比重，如式（14）所示：

其中水位占3個因素的比重，如式（15）所示：

其中壓強占3個因素比重，如式（16）所示：

對每一個對比矩陣計算最大特征根及對應的權向量利用軟件分別求得矩陣A，B1，B2，B3的最大特征根及對應的特征向量。

表1 隨機一致性指標Tab.1 Random consistency index

對于n≥3的矩陣，將它的一致性指標C1與同階的隨機性一致時為比例CR。當時，認為矩陣的不一致程度在允許的范圍內，可用特征向量作為權向量。利用上述方法依次求值，均小于0.1，即在允許的氛圍內。

算術平均法求權重：

第一步：將判斷矩陣按照列進行歸一化；

第二步：將歸一化的各列進行相加；

第三步：將進行相加后所得到的向量中每個元素除以n即可得到權重量。

假設判斷矩陣C，得到如式（17）所示：

那么得出算數(shù)平均法求得的權重向量如式（18）所示：

對結果進行歸一化處理得出權重如表2所示。

表2 權重與因素分析模型Tab.2 Weight and factor analysis model

根據(jù)表2權重與因素分析模型可知，季節(jié)的水位對海底數(shù)據(jù)中心外殼影響大，潮汐對溫度影響也大。

4 結語

本文分析并設計了集裝箱的外形，評估散熱程度和對服務器的需求進行預測，其中層次分析模型和多目標決策分析模型可最大化利用空間，實現(xiàn)低成本、高需求，在此基礎上可對其進行商業(yè)模式的規(guī)劃，同時也為政府管理部門的行業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供依據(jù)。由此看來海底散熱問題是未來發(fā)展熱點，信息處理能力也是一個國家科技實力的體現(xiàn)。

引用

[1]邢虎松,杜利楠.我國內貿集裝箱水運發(fā)展的前景展望[J].中國港口,2022(4):42-46.

[2]陳俊杰,周雷,秋雨豪.IGBT散熱器風冷散熱優(yōu)化設計與評估[J].工業(yè)技新,2020,07(6):45-49+66.

[3]潘守文,唐春秀,張海龍,等.儲能集裝箱變壓器艙散熱設計研究[J].科技與創(chuàng)新,2022(5):72-74+78.

[4]寧桂英,段漢斌,黃俊超,等.基于對流傳熱模型的海底數(shù)據(jù)中心散熱優(yōu)化設計[J].黑龍江科學,2021,12(20):4-7.