機房空調合理安裝與控制對散熱及節能的影響分析

文｜福建省電信公司泉州泉港區電信局 李雄文

機房空調合理安裝與控制對散熱及節能的影響分析

文｜福建省電信公司泉州泉港區電信局 李雄文

文中從散熱方式和空氣對流的角度，討論了機房空調處于機房內不同位置時，對通信設備散熱和機房節能的影響，并展開分析提出了機房環境溫度控制的新思路。

節能 環境溫度 室內功耗

在全國上下大力倡導節能減排的形勢下，作為通信機房不可或缺的空調設備，每年要消耗大量的電能。合理使用、降低能耗是當前需要重點研究的一個課題。雖然部分局站有采用通風節能設備以降低機房空調能耗方案，但使用中還是存在一定局限：低端產品會造成機房內環境（如濕度、灰塵）不可控和維護工作加大，高端產品成本又較高。如何從空調本身節能？本文就空調的位置、朝向、溫度控制等對設備散熱及機房節能的影響進行了分析。

1 空調安裝位置對節能的影響

目前機房使用的空調有柜機、掛機、中央空調三種方式。三種方式的空調會與機房通信設備形成多種位置關系的組合，而每種組合情況下，空調對通信設備的散熱工作和節能狀況卻是大不相同的。雖然對于機房空調，一直在倡導“以機為本”的理念，但在一些局站，對此理念的理解還存在一定誤區，總認為空調散熱的目標應對準設備最熱處，效果才是最好的，真是這樣的嗎？下面就一些典型組合進行具體分析：

（l）空調對準設備后面

如圖 1 所示，當前通信設備多采用風扇冷卻方式，且通常采用前端進風，后端出風的形式。空調的出風口對準設備后方，冷空氣與從設備內出來的熱風會合，會很快使氣溫降低，但空調的高速出風，會對通信設備熱空氣的排出產生一個風阻，削弱了通信設備熱空氣的排出速度，使得熱空氣在通信設備內產生滯留，從而使設備內局部溫度升高。因此，在這種情況下，會造成環境溫度低，而設備內溫度高的“假低溫環境”現象，不利于設備的健康使用。有的用戶在此方式下，甚至打開后門讓空調風對著里面吹，以為利于設備散熱。根據電源廠家對這種情況與空調側吹的情況做了溫升對比，對比對象為在同一負載條件下同型號的兩套通信電源系統的模塊機內溫度。空調前面側吹的系統，在模塊后內側 1 寸處空氣溫升約為 13℃ ，而打開后門對里面正吹的電源，雖然感覺不到電源設備發熱，但模塊內相同位置的溫升卻達到15℃～16℃ ，并沒有使電源模塊的散熱得到合理改善。

（2）空調在設備后面平吹或斜吹

如圖 2 所示，在這種方式下，空調掃風和氣流擴散從側面對通信設備后面產生反壓，仍然會對通信設備熱空氣從后面排出產生一個風阻，同第 1 種方式一樣，也會造成環境溫度低，而設備內溫度高的“假低溫環境”現象，不利于設備的健康使用。

（3）設備置于于中央空調出風口下方

如圖 3 所示，通常通信設備前面進人的冷風經過電氣部分散熱吸收后，在設備后部形成熱空氣，而且越往上，空氣溫度越高。由熱力學知識我們知道，上下端的空氣會產生對流，而在設備內相對筒狀結構，會形成抽風效應——即下端空氣在對流作用下會加速上升，同時通過后門下端的通風孔，對外部冷空氣形成吸入效應，加速通信設備的散熱。

若按圖3所示將通信設備置于中央空調出風口下端，雖然下行的冷空氣會迅速與上升的熱空氣產生熱交換使之冷卻，但下行的風壓會對上行的熱空氣形成阻力，破壞抽風效應的形成，使熱空氣滯留設備內部，同樣產生環境溫度低，而設備內溫度高的“假低溫環境”現象，不利于設備的健康使用，尤其對后門無通風孔或通風孔不足，而對抽風效應依賴的設備，影響更大。

（4）掛式空調平吹設備上端

如圖4所示，這種方式也會使設備內上升的熱空氣與空調平吹的冷空氣相遇而快速冷卻，但可以看到，平吹的冷空氣一樣會在設備上端形成反壓風阻，阻礙設備內熱空氣的上升，從而產生環境溫度低，而設備內溫度高的“假低溫環境”現象。同時可以看出，空調吹出的冷空氣與機房頂面近距離接觸，熱交換速度快，會大量吸收室外熱能。在這種情況下，空調一方面要排出通信設備工作產生的熱能，同時要克服室外迅速傳導進來的熱能。假設將空調的制冷總功耗Pt，分為兩部分：克服通信設備工作發熱的制冷功耗 Pe。和克服室外熱量傳導室內的制冷功耗Pw，則Pt=Pe+Pw。假設此種方式的Pw為Pw1，而下端掃風時為Pwn，則Pw1＞Pwn，相同控制環境下空調功耗要增大。

從以上 4 種位置關系我們可以看出，每種方式改善的是機房設備外的空氣環境溫度，而不是設備的“內環境”溫度，并不利于設備健康運行，空調做的無用功過多，能效低。

2 改善散熱效果和節能的安裝方式

如圖 5 所示，空調平吹設備正面，與設備風扇風向一致。這種情況下，空調吹出的冷風加速了設備內部通風速度，使設備內散熱效果增強，設備后部的熱氣流在抽風效應下迅速上升，到達機房頂部，與頂端熱墻面接觸，降低了熱交換速率。如果上升氣流溫度高于墻面溫度，室內熱空氣還可以通過頂端墻面向外散熱，減輕了空調散熱負荷。假設此種方式下的Pw為Pw2， 則與前面情況相比， Pw2＜Pw1，空調制冷功耗需求將明顯降低。在這種方式下，室內溫度形成分化，下端低、上端高，下端冷空氣加速設備散熱，改善設備運行環境；上端熱空氣對設備工作沒有任何影響，而且有利于機房散熱，降低制冷功耗需求。在這種方式下，如空調采用下出風的方式，效果將更好。

對于室外機，要充分考慮方位和當地氣候特點，將空調外機安裝在避免陽光直曬和利于通風的位置，當兩個因素存在沖突時，應根據氣候特點來權衡綜合陽光照射吸收的熱量和自然通風帶走的熱量，從而做出更有利的方案。

3 機房溫度控制對節能影響的新思路

目前人們習慣認為通信設備運行的環境溫度就是機房溫度。而機房溫度，就是對機房內大環境的溫度，或機房內的平均溫度。在分析之前，我們先思考三個問題：（1）機房各點溫度是否需要均衡？（2）各點溫度是否具有同等意義？（3）我們最主要通過空調控制什么地方的溫度？

在無強制溫度控制干預下，機房設備的發熱和風扇散熱，必然導致機房上端溫度高，下端溫度低；前端溫度低，后端溫度高。而這些溫度點，僅進風口的溫度，對設備的散熱和可靠工作才有決定性的意義，其他點溫度的高與低，對設備的可靠性和壽命影響很小。因此，我們可以認為，設備的環境溫度應是設備進風口溫度，而不是籠統的機房溫度。這樣，我們在空調的配置和設置上，應重點控制設備進風口溫度，而不是控制所有點溫度。而且，保持機房頂部相對合理的熱空氣，更有利于機房向外散熱或減小對外部熱量的吸收，從而降低機房空調的制冷功耗需求。

根據以上分析，在空調的放置上，應保證空調出口的掃風，朝向設備進風口；并通過控制合理的位置和方向，使發熱量最大的設備離空調最近，同時空調的掃風能剛好覆蓋所有發熱影響設備。

在空調溫度的設置上，只要保證離空調風口最遠的電子設備的進風口溫度，達到規定要求（如常溫 25℃ ）即可。該設置點可反復測試取得，如通過設定，離空調最遠端設備達到熱平衡后，設備內關鍵取樣點溫度（大部分廠家設備有顯示），剛剛低于常溫 25℃無空調情況下設備達到熱平衡后內部關鍵取樣點溫度。根據這種設置思路，空調溫度設置值可達到盡可能高，筆者認為甚至可能達到 26℃ 以上，在以機為本的原則下，機房溫度無須考慮對人的舒適性。

在空調的配置上，功率配置只要保證在以上的放置和設置，設備最大發熱工作時，進風口溫度能達到 25℃ 即可。出風方式建議能選用下出風方式。通過以上的溫度控制方式，筆者認為對機房空調的發熱需求會大幅降低，從而盡可能降低機房空調用電損耗，達到節能目的。

4 結束語

本文根據理論原理結合當前實際對機房空調節能方法作了分析，還需要創造條件進行實踐或實驗驗證。本文論述的環境并不適用于所有情況，一些觀點可能存在偏頗，歡迎專業人士指正，共同推動機房空調節能事業的發展。