通信機房縱向隔斷效果氣流結構的研究

張 禮

（安慶移動分公司網(wǎng)絡部，安徽 安慶 246003）

0 引 言

近年來，全國通信網(wǎng)絡規(guī)模和用戶規(guī)模不斷擴大，通信企業(yè)機房的耗電量已經(jīng)成為不斷增加的重要成本。在眾多的用電成本中，空調(diào)用電費占有相當大的比例。據(jù)調(diào)查，核心機房中僅精密空調(diào)的運行耗電量就占機房總用電量的50%以上，匯聚機房中空調(diào)用電量基本在70%左右[1]。而空調(diào)的制冷量除與設備發(fā)熱功耗有關外，還與機房空間的大小有著密切關系。為減少機房空間對制冷量的需求，在水平面上對空閑的機房空間采用物理隔斷的方式，有效降低了機房空調(diào)的制冷量。垂直面上機柜高度只占有機房高度的一半左右，但機房上部都裝有走線架等，無法進行物理隔斷。因此，如何進行垂直面上的隔斷成為需要研究的重要課題。

1 機房空調(diào)系統(tǒng)送風方式

通信機房的氣流結構與機房采用的空調(diào)系統(tǒng)的送風方式關系密切，常見有IDC機房和核心機房內(nèi)的風管上送風、架空地板下送風和微模塊等多種送風方式。匯聚機房或基站機房大多采用的是普通空調(diào)自帶出風口的水平送風方式。

1.1 風管上送風

該種送風方式應用于機柜按照冷熱通道間隔的方式布置，布置上送風風管，空調(diào)送風口對應機柜冷通道，回風口盡量設置在熱通道上，依靠空調(diào)回風壓力將機柜排出的熱風吸回，如圖1所示。

1.2 架空地板下送風

該種送風方式需在機房內(nèi)設置架空地板，地板高度隨機房內(nèi)單機柜功耗的不同而變化，并選用下送風方式的機房專用空調(diào)。為避免樓板結露，機房地面需保溫處理。機柜同樣按照冷熱通道間隔的方式布置，機柜前后門的開孔率不宜低于60%。空調(diào)冷風在架空地板下通過冷通道上設置的開孔地板（送風口）和機柜前門進入機柜內(nèi)，空調(diào)回風口盡量設置在熱通道上，依靠空調(diào)回風壓力將機柜排出的熱風吸回，如圖2所示。

1.3 微模塊列間空調(diào)送風方式

空調(diào)出風口是從冷通道送風，經(jīng)過通信設備后采用熱通道回風的水平送風方式，從而完全解決了冷熱氣流短路的問題。該種送風方式實現(xiàn)了冷熱通道的物理隔離，保障了服務器機柜溫度的均勻，在設備密集的機房使用較多，如圖3所示。

圖1 上送風方式示意圖

圖2 架空地板下送風方式示意圖

圖3 列間空調(diào)送風方式示意圖

1.4 普通空調(diào)自帶出風口水平送風

由于節(jié)點機房和基站機房位置分散，所安裝的通信設備數(shù)量少，且機房空間多在60～120 m2，空間不大，所以大多只安裝1～2臺5P普通機房空調(diào)。它采用空調(diào)自帶的水平送風方式，如圖4所示。

2 機房空調(diào)系統(tǒng)氣流結構

2.1 傳統(tǒng)機房空調(diào)系統(tǒng)氣流結構

傳統(tǒng)機房的空調(diào)送風、回風方式以及通信設備的通風方式導致了機房氣流的局部熱點離通信設備很近，整個機房氣流處于紊亂的機構中，如圖5所示。如要保持通信設備運行在合理的溫度范圍，就要求空調(diào)對整個機房空間有效降溫。而數(shù)據(jù)中心采用的微模塊形式的列間空調(diào)通風方式，雖實現(xiàn)了通信設備冷通道和熱通道的物理隔離，但通信設備的背出風和列間空調(diào)的回風方式同樣導致機房局部熱點離設備依然很近，空調(diào)回風同樣使機房中存在相對很熱的氣流，大幅降低了空調(diào)制冷效果。

圖4 普通空調(diào)水平送風方式示意圖

2.2 置換通風氣流結構

（1）置換通風是氣流組織的一種形式，起源于20世紀70年代的北歐，最初應用于工業(yè)建筑，后逐漸應用到其他領域，是一種較新的通風形式。它是將經(jīng)處理或未處理的空氣，以低風速、低紊流度、小溫差的方式，直接送入室內(nèi)人員活動區(qū)的下部。送入室內(nèi)的空氣先在地面上均勻分布，隨后流向熱源（人或設備）形成熱氣流，以煙羽的形式向上流動，并在室內(nèi)的上部空間形成滯留層，從滯留層將室內(nèi)的余熱排出。

圖5 機房平視，傳統(tǒng)機房氣流分析

（2）應用于通信機房的置換通風方式是以浮力和設備排風作用為動力源而形成空氣自然對流射流為主要特征的通風方式。如圖6所示，當室內(nèi)發(fā)熱設備的溫度高于其周圍室內(nèi)溫度形成熱源時，室內(nèi)空氣將沿著熱源周圍進行自然對流換熱，換熱后的熱源周圍空氣在浮力和設備排風的作用下如煙羽狀自然上升，從而使熱源周圍空氣形成自下而上自然對流射流，并夾帶熱源周圍空氣一起升至室內(nèi)頂部，使得機房的局部熱點上升到機房頂部空間，在浮力的作用下，上部形成高溫滯留層。由于機房墻體本身具有散熱能力，根據(jù)計算模型其固有散熱性能在正常條件下，一個120 m2鋼筋混凝土（熱傳導系數(shù)1.74 W/（m2·K））機房的散熱量相當于1.3臺5P空調(diào)的制冷量，迫使沿著墻壁流動的高溫空氣先自然冷卻下降，同時在空調(diào)回風壓力的作用下降低至下部空調(diào)制冷區(qū)域，在機房空間形成下部溫度適宜的潔凈層，從而形成置換通風循環(huán)，在氣流結構上相當于把機房空間從垂直層面進行“隔斷”，機房空調(diào)只需要保持設備區(qū)高度空間的溫度在合理范圍內(nèi)，設備上層空間走線架所處位置，溫度對其影響不大，從而大幅提高機房空調(diào)使用效率（PUE）。

（3）對于空間空調(diào)制冷量的需求一般是按空間體積進行設計，按50 W/m3進行估算，通信機房空間高度在4.5 m左右（下通風方式，地板高度0.5 m），這就要求通信機房有200 W/m3的制冷量。而氣流隔斷形式的置換通風氣流機構，高度可控制在機柜高度3 m左右，理論制冷量125 W，可降低制冷能耗37.5%。

圖6 機房平視圖，氣流模擬分析

2.3 機房氣流結構的優(yōu)化

根據(jù)機房結構特點，合理規(guī)劃機房氣流組織。充分利用置換通風循環(huán)的原理，改變通信設備的出風方式，合理設置空調(diào)送風口，確保氣流送風過程中無阻擋，避免機房內(nèi)的冷熱空氣混合或造成冷量損失，在機房空間從氣流結構上形成相對的“隔斷”。

2.3.1 通信設備進出風方式的優(yōu)化

通信設備采用下進風或下側(cè)進風的方式，出風采用上出風方式，設備的擺放采用“面對面、背對背”的布局，從而使設備由潔凈層吸入冷氣流，向高溫滯留層排放熱氣流，形成置換通風循環(huán)。

2.3.2 空調(diào)送風及回風方式的優(yōu)化

匯聚機房空調(diào)由于機房空間小，很多都是靠墻角擺放，空調(diào)送風口氣流容易被設備阻擋亦或空調(diào)送風口遠離設備區(qū)。同時，該種機房大多使用普通柜式空調(diào)，不具備設備下通風的條件。可以根據(jù)設備進出風口的方向，采用機柜面對面或背對背的方式擺放，使之形成廣義的“冷”通道和“熱”通道。如圖7所示，充分利用置換通風的原理，選用上出風的設備機柜，同時降低普通空調(diào)的出風口高度，使空調(diào)出風口更接近設備進風口，且空調(diào)的送風處于潔凈層，從而使機房氣流結構達到置換通風循環(huán)的要求，形成相對的氣流“隔斷”，從而提升機房制冷效果。

對于采用地板下送風的機房，可以選用上出風下進風的設備，從而充分利用置換通風循環(huán)，使機房空間上部形成高溫滯留層，下部形成潔凈層，形成相對的氣流“隔斷”，如圖8所示。

采用列間空調(diào)的微模塊機房，可以選用側(cè)進風和上出風的通信設備，根據(jù)設備進出風口的方向，采用機柜面對面或背對背的方式擺放，同樣可以形成置換通風循環(huán)，降低列間空調(diào)的回風溫度，降低空調(diào)制冷能耗。

圖7 背對背擺放方式，形成冷熱通道

采用空調(diào)上出風口的機房，由于出風口在機房高溫紊流層需要安裝送風管，精確送風至設備的側(cè)面或者門板上。設備同樣采用側(cè)進風和上出風，如圖9所示。

圖8 地板下通風示意圖

圖9 門板式精確送風器示意圖

3 空調(diào)制冷效率優(yōu)化

在對各種冷源的分析中發(fā)現(xiàn)，充分采用自然冷源可大幅降低空調(diào)能耗和機房PUE，主要有機房熱管、氟泵和板換等自然冷源技術方案。目前，熱管空調(diào)、氟泵空調(diào)以及冷凍水空調(diào)已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心機房和核心機房中得到了很好的應用，有效降低了機房PUE值，但是面對數(shù)量眾多的匯聚機房或基站機房，因地理位置、周圍環(huán)境以及使用的高額成本等原因，以上類型的空調(diào)很難在匯聚機房中得到廣泛應用。

結合多年對普通機房空調(diào)的通風方式研究后，在不改變空調(diào)原有通風方式和利用隔斷效果氣流結構的基礎上，創(chuàng)新性開發(fā)智能溫差通風助手裝置，在普通柜式空調(diào)的基礎上安裝溫差通風裝置。當室外溫度低于室內(nèi)溫度時，自動啟動對室外空氣的引入（考慮到溫差過大容易形成凝露，引入溫差設置5 ℃左右），如圖10所示。通過對室外冷空氣和室內(nèi)空氣在空調(diào)內(nèi)進行混合后，再經(jīng)過空調(diào)出風后送至室內(nèi)。由于空調(diào)是通過采集回風溫度控制空調(diào)制冷，所以當室外空氣溫度低時，空調(diào)會停止壓縮機制冷自動進行通風模式，從而達到節(jié)能和促進機房散熱的雙重效果。同時，室外冷空氣進氣量遠小于空調(diào)風機從室內(nèi)引入的空氣量（冷空氣引入量與空調(diào)回風量的比值1:5），且混合過程在空調(diào)內(nèi)部完成，從而有效解決了室外溫度低情況下出現(xiàn)結露現(xiàn)象，同時有效利用清潔室外冷源降低了室內(nèi)溫度而不破壞原先的室內(nèi)空調(diào)氣流結構。對于冷空氣進風量不好控制的地方，可提高冷空氣進風口的高度至空調(diào)冷凝水盤以上，使冷熱空氣混合形成的冷凝水一同流入空調(diào)自動的排水系統(tǒng)。引入口進行空氣過濾，并采用自動閉鎖裝置確保引入冷源的清潔，對于室外空氣灰塵嚴重地區(qū)可以適當提高引入口高度。智能溫差通風裝置實物圖，如圖11所示。

表1 匯聚機房優(yōu)化前后電表數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖10 智能通風裝置結構圖

對現(xiàn)網(wǎng)的部分可優(yōu)化機房進行以上方式的氣流隔斷效果優(yōu)化，并采用PUE的測量方法，對相鄰室外環(huán)境溫差不大的兩周的運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計調(diào)查。由于匯聚通信機房主設備用電量在短時間能幾乎不發(fā)生很大變化，所以采集的能耗差值均為空調(diào)設備耗電量，有效減少能耗7%～23%。

圖11 智能溫差通風裝置實物圖

以上數(shù)據(jù)來源于2018年9月21日至2018年10月5日采集的智能電表數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集點為市電引入機房上端，室外溫度均在26～34 ℃。其中，匯聚機房1、匯聚機房2采用優(yōu)化機柜位置并引入室外冷源的方式，匯聚機房3至匯聚機房11采用優(yōu)化機柜位置的方式。

4 結 論

隨著全國通信網(wǎng)絡規(guī)模和用戶規(guī)模的不斷擴大，通信網(wǎng)絡飛速發(fā)展，通信設備運行的耗電量已經(jīng)成為不斷增加的重要成本，而空調(diào)系統(tǒng)的運行耗電量占據(jù)了通信設備運行耗電量的最大比重。從對傳統(tǒng)機房的氣流結構分析研究出發(fā)，提出了機房縱向隔離效果的氣流結構的理論方法和柜體擺放的優(yōu)化、氣流結構的優(yōu)化以及冷源利用方法等優(yōu)化研究建議，涉及數(shù)據(jù)中心機房、核心機房和優(yōu)化難度大的基站機房，進一步促進了機房空調(diào)的安全、節(jié)能和經(jīng)濟運行。