傳統機房上送風封閉冷通道氣流組織優化研究

宋卓夫 趙威 張雪松

（國網黑龍江省電力有限公司信息通信公司，黑龍江 哈爾濱 150090）

通信機房在使用過程中，在外界各種因素的影響下，通常會導致機房內的氣流組織出現不通暢的情況。機房中的IT設備主要是依靠空調所送入的低溫風來與散熱進行充分交換，進而帶走熱量，降低機房機架的溫度，而氣流組織則是溫度交換的主要媒介。如果氣流組織運行的不通順，那么就需要利用多配置空調來減緩由于溫度過高導致的機房壓力，這樣不僅會在空調設備方面投入大量的成本，同時也會提高相應的運行費用，很容易在局部位置造成熱點，為機房帶來了很大的火災隱患。對此，通過上送風封閉冷通道對氣流組織進行優化具有十分重要的現實意義。

目前，伴隨著云計算以及互聯網等業務的快速增長，SDN和NFV技術的應用逐漸成熟，未來的通信網絡也會走向IT化的發展道路，現如今，國際范圍內已經有多個網絡運營商開始推出了網絡重構計劃。比如我國聯通網絡在2016年提出了5G智能化協同網絡將會建立在NFV和SDN技術之上，努力向ICT技術看齊。傳統機房通常都是以承載專業化網元設備為重點，然而DC機房的出現將可以承載功耗較高且散熱量較大的網絡設備，這也是傳統機房制冷條件所面臨的巨大挑戰。隨著目前數據中心業務發展速度不斷提高，我國數據中心已經超過了近30萬，其年耗電量在我國社會總耗電量中的比例已經超過了2%，目前數據中心已成了能耗總量的高度集中區。然而大多數數據中心的PUE效率超出了2.0，與國際水平相比仍存在很大的差距，特別是以傳統機房為載體的數據中心，在傳統機房設備尺寸以及建設周期等原因的影響下，很難開展各種節能措施，導致機房的運行效能較低。

一、傳統機房的現狀分析

（一）實踐機房的環境現狀

為了確保文章的真實性，本文將選取某中國聯通中的傳統樞紐機房作為實踐對象。該機房在2008年被正式投入使用，能夠使用的機房面積總共有2萬平方米，電源總體設計容量為5000kvA，是中國聯通集團公司的核心局房之一[1]。目前，隨著社會經濟的快速發展，其業務也在不斷增加，機房的使用面積已經超過了90%，從整體情況來看，基本已經建設完畢。然而，當前電源負荷率已經超出了上限值，沒有多余的容量可提供使用。這其中實踐機房占據了近600平方米，凈高度為4米，機房主要設備都采用了上走線的方式，沒有合理規劃冷熱通道，負載量為900KW，總共配備了12臺功率為100KW的風冷空調，全都采用上送風的方式，PUE值為1.50。

（二）氣流組織現狀

該機房主要采用的是普通上送風的氣流組織方式，該方式被稱作彌散式送風法。雖然安裝十分靈活，但是送風距離十分有限，覆蓋范圍非常小，只能夠對空調前方的區域起到散熱效果。空調送風口的冷空氣在壓力差影響下，大多數冷空氣都會流入阻力較小的機房上部區域中，但是在墻體的阻擋下，很容易在機柜之間形成較大的渦流區域。部分冷空氣會通過ICT設備流入到機柜當中，對ICT設備進行冷卻。而另一部分冷空氣會與熱風共同進入到空調的回風口中，進而形成十分嚴重的氣流短路現象，導致機柜進風溫度非常不平衡，熱島效應就是在此影響下產生的，局部設備會出現高溫故障問題。

所以，從實際情況來看，傳統機房的上送風氣流組織方式存在十分嚴重的氣流短路情況，冷風的利用率非常低，導致了機房內部的制冷效果十分不理想，無法滿足現網對機房制冷條件所提出的要求，也正因如此才需要對氣流組織進行深入優化改造。

二、機房氣流組織的具體方式

通過分析冷風和熱風在機房內部的循環方式，能夠將氣流組織分為不同的形式，分別為：房間氣流組織形式、靜壓倉氣流組織形式以及機架氣流組織形式。

（一）房間級氣流組織形式

在機房氣流組織過程中，精密空調送風方式十分關鍵。精密空調的送風以及回風方式各有不同，所以整個機房內部的氣流組織形式也存在差異。

（二）靜壓倉氣流組織形式

靜壓倉在通信機房中的作用就是為了能夠產生足夠的送風壓力，是一種創新型的壓力容器，同時它也是精密空調送出冷風必須要經過的一道氣流途徑，在此過程中精密空調的送風速度和壓力都是不可忽略的。從下送風角度來看，地板下為靜壓箱，只有確保靜壓箱中擁有足夠的靜壓且分布均勻的情況下，才能夠使每個機架中的氣流量保持均勻[2]。

（三）機架氣流組織形式

機架是通信中心為IT設備提供穩定物理運行的微環境場所，機架氣流的組織形式十分關鍵。同時它也是精密空調為IT設備送出冷風的最后一道氣流渠道。

三、通信機房上送風封閉冷通道氣流組織的優化效果

（一）機柜進風溫度情況分析

在上送風模式下的冷通道氣流組織優化改造前后機柜進風溫度分布如圖1所示。

從圖中可以得知，在改造之前機柜進風的溫度分布情況很不均勻，存在大量的熱點和部分冷點，而經過改造之后，機柜進風溫度分布比較均勻集中，而且存在的方差很小。在改造之前，機柜進風的最高溫度能夠達到30℃，溫差也有13℃，在機房環境中普遍存在著熱島效應，也沒有良好的制冷效果。經過改造之后機柜進風的平均溫度會降低3℃，最高的溫度也會降低9℃，溫差也縮小到了3℃，熱島效應也得到了有效解決，制冷效果有了明顯提高。

低空調中設置的整體溫度，不僅會導致局部溫度過低，并且還會造成能源消耗損失。冷通道封閉機房可以對氣流組織進行改善，避免冷熱氣流出現相互融合，以此來更加便捷地調整空調緊密程度，提高機房制冷條件的可靠性。

（二）機房電能應用效率分析

PUE是全球通用的數據中心電能使用情況指標，局部電能使用效率則是在此概念基礎上的延伸，能夠對局部區域設備能效進行綜合分析。在忽略能源使用路徑的前提下，根據機房內部區域來對比上送風模式的封閉冷通道氣流組織情況。同時，在機房內ICT設備同等用電負荷的情況下，空調用電負荷與改造之前相比有了明顯的降低，制冷能耗得到了大幅度下降。此外，空調電負荷降低的前提下，不僅緩解了該區域配電系統高負荷率的壓力，同時釋放出的電力容量也能夠為機房提供更多ICT設備裝機容量，為相關企業的發展提供了有力支持。

四、結束語

綜上所述，機房在同等運行負載的情況下，傳統機房采用了上送風的模式對冷通道進行了改造，隨后，機柜進風溫度就變得更加均勻，而且方差更小，進風時的溫度更低，在一定程度上解決了熱島效應，提高了機柜熱的穩定性。同時在安裝冷通道之后，如果冷通道內機柜沒有裝滿ICT設備，那么就可以通過加裝盲板來遏制機柜背面散熱的回流情況，使冷熱通道能夠被完全隔開，進而有效提高通信機房的能效，有效解決了熱島效應問題。