傳統(tǒng)機(jī)房中超大功耗設(shè)備的制冷解決方案

牛 琳，王志廣

（1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司山東分公司，山東 濟(jì)南 250101；2.吉林吉大通信設(shè)計(jì)院股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

隨著5G、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，新技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)出口帶寬要求越來(lái)越高，隨之而來(lái)的是設(shè)備處理能力及集成度不斷提高，單機(jī)柜功率密度等級(jí)不斷增大，目前運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中骨干網(wǎng)設(shè)備單機(jī)柜運(yùn)行功耗已達(dá)20 kW ～35 kW，此類設(shè)備需要布局到各省各地市的既有通信核心機(jī)房?jī)?nèi)。對(duì)于既有的傳統(tǒng)通信機(jī)房，建設(shè)超大功耗設(shè)備對(duì)于原機(jī)房?jī)?nèi)的制冷系統(tǒng)提出了超高要求,對(duì)整個(gè)機(jī)房的安全保障更是一種嚴(yán)峻考驗(yàn)。通過(guò)全面分析評(píng)估，傳統(tǒng)機(jī)房原有制冷系統(tǒng)及模式已無(wú)法滿足其制冷需求。那么，如何解決目前及未來(lái)在傳統(tǒng)機(jī)房中不斷建設(shè)超高功耗設(shè)備的制冷痛點(diǎn)問題，同時(shí)避免對(duì)周邊現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生熱負(fù)荷影響，是當(dāng)前及未來(lái)業(yè)務(wù)發(fā)展亟待解決的問題。本文針對(duì)超大功耗設(shè)備散熱及氣流組織特性，通過(guò)分析傳統(tǒng)機(jī)房現(xiàn)有的各種制冷及送風(fēng)模式，結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用效果，介紹了幾種不同場(chǎng)景下高效制冷方案。

1 “碳達(dá)峰、碳中和”背景下通信機(jī)房制冷要求及發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)家“十四五”規(guī)劃綱要從現(xiàn)代化、數(shù)字化、綠色化方面對(duì)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了方針指引，黨中央、國(guó)務(wù)院關(guān)于碳達(dá)峰、碳中和的戰(zhàn)略決策又對(duì)信息通信業(yè)數(shù)字化和綠色化協(xié)同發(fā)展提出了更高要求。在滿足機(jī)房規(guī)劃期內(nèi)和配套設(shè)計(jì)承載能力范圍內(nèi)，充分提高機(jī)房裝機(jī)率的同時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)利用自然冷源，針對(duì)性的高效制冷及節(jié)能降耗成為機(jī)房制冷系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 傳統(tǒng)機(jī)房制冷模式及送風(fēng)方式

根據(jù)空調(diào)冷源系統(tǒng)不同，通信機(jī)房制冷系統(tǒng)主要分為風(fēng)冷系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)，兩種系統(tǒng)末端送風(fēng)方式相同，且運(yùn)營(yíng)商通信機(jī)房中風(fēng)冷系統(tǒng)占比較大[1]。本文主要以風(fēng)冷系統(tǒng)為例闡述解決方案，水冷系統(tǒng)末端解決方案同理。

2.1 房間級(jí)空調(diào)+風(fēng)帽上送風(fēng)

傳統(tǒng)老舊通信機(jī)房或電力機(jī)房，機(jī)房?jī)?nèi)未設(shè)置架空地板或無(wú)法增設(shè)架空地板，通常采用上送風(fēng)下回風(fēng)方式，上送風(fēng)距離一般不超過(guò)10 m，最初規(guī)劃單機(jī)柜功耗不大于3 kW，機(jī)柜布局較密集[2]。如圖1所示。

圖1 房間級(jí)空調(diào)+風(fēng)帽上送風(fēng)

此類機(jī)房彌漫式送風(fēng)，先冷環(huán)境且冷量分配不均，空調(diào)送風(fēng)距離較短，且送風(fēng)受阻擋嚴(yán)重，遠(yuǎn)端送風(fēng)量不足，易出現(xiàn)局部過(guò)熱，隨著機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備更新迭代，單機(jī)柜功耗的提升，已不能滿足整體制冷需求，一味的擴(kuò)容增加空調(diào)，不僅不能從根本上解決局部熱點(diǎn)問題還帶來(lái)大量的無(wú)效耗能。

2.2 房間級(jí)送風(fēng)風(fēng)冷精密空調(diào)+風(fēng)管上送風(fēng)

當(dāng)單機(jī)柜功耗上升至5 kW，機(jī)房局部散熱量大，局部熱點(diǎn)嚴(yán)重突顯，且彌漫式風(fēng)帽上送風(fēng)無(wú)法滿足制冷需求時(shí)，在原制冷系統(tǒng)基礎(chǔ)上改造增加送風(fēng)風(fēng)管，將送風(fēng)口拉遠(yuǎn)至局部熱點(diǎn)及高功耗設(shè)備進(jìn)風(fēng)口處或冷通道列間[3]。如圖2所示。

圖2 房間級(jí)空調(diào)+風(fēng)管上送風(fēng)

此類機(jī)房較風(fēng)帽上送風(fēng)相比，實(shí)現(xiàn)了精確送風(fēng)、較合理分配冷量的目的，但由于傳統(tǒng)機(jī)房高度及走線架布局等的上方空間受限，此類送風(fēng)風(fēng)管實(shí)施難度較大，不具有改造普遍性。

2.3 房間級(jí)空調(diào)+無(wú)地板下送風(fēng)

機(jī)房?jī)?nèi)無(wú)架空地板或無(wú)法通過(guò)改造增設(shè)架空地板時(shí)，為保障送風(fēng)距離，采用將空調(diào)底部底座作為送風(fēng)靜壓箱，并將同側(cè)空調(diào)靜壓箱連通的方式，形成共享冷池，使同側(cè)空調(diào)互為備份，在連通靜壓箱上，對(duì)著設(shè)備冷通道列間開送風(fēng)口，解決個(gè)別冷通道列間無(wú)對(duì)應(yīng)空調(diào)的冷風(fēng)不足的問題。 如圖3所示。

此類機(jī)房，實(shí)現(xiàn)冷池共享，可避免大功耗設(shè)備區(qū)域?qū)?yīng)空調(diào)負(fù)荷較高無(wú)法停機(jī)的安全隱患。還可解決個(gè)別冷通道列間無(wú)對(duì)應(yīng)空調(diào)的冷風(fēng)不足的問題。但仍為彌漫式送風(fēng)，冷量分配不均，利用率不高，帶來(lái)較大的能耗里浪費(fèi)，無(wú)法解決超大功耗設(shè)備的局部需冷量[4]。

2.4 房間級(jí)空調(diào)+架空地板下送風(fēng)

機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置有架空地板，通常架空高度400～700 mm，采用下送風(fēng)上回風(fēng)方式，送風(fēng)距離大于15 m，要求兩側(cè)局部空調(diào)，否則遠(yuǎn)端位置布局無(wú)源設(shè)備。在設(shè)備冷通道內(nèi)布置通風(fēng)地板，選擇與設(shè)備運(yùn)行功耗相匹配的通風(fēng)率，以便獲取匹配的送風(fēng)量。如圖4所示。

圖4 房間級(jí)調(diào)+架空地板下送風(fēng)

此類機(jī)房對(duì)通風(fēng)地板的布局要求高，無(wú)源區(qū)域及熱通道內(nèi)嚴(yán)禁鋪設(shè)通風(fēng)地板，否則造成冷風(fēng)及能耗的浪費(fèi)。冷通道內(nèi)要求必須配置整塊的通風(fēng)地板，且選擇合適通風(fēng)率的通風(fēng)地板是關(guān)鍵，同時(shí)要求機(jī)柜內(nèi)配置擋風(fēng)盲板，但受限于通風(fēng)地板的最大通風(fēng)率，每個(gè)機(jī)柜面前的通風(fēng)地板數(shù)量有限，能夠獲取的最大送風(fēng)量有限，因此，單機(jī)柜功耗過(guò)大，則此方式無(wú)法滿足。

對(duì)于架空地板下送風(fēng)形式的機(jī)房，有條件的設(shè)置封閉冷通道，可有效地解決冷熱氣流摻混問題，但對(duì)機(jī)柜的密閉性要求較高，必須設(shè)置足夠齊全的擋風(fēng)盲板及毛刷等設(shè)施。如圖5所示。

圖5 封閉冷通道

2.5 小結(jié)

基于傳統(tǒng)機(jī)房目前裝機(jī)率較高，設(shè)計(jì)單機(jī)柜功耗大多在3 kW ～5 kW，傳統(tǒng)房間級(jí)空調(diào)送風(fēng)方式普遍存在冷風(fēng)利用率較低、無(wú)法完全按需分配、送風(fēng)受阻及距離受限等問題，高功耗設(shè)備（＞5 kW）局部熱點(diǎn)問題普遍存在且突出，更無(wú)法滿足超大功耗設(shè)備制冷需求。

3 超大功耗設(shè)備制冷解決方案

3.1 空間換冷量

以單機(jī)柜功耗3 kW的架空地板下送風(fēng)方式的傳統(tǒng)機(jī)房為例，當(dāng)機(jī)房?jī)?nèi)新增大于5 kW的高功耗設(shè)備時(shí)，原制冷系統(tǒng)無(wú)法通過(guò)擴(kuò)容滿足局部較大冷量的需求時(shí)，每新增1臺(tái)大于5 kW機(jī)柜，應(yīng)空出與此新增5 kW相鄰的機(jī)柜位，且禁止安裝有源設(shè)備，每個(gè)機(jī)柜位保守計(jì)算可提供5 kW冷量需求，空余機(jī)柜位數(shù)量由大于5 kW功耗的差值決定，即15 kW機(jī)柜，則要求左右各空余1個(gè)禁止安裝有源設(shè)備的機(jī)柜位置，以獲取3個(gè)機(jī)柜位置通風(fēng)地板所提供的共計(jì)15 kW的送風(fēng)量，即為空間換冷量。如圖6所示。

圖6 空間換冷量方案

此種方案可適用于風(fēng)冷及水冷空調(diào)系統(tǒng)，但是占用機(jī)位數(shù)量多，極大浪費(fèi)了寶貴的機(jī)房空間資源，不經(jīng)濟(jì)，不推薦。

3.2 獨(dú)立小微模塊2+1方案

當(dāng)機(jī)房?jī)?nèi)裝機(jī)率高，空余機(jī)柜少，在局部建設(shè)單臺(tái)超大功耗設(shè)備時(shí)，可圍繞這個(gè)單機(jī)柜做小微模塊獨(dú)立制冷解決方案。以20 kW超大功耗機(jī)柜為例，在僅剩的空余機(jī)位中選取前后空間較大的區(qū)域，采用制冷量匹配的列間空調(diào)+高功耗設(shè)備+列間空調(diào)的2+1夾心形式，空調(diào)設(shè)備（每臺(tái)占半個(gè)機(jī)柜位）1+1熱備份。通過(guò)增設(shè)冷熱通道的導(dǎo)風(fēng)門（不小于300 mm深），分別將機(jī)柜和列間空調(diào)的冷通道及熱通道連通，封閉列間空調(diào)及設(shè)備的冷、熱通道，在列間空調(diào)故障時(shí)，封閉通道內(nèi)冷風(fēng)不足或溫度超標(biāo)時(shí)，導(dǎo)風(fēng)門可自動(dòng)彈開，確保不會(huì)溫升宕機(jī)[5]。獨(dú)立小微模塊的定制化封閉的導(dǎo)風(fēng)通道要具備維護(hù)安全性、連通性、密閉性。如圖7所示。

圖7 獨(dú)立小微模塊2+1方案（俯視圖）

3.3 獨(dú)立小微模塊3+2方案

當(dāng)傳統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi)建設(shè)2個(gè)且需要布局在一起的超大功耗設(shè)備時(shí)，以單機(jī)柜功耗28 kW～35 kW的核心路由器NE5000E設(shè)備為例，可采用獨(dú)立小微模塊3+2夾心形式，即采用3臺(tái)列間空調(diào)+2臺(tái)超大功耗設(shè)備間隔布置，空調(diào)設(shè)備（每臺(tái)占1整個(gè)機(jī)柜位）2+1熱備份，與2+1模式相同，仍設(shè)置封閉連通導(dǎo)風(fēng)門，使冷、熱通道單獨(dú)送、回風(fēng)，冷量專享，熱風(fēng)全部回到空調(diào)。如圖8所示。

圖8 獨(dú)立小微模塊3+2方案

此種方案適用于老舊機(jī)房新建單機(jī)、背靠背或擴(kuò)容場(chǎng)景，微模塊插花式部署，占地空間小，部署完成后和設(shè)備機(jī)柜一樣高度和寬度，可利用機(jī)房現(xiàn)有列頭柜、走線架等基礎(chǔ)設(shè)施。

3.4 封閉熱通道方案

以新啟用機(jī)房為例，當(dāng)建設(shè)多個(gè)超大功耗設(shè)備（7～28 kW以上）以及未來(lái)需求多個(gè)集群設(shè)備時(shí)，可采用雙列機(jī)柜封閉冷/熱通道方案，將超大功耗設(shè)備靠近列間空調(diào)且分散布置，列間空調(diào)充分考慮遠(yuǎn)期布置冗余，一次建成，并留有彈性，同時(shí)封閉熱通道，可使超大功耗設(shè)備空調(diào)就近制冷，提高冷風(fēng)利用率及空調(diào)制冷效率。如圖9所示。

圖9 雙排機(jī)柜封閉熱通道方案

3.5 方案分析

上述3.2至3.3節(jié)獨(dú)立微模塊方案可有效滿足超大功耗設(shè)備的制冷需求，列間空調(diào)可采用風(fēng)冷列間、冷凍水列間空調(diào)。與空間換冷量需要空3～9個(gè)機(jī)位的方案相比，可節(jié)省50%～70%的占地，降本增效，節(jié)約寶貴的機(jī)房空間資源。3.4節(jié)方案適用于新機(jī)房啟用或局部空間寬度超過(guò)6 m時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)一次建成，支持多臺(tái)超大功耗設(shè)備。上述方案均可適用于水冷、風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)。可有效解決超大功耗設(shè)備局部熱點(diǎn)問題，且對(duì)傳統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi)裝機(jī)率較高的周圍大量低功耗設(shè)備不產(chǎn)生影響，安全可靠。在保障其他設(shè)備安全運(yùn)行的同時(shí)，滿足了超大功耗設(shè)備發(fā)展需求。

通過(guò)以上不同場(chǎng)景工程案例的分析，對(duì)比傳統(tǒng)機(jī)房制冷方式，模塊化的制冷方案更符合超大功耗設(shè)備制冷發(fā)展趨勢(shì)。在新老機(jī)房?jī)?nèi)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)景的超大功耗設(shè)備需求，根據(jù)機(jī)房實(shí)際情況進(jìn)行制冷方案配置。以上方案通過(guò)實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，制冷效果明顯且高效，在未來(lái)高集成度發(fā)展中，具備普遍適用推廣性。

4 建 議

（1）對(duì)運(yùn)行功耗大于5 kW的機(jī)柜，建議獨(dú)立區(qū)域擺放并配備獨(dú)立制冷解決方案（如列間空調(diào)+封閉冷通道方案），如機(jī)房?jī)?nèi)剩余空間無(wú)法提供獨(dú)立區(qū)域，則必須分散布置，禁止集中擺放。

（2）建議按照設(shè)備遠(yuǎn)期需求配置空調(diào)冷量，充分冗余冷量，同時(shí)冷熱通道隔離時(shí)，優(yōu)先封閉熱通道，超大功耗設(shè)備需靠近列間空調(diào)且分散布置。

（3）對(duì)于風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)，建議選用氟泵節(jié)能空調(diào)，室外機(jī)選用高效集中冷凝型外機(jī)，可充分利用自然冷源，節(jié)能降耗。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)比分析多種場(chǎng)景的空調(diào)制冷方案，提出了多個(gè)超大功耗設(shè)備集中模塊化的制冷解決方案，大大提升空調(diào)系統(tǒng)供冷安全等級(jí)，滿足新階段大功耗設(shè)備高功率密度的供冷需求，同時(shí)達(dá)到節(jié)能降耗、降本增效的目的。本方案適用于新建及既有傳統(tǒng)機(jī)樓/機(jī)房的水冷、風(fēng)冷系統(tǒng)，方案架構(gòu)可復(fù)制，推廣性強(qiáng)。