傳統機房氣流組織優化實踐

邢曉曄，陳翰功，張 旭

（中國移動通信集團北京有限公司，北京 100027）

0 引 言

世界經濟高度發展，我國現代化進程逐步推進，通信網絡進入每個人的生活，通信行業所帶來的能源消耗問題也進入人們的視野[1]。能源氣候問題作為當今人類面臨的重大挑戰，積極應對能源問題是我國實現可持續發展的內在要求。2021年政府工作報告指出要在2030年前碳排放達峰，中國將以實際行動作出貢獻。

隨著網絡云化和5G技術的快速發展，網絡設備功耗提升，而制冷設計還停留在低功耗時代，造成機房能耗利用率低下，熱島效應普遍出現的情況。對于老牌運營商企業，現有的核心機樓中存在大量傳統機房，普遍具有氣流組織較為混亂的特點，冷熱通道不隔離，冷熱混風導致空調制冷效率不高，使得額外消耗的電力資源較多。因此，對此類存量傳統機房的節能改造探索迫在眉睫[2]。

本研究對一典型傳統機房進行氣流組織優化改造，旨在通過冷通道封閉優化機房內氣流組織，并同步實現更細顆粒度的區域門禁和安防管理，幫助運維人員實現遠程實時環境監控和U位級資產監控，降低運維工作量，提高運維工作效率，為其他傳統機房的節能改造工作提供參考。

1 典型傳統機房改造方案

1.1 改造前機房基本情況

本次改造選用的機房采用開放式制冷架構,即采用房間級精密空調通過通風地板下送風至每列機柜的前門處進行設備制冷，冷熱風混合，制冷效率低下。

同時，該機房在精細化管理方面也不夠完善，比如對機房內部不同區域的準入授權、消防和漏水狀態的監控，對不同機柜的溫濕度監控及柜門開關狀態的監控，都無法做到準確和精細的監控，安全上留有一定的監控死角[3]。

1.2 改造目標

本次節能改造的項目及目標見表1。

表1 節能改造目標表

1.3 冷通道封閉改造方案

將對置的兩排機柜通道端門和天窗進行封閉，將空調的冷量保留在封閉區域，形成冷池供給柜內IT設備制冷，提高空調制冷效率。

1.3.1 端門

通道端門采用平開玻璃門，支持端門屏幕密碼、刷卡器刷卡進行權限審核后手動打開門。

端門內側還裝有出門按鈕和應急按鈕，前者用于正常出門使用，后者用于門禁系統故障后的緊急開門，為一次性使用。

端門內外裝有燈控開關，可以控制通道內的LED燈。

一側端門外立柱裝有天窗緊急按鈕，供通道內出現緊急情況時手動打開天窗供消防滅火氣體噴入使用，也可以作為日常消防跳窗開啟測試使用。

一側端門外頂部還裝有一個聲光告警器，以便通道內出現火災等極端狀況時，可以迅速進行告警。

一側端門安裝有一塊12英寸顯示屏，除可以輸入密碼控制端門開啟和啟停端門微波感應功能外，還可以實時查看通道及機柜內的微環境狀態和機柜內的資產信息。

1.3.2 通道

通道上配置有設備天窗、消防天窗、固定天窗等3種天窗類型，并使用兩側的抬高組件安裝固定于對向的兩排機柜前端頂部。其中設備天窗用于安裝通道內的監控設備，如溫濕度傳感器、煙霧傳感器、攝像頭等，如圖1所示；消防天窗用于通道內起火時的緊急開啟，便于通道外頂部的滅火氣體噴入通道內；固定天窗主要用于在天窗頂部高度不足時使用[4]。

圖1 通道內設備示意圖

在本次改造中，需要在部分位置采用固定天窗并降低兩端抬高組件高度以避讓部分位置較低的走線架，整個封閉通道會形成一個異形通道。在通道頂部，每兩個天窗之間的結構件下安裝一根1 m長的LED燈，通過端門燈控開關控制，提供通道內部照明。在通道底部兩側，安裝一組水浸探測器+非定位的水浸探測繩，檢測通道漏水情況。

1.3.3 機房地板改造

改造區域冷通道內的7塊通風地板仍使用，并將靠墻一側的熱通道有6塊通風地板移至冷通道內替換原有的普通地板，將被替換的普通地板移至熱通道，使冷通道內的通風地板數量倍增，大大提高了冷通道內的通風量，從而進一步改善通道制冷效果。

1.4 精細化管理改造方案

1.4.1 機柜微環境監控改造

每臺機柜內均在前門安裝2個溫濕度傳感器以實現機柜級溫濕度探測，在前后門內側的門梁上各安裝1個門磁傳感器實時檢測柜門開關狀態。機柜內底部無機柜底板，機柜底部與地下空調送風靜壓箱相通，影響冷通道冷池制冷效果，需要進行封堵。機柜具體安裝設備如圖2所示。

圖2 柜內設備安裝圖

機柜內在IT設備安裝空間頂部占用1U安裝EMS300-E監控主機或E80擴展模塊，其中每列機柜各選擇一臺機柜安裝EMS300-E微環境監控主機，本機柜內的溫濕度傳感器和門磁傳感器均接入到EMS300-E主機。其余機柜每臺都安裝1臺E80擴展模塊，所有機柜將其溫濕度傳感器和門磁傳感器接入到本柜內的E80中。E80控制模塊則通過手拉手成環的方式連接到本列機柜的EMS300-E監控主機。

1.4.2 機柜U位資產管理改造

每臺機柜內需在柜門或前立柱位置安裝資產定位條以實現機柜U位資產管理功能。由于各機柜均為42U標準機柜，因此單臺機柜需要安裝7條設備定位條（單條對應6U），資產定位條串接后接入到E80擴展模塊中，以實現資產條的每一個標簽粘貼位置與機架U位的一一對應。資產定位條安裝位置詳見“柜內設備安裝圖”。

資產條安裝完成后，對機柜內設備前部位置通過強力不干膠粘貼U位電子標簽，電子標簽另一端通過磁吸方式連接到資產定位條上的對應U位，從而實現設備—電子標簽—電子ID—機架U位的一一對應。

U位資產管理系統涵蓋了設備從入庫、使用至報廢等全生命周期信息的管理，配合IT設備定位，可以方便地查找設備、查詢設備信息，進行維保提醒，以及對低值易耗品進行管理[5]。

2 改造效果分析

2.1 外觀提升

改造整體完成后，該通道的外觀效果有了較大的變化，首先將原有不同樣式和外觀的機柜封閉在一個通道內部，從外部來看機柜差異較小。從外部看通道內部，由于通道端門的分隔，顯得較為簡潔；從通道內看頂部，由于加了天窗隔開了機房頂部較為混亂的走線系統，因此整體也比較規整。而對于機柜內部，所有空余位置均增加了盲板遮擋，使冷量可以更好地用在給設備降熱上面。另外，通道內部原來布放散亂的通風地板，本次也重新進行了更換和排布調整，既提升了通風量，也顯得更為有序，具體如圖3所示。

圖3 改造前后機房實景

2.2 溫度降低

2.2.1 冷通道降溫

冷通道于2021年3月6日完成搭建工作，3月6日起冷通道正式運行。3月6日至3月22日，冷通道試運行期間，通道內機柜溫度有明顯下降，具體如圖4所示。3月22日至3月30日，冷通道停止運行，打開通道端門及天窗，恢復至冷通道安裝之前的環境狀態，通道內機柜溫度明顯上升，溫度變化由圖4所示。冷通道封閉后，溫度基本穩定在前門21 ℃、后門22 ℃。冷通道前后門打開、天窗打開后，溫度基本穩定在前門24 ℃、后門25 ℃。冷通道可以有效降低環境溫度3 ℃左右。

圖4 后臺監控通道溫度變化

由此確認冷通道可以有效地形成冷池供給柜內IT設備制冷，提高空調制冷效率。

2.2.2 機柜降溫

隨機抽取機柜查看機柜溫度曲線，首先選擇A13機柜，圖5為A13柜內溫度，從2021年3月6日正式運行，柜內溫度有明顯下降，可協助降低PUE，達到節能減排的效果。

圖5 A13機柜內溫度變化曲線

3月6日前，安裝過程中試運行過一段時間，3月6日打開通道端門及通道天窗，溫度上升至：前門30.86 ℃，后門36.37 ℃。3月6日至3月22日試運行期間，溫度穩定在：前門24.46 ℃，后門29.04 ℃左右。該機柜的平均溫度下降6℃左右。

為進一步驗證柜內溫度的降溫效果，再次隨機選擇A4機柜進行溫度曲線分析。圖6為A4機柜的柜內溫度，從3月6日正式運行開始，柜內溫度有明顯下降，可協助降低PUE，達到節能減排效果。

圖6 A4機柜內溫度變化曲線

3月6日前，安裝過程中試運行過一段時間，3月6日打開通道端門及通道天窗，溫度上升至：前門31.04 ℃，后門38.36 ℃。3月6日至3月22日試運行期間，溫度穩定在：前門21.52 ℃，后門30.33 ℃左右。該機柜的平均溫度下降10 ℃左右。

綜上，封閉冷通道后，通道和機柜內的溫度都呈現明顯的下降趨勢，表明封閉冷通道后，更為優化的氣流組織對降低環境總體溫度具有較好的作用。

2.3 監控管理提升

2.3.1 冷通道及機柜微環境

如圖7所示，冷通道的總體監控可以顯示冷通道及機柜布局、各機柜開門狀態、通道告警狀態（藍色為正常）、機柜告警狀態（紅色為異常），顯示冷通道的實時溫濕度、各機柜前后門的實時溫度、濕度和露點溫度，并在超限時展示告警標識。

圖7 冷通道總體監控

通過通道和機柜內的傳感器及后臺監控系統，實現了對機房內環境狀態的遠程監控和實時告警，節約了大量的人力投入，還提升了管理的及時性和有效性。

2.3.2 U位級IT資產管理

通過U位資產管理系統，可以實現對機房內IT設備位置的實時跟蹤，建立電子臺賬，滿足IT資產的全生命周期管理需求，有助于提高了機架的使用效率，提高單位產出，如圖8所示。

圖8 冷通道機柜空間容量監控

3 結 論

對運維工作來說，本次節能改造實現了以下功能：

（1）實時監控機柜和冷通道兩級溫度、濕度和煙霧等微環境狀態；

（2）實時監控機柜和冷通道開門狀態，避免常開門造成的安全風險；

（3）U位級精確定位設備物理位置，快速找到設備或空位；

（4）合理調整機架密度，輔助優化機房制冷效果；

（5）掌握設備生命周期狀態，防止設備過保或成為“僵尸”設備。

對運維管理部門來說，本次節能改造達到了以下目的：

（1）提升設備運行可靠性，延長設備使用壽命，減少運維成本；

（2）提高資產盤點的效率和準確性，防止不必要的擴容和設備遺失；

（3）發現并剔除無用設備，降低能耗，提高機柜利用率，提升資產投資回報；

（4）規范管理流程，提高工作效率，減少人員成本。

因此，本次改造有助于提升運維效率、提高運維質量、輔助降低PUE，同時幫助提高管理便捷性、節約成本和費用、降低管理風險，為其他普遍性較高的傳統的氣流組織差的機房提供有效參考。