傳統機房局部熱島解決方案探討

蔡曉陽

（中國電信福建公司，福建福州350001）

0 引 言

近年來，通信業迅猛發展，通信網絡設備從傳統的TDM設備向IP設備規模布局，IP服務器設備開始在通信網絡大量使用。隨著高集成化設備及刀片服務器的大量使用，其功率密度高的特點，造成了機房氣流組織復雜化，使得高密度設備區開始不斷呈現熱島效應，這種現象在傳統機房尤為明顯。因此，如何解決傳統機房局部熱島問題，又能夠達到節能目的，是目前值得深入研究的一個課題。

1 傳統機房局部熱島原因分析

通過對傳統機房通信主設備發熱功率、設備運行的溫度環境情況、機房投入運行的空調配置冷量、氣流組織情況等進行綜合分析，產生傳統機房局部熱島的原因主要有以下幾個方面：

（1）通信設備機架規格種類比較繁雜，差異性很大，設備機架進風散熱設計方式不同。

（2）通信設備本身的進風與散熱設計不同。

（3）通信設備布局“背對面”的級聯加熱使得后排機柜發生局部過熱。

（4）空調送回風氣流不暢，機柜門通孔率不夠，造成空調冷源利用率低。

（5）機房氣流組織混亂，造成系統無為做功，冷熱空氣混合等，影響空調運行效率。

（6）新增設備的單機功耗增大，機柜的功率密度增大。

2 傳統機房的氣流組織結構類型及其優化改造方案分析

2.1 傳統機房的氣流組織結構類型

傳統機房的氣流組織大致可以分為四種形式，具體有無送風管道的上送風下回風上走線形式、有送風管道的上送風下回風上走線形式、下送風上回風上走線形式、下送風上回風下走線形式，優劣性分析如表1。

表1 四種氣流形式的優劣比較

2.2 解決傳統機房局部熱島問題分析

影響機房氣流組織的優劣根本主要與空調送回風形式、通信設備的散熱形式、線纜線架的布置形式等有直接的關系。將冷熱空氣隔離，減少冷熱空氣混合現象，可以提升冷空氣利用率，減小空調運行負荷，改善機房氣流組織的同時實現節能。具體有如下幾種熱島解決方案：

（1）增加空調數量解決局部熱島問題

通過簡單的增加空調數量來降低機房的整體環境溫度，從而減少機房的局部熱點，是傳統的“先冷環境，再冷設備”的方式。該方案通過簡單的增加空調數量來降低機房的整體環境溫度，貌似減少機房的局部熱點，是傳統的“先冷環境，再冷設備”的方式，對局部熱點問題解決效果較差，且嚴重增加機房用電量，與節能減排背道而馳。

（2）在機房內增加送風管道

通過在機柜上方增加送風管道，將空調的冷量送至機柜附近。該方案通過簡單增加送風管道，可以對氣流進行適當引導，將冷量送至機柜附近，對局部熱島問題解決效果一般，可提高冷量利用率，節能效果一般，但是全部采用送風管道改造，改造費用高。

（3）針對具體熱點位置具體送風

通過在機房內針對具體熱點位置具體送風的方式解決局部熱島問題。該方案通過在機房內針對具體熱點位置增加工業風扇具體送風的方式，對局部熱點問題的解決效果較為明顯，但節能效益一般，增加機房功耗，將風扇放置在設備通道影響維護操作，加上工業風扇不穩定，不能滿足熱點設備供冷連續不間斷要求。

（4）在機房內實施全部精確送風

根據設備的冷量需求合理分配風量，通過在機房內實施精確送風的方式，達到“先冷設備，再冷環境”的目的。該方案可有效地解決機房內局部過熱問題，改善機房設備的運行環境，并提高空調利用效率、降低能耗，節能效果十分明顯。但是全部進行精確送風改造成本太高，而且并非機房內所有設備均具備改造條件，受空間、高度等因素制約。

（5）在機房內實施局部精確送風

根據設備的冷量需求合理分配風量，針對具體熱島位置具體送風的方式與精確送風方式，對部分設備實施精確送風的改造方案。該方案可有效地解決機房內局部過熱問題，改善機房設備的運行環境，并提高空調利用效率、降低能耗，節能效果十分明顯，同時可以節省建設投資，且受原有機房布局影響小。

表2 幾種解決方案的綜合比較

如表2綜合比較分析可知，通過在機房內局部區域實施精確送風的方式可有效地解決局部熱島問題，并且提升冷空氣利用率，減小空調運行負荷，因此節電效果非常明顯，從長期目標來看，投資效益更高。

3 傳統機房試點改造分析

為研究解決機房局部熱島問題，以普明二層綜合機房作為試點，通過局部精確送風的改造方式，探討解決機房局部熱島問題。

3.1 機房現狀及主要問題

普明二層為綜合機房，設備12列，空調為上回風模式且單側布局，機房橫向距離達25.8 m，主要由10臺機房專用空調供冷。3列IMS設備因部分單機功率密度較大，且距離空調較遠，回風距離過大導致機房環境溫度偏高，機架過道平均溫度29.7℃，出現局部熱島現象。

3.2 機房改造方案

（1）冷空氣隔離改造方案

根據機房空調、送風管道、設備及走線架布置，將設備劃分區域。對于單機功率密度較大的設備在原風管的基礎上實施局部精確送風改造，解決局部熱島問題；對于功率密度較低的區域不進行改造，利用原有風管進行供冷。

a.以原有風管利舊原則實施低成本改造且考慮今后更換空調風管可繼續利用。

b.對于空的機架則可直接關閉風閥；對于裝載不滿的機架，服務器層間空隙超過1U以上的采用盲板封堵，避免冷量損失；對于裝載較滿的機架根據其功率與溫度要求來調節風量大小。

c.實現“按需供冷”、冷熱氣流隔離作用。（2）機房改造預計實現目標

通過此次改造，可預計實現目標如下：

a.改善機房設備的運行環境，消除機房局部熱點隱患。

b.有效提高空調冷源利用率，減少空調壓縮機運轉歷時，提高空調壽命。

c.實時掌控通信設備運行的環境溫度、濕度，監測空調電能消耗。

（3）改造前后環境效果比較

通過精確送風技術改造，機房環境溫度得到明顯改善，改造前機柜出風口實測溫度達到27℃～32℃，并且存在局部熱島現象；改造后機柜出風口實測溫度只有16℃～18℃且無局部熱島現象，由此可知，改造后通信機房設備運行環境溫度明顯下降，如表3。

（4）投資效益評估

根據測試數據，改造后機房空調日平均總能耗降低120 kWh。每年空調節電率達到8.9%，一年節電量為4.4萬k Wh左右，以電費0.8元／kWh計算，年節電費為3.5萬元左右，該機房節能投入為18萬元左右，5.33年可收回投資成本。同時，隨著設備的增加，節電率將更高，如表4。

表3 改造前、后溫度對比

表4 普明二層交換機房投資效益評估表

4 結 論

不同類型傳統機房由于在機房結構、設備分布、空調擺放、氣流組織方式等方面存在的局限性，同時存在后期高能耗設備的不斷增加等客觀原因，從而造成傳統機房內溫度分布嚴重不均勻，部分機柜過熱，部分機柜過冷，最終導致傳統機房出現耗能不平衡，形成局部熱島現象。本方案利用局部精確送風改變傳統機房氣流組織方式，在確保機房運行安全的前提下，有效地解決傳統機房的局部熱島問題。

（1）傳統機房局部精確送風節能技術改造不影響在網設備安全運行，采用“先冷設備，后冷環境”的制冷模式，實現根據設備實際發熱量精確分配冷量，解決機房內局部過熱問題，減少宕機事故，保證了機房設備運行的安全性。

（2）提高空調利用率，減少空調壓縮機的運轉歷時，有效地降低機房能耗，實現機房PUE值的下降。

（3）實現了機房設備溫升的精細化監控，實現機房設備異常溫升的預警，提高了通信設備的安全保障等級。

（4）通過改造優化，機房熱環境得到改善可以將精密空調的制冷量全部用于IT設備發熱，提高裝機容量，提高了機房的利用率。

（5）局部精確送風節能技術是對通信機房精確送風節能系統的實際應用進行了深化探索，為傳統機房氣流組織改造提供了新思路，同時也為今后該技術在機房相關設計、施工推廣奠定基礎。