机房空调合理安装与控制对散热及节能的影响分析

2010-02-26福建省电信公司泉州泉港区电信局李雄文

智能建筑与智慧城市 2010年7期

关键词：热空气进风口冷空气

文｜福建省电信公司泉州泉港区电信局李雄文

文｜福建省电信公司泉州泉港区电信局李雄文

文中从散热方式和空气对流的角度，讨论了机房空调处于机房内不同位置时，对通信设备散热和机房节能的影响，并展开分析提出了机房环境温度控制的新思路。

节能环境温度室内功耗

在全国上下大力倡导节能减排的形势下，作为通信机房不可或缺的空调设备，每年要消耗大量的电能。合理使用、降低能耗是当前需要重点研究的一个课题。虽然部分局站有采用通风节能设备以降低机房空调能耗方案，但使用中还是存在一定局限：低端产品会造成机房内环境（如湿度、灰尘）不可控和维护工作加大，高端产品成本又较高。如何从空调本身节能？本文就空调的位置、朝向、温度控制等对设备散热及机房节能的影响进行了分析。

1 空调安装位置对节能的影响

目前机房使用的空调有柜机、挂机、中央空调三种方式。三种方式的空调会与机房通信设备形成多种位置关系的组合，而每种组合情况下，空调对通信设备的散热工作和节能状况却是大不相同的。虽然对于机房空调，一直在倡导“以机为本”的理念，但在一些局站，对此理念的理解还存在一定误区，总认为空调散热的目标应对准设备最热处，效果才是最好的，真是这样的吗？下面就一些典型组合进行具体分析：

（l）空调对准设备后面

如图 1 所示，当前通信设备多采用风扇冷却方式，且通常采用前端进风，后端出风的形式。空调的出风口对准设备后方，冷空气与从设备内出来的热风会合，会很快使气温降低，但空调的高速出风，会对通信设备热空气的排出产生一个风阻，削弱了通信设备热空气的排出速度，使得热空气在通信设备内产生滞留，从而使设备内局部温度升高。因此，在这种情况下，会造成环境温度低，而设备内温度高的“假低温环境”现象，不利于设备的健康使用。有的用户在此方式下，甚至打开后门让空调风对着里面吹，以为利于设备散热。根据电源厂家对这种情况与空调侧吹的情况做了温升对比，对比对象为在同一负载条件下同型号的两套通信电源系统的模块机内温度。空调前面侧吹的系统，在模块后内侧 1 寸处空气温升约为 13℃ ，而打开后门对里面正吹的电源，虽然感觉不到电源设备发热，但模块内相同位置的温升却达到15℃～16℃ ，并没有使电源模块的散热得到合理改善。

（2）空调在设备后面平吹或斜吹

如图 2 所示，在这种方式下，空调扫风和气流扩散从侧面对通信设备后面产生反压，仍然会对通信设备热空气从后面排出产生一个风阻，同第 1 种方式一样，也会造成环境温度低，而设备内温度高的“假低温环境”现象，不利于设备的健康使用。

（3）设备置于于中央空调出风口下方

如图 3 所示，通常通信设备前面进人的冷风经过电气部分散热吸收后，在设备后部形成热空气，而且越往上，空气温度越高。由热力学知识我们知道，上下端的空气会产生对流，而在设备内相对筒状结构，会形成抽风效应——即下端空气在对流作用下会加速上升，同时通过后门下端的通风孔，对外部冷空气形成吸入效应，加速通信设备的散热。

若按图3所示将通信设备置于中央空调出风口下端，虽然下行的冷空气会迅速与上升的热空气产生热交换使之冷却，但下行的风压会对上行的热空气形成阻力，破坏抽风效应的形成，使热空气滞留设备内部，同样产生环境温度低，而设备内温度高的“假低温环境”现象，不利于设备的健康使用，尤其对后门无通风孔或通风孔不足，而对抽风效应依赖的设备，影响更大。

（4）挂式空调平吹设备上端

如图4所示，这种方式也会使设备内上升的热空气与空调平吹的冷空气相遇而快速冷却，但可以看到，平吹的冷空气一样会在设备上端形成反压风阻，阻碍设备内热空气的上升，从而产生环境温度低，而设备内温度高的“假低温环境”现象。同时可以看出，空调吹出的冷空气与机房顶面近距离接触，热交换速度快，会大量吸收室外热能。在这种情况下，空调一方面要排出通信设备工作产生的热能，同时要克服室外迅速传导进来的热能。假设将空调的制冷总功耗Pt，分为两部分：克服通信设备工作发热的制冷功耗 Pe。和克服室外热量传导室内的制冷功耗Pw，则Pt=Pe+Pw。假设此种方式的Pw为Pw1，而下端扫风时为Pwn，则Pw1＞Pwn，相同控制环境下空调功耗要增大。

从以上 4 种位置关系我们可以看出，每种方式改善的是机房设备外的空气环境温度，而不是设备的“内环境”温度，并不利于设备健康运行，空调做的无用功过多，能效低。

2 改善散热效果和节能的安装方式

如图 5 所示，空调平吹设备正面，与设备风扇风向一致。这种情况下，空调吹出的冷风加速了设备内部通风速度，使设备内散热效果增强，设备后部的热气流在抽风效应下迅速上升，到达机房顶部，与顶端热墙面接触，降低了热交换速率。如果上升气流温度高于墙面温度，室内热空气还可以通过顶端墙面向外散热，减轻了空调散热负荷。假设此种方式下的Pw为Pw2，则与前面情况相比， Pw2＜Pw1，空调制冷功耗需求将明显降低。在这种方式下，室内温度形成分化，下端低、上端高，下端冷空气加速设备散热，改善设备运行环境；上端热空气对设备工作没有任何影响，而且有利于机房散热，降低制冷功耗需求。在这种方式下，如空调采用下出风的方式，效果将更好。

对于室外机，要充分考虑方位和当地气候特点，将空调外机安装在避免阳光直晒和利于通风的位置，当两个因素存在冲突时，应根据气候特点来权衡综合阳光照射吸收的热量和自然通风带走的热量，从而做出更有利的方案。

3 机房温度控制对节能影响的新思路

目前人们习惯认为通信设备运行的环境温度就是机房温度。而机房温度，就是对机房内大环境的温度，或机房内的平均温度。在分析之前，我们先思考三个问题：（1）机房各点温度是否需要均衡？（2）各点温度是否具有同等意义？（3）我们最主要通过空调控制什么地方的温度？

在无强制温度控制干预下，机房设备的发热和风扇散热，必然导致机房上端温度高，下端温度低；前端温度低，后端温度高。而这些温度点，仅进风口的温度，对设备的散热和可靠工作才有决定性的意义，其他点温度的高与低，对设备的可靠性和寿命影响很小。因此，我们可以认为，设备的环境温度应是设备进风口温度，而不是笼统的机房温度。这样，我们在空调的配置和设置上，应重点控制设备进风口温度，而不是控制所有点温度。而且，保持机房顶部相对合理的热空气，更有利于机房向外散热或减小对外部热量的吸收，从而降低机房空调的制冷功耗需求。

根据以上分析，在空调的放置上，应保证空调出口的扫风，朝向设备进风口；并通过控制合理的位置和方向，使发热量最大的设备离空调最近，同时空调的扫风能刚好覆盖所有发热影响设备。

在空调温度的设置上，只要保证离空调风口最远的电子设备的进风口温度，达到规定要求（如常温 25℃ ）即可。该设置点可反复测试取得，如通过设定，离空调最远端设备达到热平衡后，设备内关键取样点温度（大部分厂家设备有显示），刚刚低于常温 25℃无空调情况下设备达到热平衡后内部关键取样点温度。根据这种设置思路，空调温度设置值可达到尽可能高，笔者认为甚至可能达到 26℃ 以上，在以机为本的原则下，机房温度无须考虑对人的舒适性。

在空调的配置上，功率配置只要保证在以上的放置和设置，设备最大发热工作时，进风口温度能达到 25℃ 即可。出风方式建议能选用下出风方式。通过以上的温度控制方式，笔者认为对机房空调的发热需求会大幅降低，从而尽可能降低机房空调用电损耗，达到节能目的。