通信机房纵向隔断效果气流结构的研究

张 礼

（安庆移动分公司网络部，安徽 安庆 246003）

0 引 言

近年来，全国通信网络规模和用户规模不断扩大，通信企业机房的耗电量已经成为不断增加的重要成本。在众多的用电成本中，空调用电费占有相当大的比例。据调查，核心机房中仅精密空调的运行耗电量就占机房总用电量的50%以上，汇聚机房中空调用电量基本在70%左右[1]。而空调的制冷量除与设备发热功耗有关外，还与机房空间的大小有着密切关系。为减少机房空间对制冷量的需求，在水平面上对空闲的机房空间采用物理隔断的方式，有效降低了机房空调的制冷量。垂直面上机柜高度只占有机房高度的一半左右，但机房上部都装有走线架等，无法进行物理隔断。因此，如何进行垂直面上的隔断成为需要研究的重要课题。

1 机房空调系统送风方式

通信机房的气流结构与机房采用的空调系统的送风方式关系密切，常见有IDC机房和核心机房内的风管上送风、架空地板下送风和微模块等多种送风方式。汇聚机房或基站机房大多采用的是普通空调自带出风口的水平送风方式。

1.1 风管上送风

该种送风方式应用于机柜按照冷热通道间隔的方式布置，布置上送风风管，空调送风口对应机柜冷通道，回风口尽量设置在热通道上，依靠空调回风压力将机柜排出的热风吸回，如图1所示。

1.2 架空地板下送风

该种送风方式需在机房内设置架空地板，地板高度随机房内单机柜功耗的不同而变化，并选用下送风方式的机房专用空调。为避免楼板结露，机房地面需保温处理。机柜同样按照冷热通道间隔的方式布置，机柜前后门的开孔率不宜低于60%。空调冷风在架空地板下通过冷通道上设置的开孔地板（送风口）和机柜前门进入机柜内，空调回风口尽量设置在热通道上，依靠空调回风压力将机柜排出的热风吸回，如图2所示。

1.3 微模块列间空调送风方式

空调出风口是从冷通道送风，经过通信设备后采用热通道回风的水平送风方式，从而完全解决了冷热气流短路的问题。该种送风方式实现了冷热通道的物理隔离，保障了服务器机柜温度的均匀，在设备密集的机房使用较多，如图3所示。

图1 上送风方式示意图

图2 架空地板下送风方式示意图

图3 列间空调送风方式示意图

1.4 普通空调自带出风口水平送风

由于节点机房和基站机房位置分散，所安装的通信设备数量少，且机房空间多在60～120 m2，空间不大，所以大多只安装1～2台5P普通机房空调。它采用空调自带的水平送风方式，如图4所示。

2 机房空调系统气流结构

2.1 传统机房空调系统气流结构

传统机房的空调送风、回风方式以及通信设备的通风方式导致了机房气流的局部热点离通信设备很近，整个机房气流处于紊乱的机构中，如图5所示。如要保持通信设备运行在合理的温度范围，就要求空调对整个机房空间有效降温。而数据中心采用的微模块形式的列间空调通风方式，虽实现了通信设备冷通道和热通道的物理隔离，但通信设备的背出风和列间空调的回风方式同样导致机房局部热点离设备依然很近，空调回风同样使机房中存在相对很热的气流，大幅降低了空调制冷效果。

图4 普通空调水平送风方式示意图

2.2 置换通风气流结构

（1）置换通风是气流组织的一种形式，起源于20世纪70年代的北欧，最初应用于工业建筑，后逐渐应用到其他领域，是一种较新的通风形式。它是将经处理或未处理的空气，以低风速、低紊流度、小温差的方式，直接送入室内人员活动区的下部。送入室内的空气先在地面上均匀分布，随后流向热源（人或设备）形成热气流，以烟羽的形式向上流动，并在室内的上部空间形成滞留层，从滞留层将室内的余热排出。

图5 机房平视，传统机房气流分析

（2）应用于通信机房的置换通风方式是以浮力和设备排风作用为动力源而形成空气自然对流射流为主要特征的通风方式。如图6所示，当室内发热设备的温度高于其周围室内温度形成热源时，室内空气将沿着热源周围进行自然对流换热，换热后的热源周围空气在浮力和设备排风的作用下如烟羽状自然上升，从而使热源周围空气形成自下而上自然对流射流，并夹带热源周围空气一起升至室内顶部，使得机房的局部热点上升到机房顶部空间，在浮力的作用下，上部形成高温滞留层。由于机房墙体本身具有散热能力，根据计算模型其固有散热性能在正常条件下，一个120 m2钢筋混凝土（热传导系数1.74 W/（m2·K））机房的散热量相当于1.3台5P空调的制冷量，迫使沿着墙壁流动的高温空气先自然冷却下降，同时在空调回风压力的作用下降低至下部空调制冷区域，在机房空间形成下部温度适宜的洁净层，从而形成置换通风循环，在气流结构上相当于把机房空间从垂直层面进行“隔断”，机房空调只需要保持设备区高度空间的温度在合理范围内，设备上层空间走线架所处位置，温度对其影响不大，从而大幅提高机房空调使用效率（PUE）。

（3）对于空间空调制冷量的需求一般是按空间体积进行设计，按50 W/m3进行估算，通信机房空间高度在4.5 m左右（下通风方式，地板高度0.5 m），这就要求通信机房有200 W/m3的制冷量。而气流隔断形式的置换通风气流机构，高度可控制在机柜高度3 m左右，理论制冷量125 W，可降低制冷能耗37.5%。

图6 机房平视图，气流模拟分析

2.3 机房气流结构的优化

根据机房结构特点，合理规划机房气流组织。充分利用置换通风循环的原理，改变通信设备的出风方式，合理设置空调送风口，确保气流送风过程中无阻挡，避免机房内的冷热空气混合或造成冷量损失，在机房空间从气流结构上形成相对的“隔断”。

2.3.1 通信设备进出风方式的优化

通信设备采用下进风或下侧进风的方式，出风采用上出风方式，设备的摆放采用“面对面、背对背”的布局，从而使设备由洁净层吸入冷气流，向高温滞留层排放热气流，形成置换通风循环。

2.3.2 空调送风及回风方式的优化

汇聚机房空调由于机房空间小，很多都是靠墙角摆放，空调送风口气流容易被设备阻挡亦或空调送风口远离设备区。同时，该种机房大多使用普通柜式空调，不具备设备下通风的条件。可以根据设备进出风口的方向，采用机柜面对面或背对背的方式摆放，使之形成广义的“冷”通道和“热”通道。如图7所示，充分利用置换通风的原理，选用上出风的设备机柜，同时降低普通空调的出风口高度，使空调出风口更接近设备进风口，且空调的送风处于洁净层，从而使机房气流结构达到置换通风循环的要求，形成相对的气流“隔断”，从而提升机房制冷效果。

对于采用地板下送风的机房，可以选用上出风下进风的设备，从而充分利用置换通风循环，使机房空间上部形成高温滞留层，下部形成洁净层，形成相对的气流“隔断”，如图8所示。

采用列间空调的微模块机房，可以选用侧进风和上出风的通信设备，根据设备进出风口的方向，采用机柜面对面或背对背的方式摆放，同样可以形成置换通风循环，降低列间空调的回风温度，降低空调制冷能耗。

图7 背对背摆放方式，形成冷热通道

采用空调上出风口的机房，由于出风口在机房高温紊流层需要安装送风管，精确送风至设备的侧面或者门板上。设备同样采用侧进风和上出风，如图9所示。

图8 地板下通风示意图

图9 门板式精确送风器示意图

3 空调制冷效率优化

在对各种冷源的分析中发现，充分采用自然冷源可大幅降低空调能耗和机房PUE，主要有机房热管、氟泵和板换等自然冷源技术方案。目前，热管空调、氟泵空调以及冷冻水空调已经在数据中心机房和核心机房中得到了很好的应用，有效降低了机房PUE值，但是面对数量众多的汇聚机房或基站机房，因地理位置、周围环境以及使用的高额成本等原因，以上类型的空调很难在汇聚机房中得到广泛应用。

结合多年对普通机房空调的通风方式研究后，在不改变空调原有通风方式和利用隔断效果气流结构的基础上，创新性开发智能温差通风助手装置，在普通柜式空调的基础上安装温差通风装置。当室外温度低于室内温度时，自动启动对室外空气的引入（考虑到温差过大容易形成凝露，引入温差设置5 ℃左右），如图10所示。通过对室外冷空气和室内空气在空调内进行混合后，再经过空调出风后送至室内。由于空调是通过采集回风温度控制空调制冷，所以当室外空气温度低时，空调会停止压缩机制冷自动进行通风模式，从而达到节能和促进机房散热的双重效果。同时，室外冷空气进气量远小于空调风机从室内引入的空气量（冷空气引入量与空调回风量的比值1:5），且混合过程在空调内部完成，从而有效解决了室外温度低情况下出现结露现象，同时有效利用清洁室外冷源降低了室内温度而不破坏原先的室内空调气流结构。对于冷空气进风量不好控制的地方，可提高冷空气进风口的高度至空调冷凝水盘以上，使冷热空气混合形成的冷凝水一同流入空调自动的排水系统。引入口进行空气过滤，并采用自动闭锁装置确保引入冷源的清洁，对于室外空气灰尘严重地区可以适当提高引入口高度。智能温差通风装置实物图，如图11所示。

表1 汇聚机房优化前后电表数据统计

图10 智能通风装置结构图

对现网的部分可优化机房进行以上方式的气流隔断效果优化，并采用PUE的测量方法，对相邻室外环境温差不大的两周的运行数据进行统计调查。由于汇聚通信机房主设备用电量在短时间能几乎不发生很大变化，所以采集的能耗差值均为空调设备耗电量，有效减少能耗7%～23%。

图11 智能温差通风装置实物图

以上数据来源于2018年9月21日至2018年10月5日采集的智能电表数据，数据采集点为市电引入机房上端，室外温度均在26～34 ℃。其中，汇聚机房1、汇聚机房2采用优化机柜位置并引入室外冷源的方式，汇聚机房3至汇聚机房11采用优化机柜位置的方式。

4 结 论

随着全国通信网络规模和用户规模的不断扩大，通信网络飞速发展，通信设备运行的耗电量已经成为不断增加的重要成本，而空调系统的运行耗电量占据了通信设备运行耗电量的最大比重。从对传统机房的气流结构分析研究出发，提出了机房纵向隔离效果的气流结构的理论方法和柜体摆放的优化、气流结构的优化以及冷源利用方法等优化研究建议，涉及数据中心机房、核心机房和优化难度大的基站机房，进一步促进了机房空调的安全、节能和经济运行。