大功率通信设备供电及制冷方案探讨

罗煜相，韩建芳

（1.中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310；2.广州杰赛科技股份有限公司通信规划设计院，广东 广州 510310）

0 引 言

随着通信技术的飞速发展，通信设备的功率密度成倍增长。它对机房的供电和制冷提出了更高要求，传统的建设模式已经不能满足建设要求。单机架的功率动辄数10 kW甚至更高，机房供电和制冷系统面临着严峻挑战：单机架功率10 kW，采用48 V供电方式约200 A电流，可能导致原开关电源系统容量不足，且大部分存量机房无空间用来新增开关电源系统；原电力室和设备机房距离较远，传输线路压降和损耗大；不同设备厂家的产品存在差异，进出风方式不同，与机房的气流组织不匹配；传统机房设备布局一般按面朝一侧顺序摆放，未区分冷热通道，或者即使区分了冷热通道也未进行封闭隔离，会造成气流组织紊乱，出现高温告警或局部热点问题。

1 供电解决方案

目前传输设备要求的电压类型、电压变动范围因厂家、设备型号不同而有所差异，部分厂家设备也支持240 V高压直流输入。下面以传输设备为例进行分析，表1为相关厂家的设备参数。

表1 不同传输设备电气参数

1.1 方案1：48 V直流供电方式

图1 48 V直流供电方式

1.2 方案2：240 V直流+DC/DC变换供电方式

由于设备负荷急剧增加，原电源系统容量不足，电力室机房空间不充裕，或者电力室与机房距离较远，可采用方案2的240 V高压直流[3]+DC/DC变换方式，见图2。

图2 240 V高压直流+DC/DC变换供电方式

案例：某通信楼购买的为非专用通信建筑，受机房承重限制无法安装大容量蓄电池组，导致蓄电池组只能安装在附属楼。附属楼面积有限，只能安装2套-48 V直流电源系统，目前无剩余空间安装新电源系统。另外，从附属楼3层电源机房至主楼7层传输机房距离过长（最远处约有90 m），导致压降过大，电缆数量较多，电缆通道亦显不足。

为了解决直流电源系统容量不足和压降过大等问题，决定采用240 V高压直流供电系统替换现网-48V直流供电系统，在7层传输机房内设置一套DC 240 V-DC48 V系统供通信设备使用。

通过40 V高压直流供电系统替换现网-48 V直流供电系统，电源系统可用容量与原系统容量相比高达3倍以上，可有效解决电源机房空间不足问题。240 V电源系统预计可满足未来2～3年的需求。当240 V高压直流供电系统有效负荷率达到70%～80%时，可采用类似方式改造其他-48 V系统。

1.3 方案3：UPS+48 V开关电源供电方式

若机房与电力室距离较远，为减少传输线路损耗，可采用方案3UPS[4]+48 V开关电源供电方式，见图3。

图3 UPS+48 V开关电源供电方式

电力机房内设置一套UPS，供交流用电设备使用。由于通信设备使用-48 V直流电源，因此在机房内单独新建-48 V电源系统，交流引入从UPS输出配电屏引接，从而保证设备不间断供电。新增-48 V开关电源系统建议靠近设备安装，以缩短电缆路由。

1.4 分 析

以上3种方式均可用来解决通信设备的用电问题，只是使用的场景有所差异，具体方式需根据机房空间、供电距离、工程习惯、建设投资以及运维管理各方面进行具体分析。表2为对3种供电方案的对比分析结果。

轴承型号(FAG轴承)为：轴伸端6040.M.C3+NU1040.M1.C3，非轴伸端NU234.E.M1.C3。根据轴承厂家建议，润滑油采用FAG滚动轴承润滑脂Arcanol Multitop或者基础油公称粘度等级为68 mm2/s的油脂。

表2 三种供电方案对比

长远来看，对高功率通信设备，各厂家应尽快推出支持直流-48 V、直流240 V/336 V以及交流380 V/220 V等多种电压等级的设备以供选择。若短期内无法提供，可提供配套的电源转换模块，并支持在设备机架内安装。

2 制冷解决方案

2.1 设备气流组织优化

通过查阅部分传输设备厂商的资料可知，不同厂家、型号的传输设备送回风方式各异，应该在工程设计阶段结合机房的气流组织向设备厂家提出相应要求。若不满足要求，需进行相应改造。不同传输设备参数见表3。

表3 不同传输设备参数对比

2.2 机房气流组织优化

机房制冷应以“先冷设备、后冷环境”为指导原则，贯彻“冷热通道独立设置”的理念。通信设备采用“面对面、背对背”的排列方式，相邻两列设备的吸风面（正面）安装在冷通道上，排风面（背面）安装在热通道上，实现分隔冷热气流和形成良好的气流组织，提高空调的制冷效率。可以考虑在冷热通道端头设置不到顶的垂直挡板隔离冷热通道，但不得阻挡气体灭火喷头。

对于新增设备数量较多、功率密度较高以及机房空间充裕的场景，可采用定制化云舱机房整体规划设备布局，封闭冷、热通道。机柜的数量可按实际的需求安装，即插即用，兼容通用数据机柜和设备厂家的集成柜，具有冷量损失少的特点。由于没装设备机柜位挡板密封，因此通道内不存在冷风泄漏问题。

空调可根据冷量需求，选用房间级空调地板下送风方式、列间空调行级送风以及背板空调定点送风等方式。

房间级空调地板下送风方式中，架空地板内不布放通信线缆，空调管道和线缆不应阻挡空调送风。房间级空调送风距离大于15 m时，应在机房两侧布置空调室内机，从机房两端送风。

列间空调行级送风方式近端制冷，避免局部热点；制冷设备与设备功耗相匹配，可分期部署；机柜功耗弹性规划，可提高机柜利用率；列间空调安装在机架之间，从空调前部水平送风，对机架制冷后从后部回风。

背板空调可实现机柜级制冷，节省机房空间与能耗。热管背板空调末端安装在机架后门，依靠末端盘管内部冷媒的相变对机架制冷；水冷冷门安装在机架后门，通过冷冻水盘管的显热换热对机架制冷。

2.3 风量计算

为保证设备良好的进、排风效果，设备的前、后门开孔率均高于50%。在满足强度要求的前提下，应尽可能提高开孔率，可取消柜门，加大进、排风口面积。

设备所需最小送风量计算式为：

其中：P为机柜功耗，单位W；Cp为空气的比热容，单位kJ/（kg·℃）；ρ为空气的密度，单位kg/m3；Δt为机柜出风口与进风口的温度差。

经计算每千瓦功率需要最小送风量为250 m3/h（进、出风口的温差按照12 ℃计算)，进而可计算出不同功率的设备所需最小风量（见表4）。

表4 不同功率通信设备对应通风地板数量

当空调采用下送风方式时，冷通道布置地板送风口在满足设备维护空间的前提下，还需要满足两列机柜的风量需求。普通送风地板（建议采用可调风量地板，根据需要调整出风口开孔率）的尺寸为600 mm×600 mm，面积为0.36 m2，地板送风口的有效通风面积取0.18 m2，风口风速一般为2.5 m/s，地板送风口风量为1 620 m3/h。按送风量90%的制冷效率估算，单块地板的有效送风量为1 458 m3/h。当送风量不能满足制冷需求时，可采用强制送风地板（需考虑噪音带来的影响），送风量可达2 000～3 000 m3/h。

封闭通道间距一般为1 200 mm，当通道内设备平均功率小于6 kW/台时，可采用地板下送风方式（需计算地板架设高度）；当单台通信设备功率大于6 kW时，可将机柜正前方通风地板更换为强制通风地板；当通道内设备平均功率大于6 kW/台时，不建议使用地板下送风方式。

3 结 论

（1）原有机房新增设备供电方式根据应根据场景合理选择，尽量与原设备兼容并考虑维护问题。新建机房尽量采用大容量电源系统，电压转换时尽量选择高电压等级。

（2）对于大功率通信设备，必须要求设备厂家按机房的气流组织方式供货。

（3）当机房内新增大功率通信设备数量不多时，可结合机房原制冷方式制定对应的解决方案，如封闭冷热通道两端端门和采用强制送风地板等。

（4）当新增通信设备数量较多但单机架容量不大于6 kW时，宜采用封闭冷热通道，送风方式选择房间级空调下送风或列间空调送风。

（5）当新增通信设备数量较多且单机架容量大于6 kW时，应采用封闭冷热通道方式，采用列间空调送风或背板制冷方案。