传统机房中超大功耗设备的制冷解决方案

牛 琳，王志广

（1.中国移动通信集团设计院有限公司山东分公司，山东 济南 250101；2.吉林吉大通信设计院股份有限公司，吉林 长春 130012）

0 引 言

随着5G、云计算、人工智能等新一代信息技术的快速发展，新技术对数据出口带宽要求越来越高，随之而来的是设备处理能力及集成度不断提高，单机柜功率密度等级不断增大，目前运营商网络建设中骨干网设备单机柜运行功耗已达20 kW ～35 kW，此类设备需要布局到各省各地市的既有通信核心机房内。对于既有的传统通信机房，建设超大功耗设备对于原机房内的制冷系统提出了超高要求,对整个机房的安全保障更是一种严峻考验。通过全面分析评估，传统机房原有制冷系统及模式已无法满足其制冷需求。那么，如何解决目前及未来在传统机房中不断建设超高功耗设备的制冷痛点问题，同时避免对周边现网设备产生热负荷影响，是当前及未来业务发展亟待解决的问题。本文针对超大功耗设备散热及气流组织特性，通过分析传统机房现有的各种制冷及送风模式，结合工程实际应用效果，介绍了几种不同场景下高效制冷方案。

1 “碳达峰、碳中和”背景下通信机房制冷要求及发展趋势

国家“十四五”规划纲要从现代化、数字化、绿色化方面对新型基础设施建设提出了方针指引，党中央、国务院关于碳达峰、碳中和的战略决策又对信息通信业数字化和绿色化协同发展提出了更高要求。在满足机房规划期内和配套设计承载能力范围内，充分提高机房装机率的同时，空调系统利用自然冷源，针对性的高效制冷及节能降耗成为机房制冷系统的发展趋势。

2 传统机房制冷模式及送风方式

根据空调冷源系统不同，通信机房制冷系统主要分为风冷系统、水冷系统，两种系统末端送风方式相同，且运营商通信机房中风冷系统占比较大[1]。本文主要以风冷系统为例阐述解决方案，水冷系统末端解决方案同理。

2.1 房间级空调+风帽上送风

传统老旧通信机房或电力机房，机房内未设置架空地板或无法增设架空地板，通常采用上送风下回风方式，上送风距离一般不超过10 m，最初规划单机柜功耗不大于3 kW，机柜布局较密集[2]。如图1所示。

图1 房间级空调+风帽上送风

此类机房弥漫式送风，先冷环境且冷量分配不均，空调送风距离较短，且送风受阻挡严重，远端送风量不足，易出现局部过热，随着机房内设备更新迭代，单机柜功耗的提升，已不能满足整体制冷需求，一味的扩容增加空调，不仅不能从根本上解决局部热点问题还带来大量的无效耗能。

2.2 房间级送风风冷精密空调+风管上送风

当单机柜功耗上升至5 kW，机房局部散热量大，局部热点严重突显，且弥漫式风帽上送风无法满足制冷需求时，在原制冷系统基础上改造增加送风风管，将送风口拉远至局部热点及高功耗设备进风口处或冷通道列间[3]。如图2所示。

图2 房间级空调+风管上送风

此类机房较风帽上送风相比，实现了精确送风、较合理分配冷量的目的，但由于传统机房高度及走线架布局等的上方空间受限，此类送风风管实施难度较大，不具有改造普遍性。

2.3 房间级空调+无地板下送风

机房内无架空地板或无法通过改造增设架空地板时，为保障送风距离，采用将空调底部底座作为送风静压箱，并将同侧空调静压箱连通的方式，形成共享冷池，使同侧空调互为备份，在连通静压箱上，对着设备冷通道列间开送风口，解决个别冷通道列间无对应空调的冷风不足的问题。 如图3所示。

此类机房，实现冷池共享，可避免大功耗设备区域对应空调负荷较高无法停机的安全隐患。还可解决个别冷通道列间无对应空调的冷风不足的问题。但仍为弥漫式送风，冷量分配不均，利用率不高，带来较大的能耗里浪费，无法解决超大功耗设备的局部需冷量[4]。

2.4 房间级空调+架空地板下送风

机房内设置有架空地板，通常架空高度400～700 mm，采用下送风上回风方式，送风距离大于15 m，要求两侧局部空调，否则远端位置布局无源设备。在设备冷通道内布置通风地板，选择与设备运行功耗相匹配的通风率，以便获取匹配的送风量。如图4所示。

图4 房间级调+架空地板下送风

此类机房对通风地板的布局要求高，无源区域及热通道内严禁铺设通风地板，否则造成冷风及能耗的浪费。冷通道内要求必须配置整块的通风地板，且选择合适通风率的通风地板是关键，同时要求机柜内配置挡风盲板，但受限于通风地板的最大通风率，每个机柜面前的通风地板数量有限，能够获取的最大送风量有限，因此，单机柜功耗过大，则此方式无法满足。

对于架空地板下送风形式的机房，有条件的设置封闭冷通道，可有效地解决冷热气流掺混问题，但对机柜的密闭性要求较高，必须设置足够齐全的挡风盲板及毛刷等设施。如图5所示。

图5 封闭冷通道

2.5 小结

基于传统机房目前装机率较高，设计单机柜功耗大多在3 kW ～5 kW，传统房间级空调送风方式普遍存在冷风利用率较低、无法完全按需分配、送风受阻及距离受限等问题，高功耗设备（＞5 kW）局部热点问题普遍存在且突出，更无法满足超大功耗设备制冷需求。

3 超大功耗设备制冷解决方案

3.1 空间换冷量

以单机柜功耗3 kW的架空地板下送风方式的传统机房为例，当机房内新增大于5 kW的高功耗设备时，原制冷系统无法通过扩容满足局部较大冷量的需求时，每新增1台大于5 kW机柜，应空出与此新增5 kW相邻的机柜位，且禁止安装有源设备，每个机柜位保守计算可提供5 kW冷量需求，空余机柜位数量由大于5 kW功耗的差值决定，即15 kW机柜，则要求左右各空余1个禁止安装有源设备的机柜位置，以获取3个机柜位置通风地板所提供的共计15 kW的送风量，即为空间换冷量。如图6所示。

图6 空间换冷量方案

此种方案可适用于风冷及水冷空调系统，但是占用机位数量多，极大浪费了宝贵的机房空间资源，不经济，不推荐。

3.2 独立小微模块2+1方案

当机房内装机率高，空余机柜少，在局部建设单台超大功耗设备时，可围绕这个单机柜做小微模块独立制冷解决方案。以20 kW超大功耗机柜为例，在仅剩的空余机位中选取前后空间较大的区域，采用制冷量匹配的列间空调+高功耗设备+列间空调的2+1夹心形式，空调设备（每台占半个机柜位）1+1热备份。通过增设冷热通道的导风门（不小于300 mm深），分别将机柜和列间空调的冷通道及热通道连通，封闭列间空调及设备的冷、热通道，在列间空调故障时，封闭通道内冷风不足或温度超标时，导风门可自动弹开，确保不会温升宕机[5]。独立小微模块的定制化封闭的导风通道要具备维护安全性、连通性、密闭性。如图7所示。

图7 独立小微模块2+1方案（俯视图）

3.3 独立小微模块3+2方案

当传统机房内建设2个且需要布局在一起的超大功耗设备时，以单机柜功耗28 kW～35 kW的核心路由器NE5000E设备为例，可采用独立小微模块3+2夹心形式，即采用3台列间空调+2台超大功耗设备间隔布置，空调设备（每台占1整个机柜位）2+1热备份，与2+1模式相同，仍设置封闭连通导风门，使冷、热通道单独送、回风，冷量专享，热风全部回到空调。如图8所示。

图8 独立小微模块3+2方案

此种方案适用于老旧机房新建单机、背靠背或扩容场景，微模块插花式部署，占地空间小，部署完成后和设备机柜一样高度和宽度，可利用机房现有列头柜、走线架等基础设施。

3.4 封闭热通道方案

以新启用机房为例，当建设多个超大功耗设备（7～28 kW以上）以及未来需求多个集群设备时，可采用双列机柜封闭冷/热通道方案，将超大功耗设备靠近列间空调且分散布置，列间空调充分考虑远期布置冗余，一次建成，并留有弹性，同时封闭热通道，可使超大功耗设备空调就近制冷，提高冷风利用率及空调制冷效率。如图9所示。

图9 双排机柜封闭热通道方案

3.5 方案分析

上述3.2至3.3节独立微模块方案可有效满足超大功耗设备的制冷需求，列间空调可采用风冷列间、冷冻水列间空调。与空间换冷量需要空3～9个机位的方案相比，可节省50%～70%的占地，降本增效，节约宝贵的机房空间资源。3.4节方案适用于新机房启用或局部空间宽度超过6 m时，空调系统一次建成，支持多台超大功耗设备。上述方案均可适用于水冷、风冷空调系统。可有效解决超大功耗设备局部热点问题，且对传统机房内装机率较高的周围大量低功耗设备不产生影响，安全可靠。在保障其他设备安全运行的同时，满足了超大功耗设备发展需求。

通过以上不同场景工程案例的分析，对比传统机房制冷方式，模块化的制冷方案更符合超大功耗设备制冷发展趋势。在新老机房内实际应用时，应根据不同场景的超大功耗设备需求，根据机房实际情况进行制冷方案配置。以上方案通过实际应用检验，制冷效果明显且高效，在未来高集成度发展中，具备普遍适用推广性。

4 建 议

（1）对运行功耗大于5 kW的机柜，建议独立区域摆放并配备独立制冷解决方案（如列间空调+封闭冷通道方案），如机房内剩余空间无法提供独立区域，则必须分散布置，禁止集中摆放。

（2）建议按照设备远期需求配置空调冷量，充分冗余冷量，同时冷热通道隔离时，优先封闭热通道，超大功耗设备需靠近列间空调且分散布置。

（3）对于风冷空调系统，建议选用氟泵节能空调，室外机选用高效集中冷凝型外机，可充分利用自然冷源，节能降耗。

5 结 论

本文通过对比分析多种场景的空调制冷方案，提出了多个超大功耗设备集中模块化的制冷解决方案，大大提升空调系统供冷安全等级，满足新阶段大功耗设备高功率密度的供冷需求，同时达到节能降耗、降本增效的目的。本方案适用于新建及既有传统机楼/机房的水冷、风冷系统，方案架构可复制，推广性强。