液冷技术在通信机房的标准化规模化运用研究＊

［温亮］

1 引言

伴随着用户端（To C）网络应用逐步向商业端（To B）网络应用拓展，网络使用的需求将呈现大规模增长，主要体现于以下几点：（1）网络使用的高安全性和低时延性需求将大幅度提升，以满足工业互联网等精密仪器控制需求；（2）网络使用的高带宽和处理效率需求将大幅度提升，以满足海量数据和海量连接带来的数据大幅度增加；（3）网络使用的集中化和分散化处理需求将大幅度提升，以减少核心网集中处理的数据压力。相关需求对现有网络架构带来新的挑战，通信机房的部署密度需求大幅度增加以提高网络的覆盖性和精准性需求。结合现有运营商采取的新建结合改造的机房模式，机房建设和改造成本将大幅度增加，且机房承载的设备功率将大幅度提高，与此相应的制冷散热需求同步提高。

传统通信机房主要采取风冷散热技术，其施工便利且便于服务散热量较小的空间。在通信机房同步承载无线和有线设备的情况下，风冷散热技术的应对方式是增加空调数量以提高制冷量。因通信机房的面积主要为20～50 m2，空调数量增加会占用更多的平面布置空间，减少有效装机面积，对于租金逐步上升的城市空间而言，既减少机房利用率，又增加机房实际成本。采用风冷散热技术在散热量较大的空间中已难以发挥传统的技术优势，新建数据中心开始采用液冷技术以提高散热效率。但数据中心可采用冷却塔等液冷模式，施工建设成本较高，难以直接应用于通信机房。因此，在通信机房承载设备功耗密度逐步向数据中心接近的趋势下，探讨适合于通信机房的标准化和规模化液冷散热技术，具有广泛的适用性和创新的前瞻性。

2 目前机房的主流散热技术

目前机房的主流散热技术是风冷散热，即通过设备将热量带至空气中，在机房配套环境中进行空气换热，通过风冷型空调在机房配套环境中实现热交换，将室内热量排至室外。在实践过程中，虽然已重视进风口和出风口的设计，通过风道效应，提高机房散热效率。但风冷散热具有热交换效率不高的特点，主要体现在以下几点：

（1）风道附近热交换效率较高、设备附近热交换效率较低。实际机房建设过程中风道难以完全循机架方向布置，风道附近配套散热效果好，容易导致部分设备密集处散热效果较差。

（2）风道难以完全顺着机架间空间，难以实现配套环境有效降温。风冷型空调是以机房总体制冷量为基础进行设计和配置，但未考虑到制冷的均衡性和针对性。

（3）机房内部各种类型设备散热具有风向、热量等差异，风冷空调难以实现热集中地区的散热需求，易导致设备过热停止运行。

3 液冷技术在数据中心的应用

液冷技术在数据中心的应用主要包括配套端和设备端两部分。其中，配套端包括冷却系统和监控系统。冷却系统指通过冷却液流速和温度的动态控制，将配套传导的热量传递到冷却液并带出数据中心，将升温后的冷却液与室外空气进行热交换，根据实际情况通过蒸发或自然冷却的方式将冷却液降温，再带至数据中心内部开始循环降温。但实际情况中，因冷却液系统的路由长度较长，且部分数据中心所处地域的气候可能温度较高，升温后的冷却液降温过程需结合人工冷却等模式，对数据中心的能耗指标（PUE值）影响则较大。全套液冷系统配置监控系统，对全流程进行集中管理。设备端包括冷却系统和散热系统。冷却系统多为浸入式液冷系统，通过冷却液与设备的充分接触，利用液体比热容进行散热。散热系统则指设备冷却系统与配套冷却系统间的热交换系统。设备端冷却系统包括全浸入式、局部浸入式和设备外围冷却系统，分别对应差异化的设备安装模式。

4 液冷技术在通信机房的效率评估

4.1 能耗评估

对通信机房的能耗评估主要参照PUE值，其计算公式如下：

PUE=（P1+P2+P3+P4）/P1

其中，P1为设备总功耗，P2为配套总功耗（配套总功耗包括外电引入、照明系统等功耗），P3为制冷总功耗，P4为建筑结构热负荷功耗。

根据当前通信机房的经验数据，设备总功耗将根据机房所承载的设备类型和数量进行变化，配套总功耗在外单容量和配套配置保持不变的情况下较为稳定，制冷总功耗则根据散热模式和散热效率具有一定的可变性。因此，在设备总功耗保持不变的情况下，配套总功耗较为稳定，降低能耗的主要模式是降低制冷总功耗。

（1）风冷情景

在采取风冷散热模式的情况下，风冷型空调按制冷量进行计算。

Q=K*（P1*T+P4）

其中，Q为机房总冷负荷需求量，K为分区域制冷系数（各地区为固定值，如广东地区取值为1.1），T为开关电源热效率补偿系数（一般取1.06）。

P4=A*Z

其中，A为机房面积，Z为单位面积热负荷（一般取150 W/m2）。

根据目前通信机房的设备配置情况，按平均面积30平方米、平均配置BBU6-12组及相应OLT等传输设备进行计算。经测算，P1=12-20 kW，P4=0.45 kW，Q=18.95-23.82 kW。

按照每台3P空调标准制冷量7.2 kW计算，至少需3-4台空调以保障现场使用需求。根据通信机房建设指导规范，实际风冷型空调需按N+1进行配置，即需考虑冗余情况，单个通信机房需配置4～5台空调以供制冷。

（2）液冷场景

因水冷场景需根据实际所处地域气象区采用差异化处理模式。当机房处于贵州等寒冷地区，自然蒸发换热已能满足主要液冷散热需求，不需新增户外液冷换热设备 。液冷通道使用液冷型热管将高热流密度设备发热量导出至设备外并进入水冷板，通过环路水循环将此部分热量排至大气环境，即不需另外配置压缩机并精准消除热量。当机房处于广东等地，自然蒸发换热无法完全满足主要液冷散热需求，则需提高热管导热性能，并结合双面微流道水冷板，形成低热阻液冷热管散热器，确保循环无污染。因此在理想状态下，对部分地域而言，液冷散热不需产生制冷能耗，这也是液冷散热的研究和努力方向，是能耗比例降低的核心模式。

4.2 空间利用率评估

（1）风冷场景

风冷场景下，单个通信机房需配置4～5台空调。按每台空调约800*600（单位：mm）的占地面积计算，4～5台空调的净占地面积达到2～2.5 m2。同时空调周边需预留操作空间，且空调风道要求空调不能密集布置，需配置经占地面积的1倍作为配套空间，即单个通信机房30平方米则需配置4～5m2作为制冷空间。按照国内一线城市平均2 000元/m2*月的租金标准，单个通信机房用于空调配置的年租金则达到0.8～1万元，对通信机房带来沉重的租金成本负担。

（2）液冷场景

液冷包括板冷和浸入式液冷两种类型。板冷方式的重点为对通信机房配套降温，即将设备的热量引导至配套环境后在配套中进行散热。液冷管线和板件可通过墙面走线、天花走线和地下走线等模式安装，极大地降低空调制冷的空间需求。浸入式液冷的性质是通过设备端直接散热，不将设备热量引入配套环境，不需对配套环境进行降温。同时液冷可采取蒸发冷却模式，无散热器等配件，容易回收，无噪声，但冷却介质重量重、成本高、因需与空气隔离需考虑密封和设计架构。在理想情况下，液冷不需占据地面空间。

4.3 成本评估

（1）风冷场景

风冷场景的主要成本在于空调施工安装费用和平时围护成本。按照单个空调3 000元的标准计算，投资投入则需1.2～1.5万元。每台空调平均每月用电1 584度电，按0.70元/度计算，平均每个机房每年需电费5.3～6.7万元，即风冷场景需一次性投资投入1.2～1.5万元，每年散热电费需5.3～6.7万元。

（2）液冷场景

液冷场景的主要成本在于液冷设施的安装费用和潜在产生的其他费用。因采取液冷模式的差异，液冷设备的成本存在较大的差异。经测算，液冷设施主要为管材安装费用低于空调采购安装费用，且在气候适宜地区不需散热电费。但虽然液冷不需单独配置冷机制冷，不需末端空调和设备风扇，根据液冷模式差异需增加部分承重需求。对非底层通信机房而言，需适度考虑结构加固的费用。

5 液冷技术在通信机房的标准化规模化运用前景

通信机房液冷技术应用具有能耗、空间利用率和成本三方面优势。在目前通信机房需求量大规模增加的背景下，可以预见未来通信机房的精细化管理效率需求也将同步提高。因此规模化对技术的标准化应用具有重要的支撑作用，在设计整套液冷技术装置后，可在大规模通信机房进行标准化实施，大幅度提高制冷配置效率，提高机房建设效率。通信机房的本质是将电力转化为算力，服务于具体业务需求。在当前社会发展需求的影响下，通信机房的数量将呈现大规模增加的趋势。为应对通信机房的租金和电费等成本的增加趋势，通信机房需提升机房内部使用效率，降低相应建设和运维成本。在相应成本中，制冷成本的降低空间较大，可通过转变制冷方式的模式实现能耗和成本大幅度降低和空间利用率大幅度提高，推动通信机房精细化管理发展趋势。通过分析目前机房的主流散热技术和液冷技术在数据中心的应用情况，从能耗、空间利用率和成本三个角度评估液冷技术在通信机房的效率作用，研判标准化规模化发展趋势，有助于降低通信机房的建维成本，从点至面提升电力转化为算力的效率。