通信核心机房机架局部热点解决方案研究与实践

罗万彬，席 波

（1.中国电信股份有限公司四川省公司，四川 成都 610000；2.成都华立诚科技有限公司，四川 成都 610000）

0 引 言

由于现网运行的机房大都运行了20年以上，存在当时规划设计的动力环境不能支撑当前高功率和高发热机架的制冷需求、长期的网络设备无序增加为动力及制冷的同步匹配造成困难等问题，导致传统核心通信机房局部过热、局部过冷、结霜结露甚至高温报警等现象频繁发生，进而造成较多安全隐患，同时产生无效能耗。

某电信枢纽机房启用时间较久，普遍存在整体气流组织较差的问题。随着互联网技术（Internet Technology，IT）设备和制冷设备逐步扩容，机房设备分布愈发复杂，导致室内环境温度分布不均，机房局部温度迅速升高。主要表现在以下方面：①机房没有统一的气流组织形式，其内部气流组织混乱，冷热气流混合现象严重，导致机房制冷利用效率低下；②空调使用的现状是通过精密空调冷却机房环境温度，再通过较低的环境温度为IT设备降温，空调运行效率较低；③送风不均导致局部热点问题严重，热点机柜区域温度可达35～41 ℃；④波分机柜自带的散热风机造成冷热气流短路，导致冷量不能按需分配，无法按照机柜具体情况分配冷风，波分机柜隔壁的机柜温度较高；④空调数量多，长期运行，缺乏合理调度，导致因制冷大量消耗电能，从而导致运营费用增加；⑤机房内部局部高温形成的热岛效应，无法及时发现，对现网设备安全稳定运行造成影响，甚至频繁出现高温告警。

1 总体解决思路

本次项目建设总体思路为全面体检、对症下药，找出局部热点部位并进行外科手术式地拔除，提出系统化解决方案，逐个实施突破，并且在现有条件下进行局部改造，提升设备制冷效率。送风改造项目如图1所示。

（1）利用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）+热成像技术仿真，对核心机房每一个机柜进出风温度进行CFD仿真测试，找出局部过热的具体部位及成因，从而提出解决方案[1]。

（2）针对不同场景下的局部过热点，匹配相应的解决方案。例如：上送风的局部过热，就采用上送风风管加封闭冷通道；同向进出风采用单通道封闭冷通道；背靠背出风采用双通道封闭冷通道；局部高温增加列间空调并封闭冷通道等[2]。

（3）在上述方案实施后，可能会导致原来的制冷能力冗余，可通过关闭空调、移除空调、减少空调运行时间以及提高空调的回风温度等措施，最大限度地节约资源与能源。

（4）由于冷通道封闭之后，为了规避冷通道配送的唯一性造成的风险，保证冷通道封闭后设备的可靠运行，增加温度检测装置，将温度参数接入动环系统，实时监控冷通道内空气状态，如有异常及时告警。

具体到每个机房，根据机房现场情况的不同，采取具体措施。具体如下：对A地点5楼、7楼、14楼机房采用精确下送风系统及单通道封闭模式进行改造；对B地点2楼、18楼机房采用精确上送风系统及单通道封闭模式进行改造；B地点4楼改造区域为华为波分设备，局部发热尤为严重，在方案中采用上送风方式的冷热双通道隔离并增加列间空调。改造涉及6个机房共计129个各型机柜。

2 采用的主要技术及方法

2.1 CFD仿真及热成像技术的应用

为了验证改造后的实际效果，在进行局部热点改造前后对机柜出风口上、中、下3个区域分别进行热成像记录。此外，为响应国家“双碳”目标，节约空调能耗，上调运行空调的回风温度为2 ℃，同时对部分机柜送风阀进行适当调节处理。上述改造前后以及优化调整后的3组热成像记录分别记为改造前、改造后，并分析对比CFD仿真结果。改造前后CFD仿真结果如图2所示。

图2 改造前后CFD仿真结果

2.2 改造前后能耗对比

通过关停多余的空调，提高空调回风温度，可有效提高空调运行能效。回风温度每升高1 ℃，空调能效可提高2%～3%。对比改造前后的机房温度场，并结合仿真结果可以得出：①局部过热改造后比改造前机柜温度有明显下降，局部过热现象得到很好的改善，降低了机柜出风口的出风温度，可有效保障网络设备运行温度环境；②原风管送风方式由于缺少封闭冷通道，冷热气流混合严重，机柜高度方向的进风温度差异较大，增加封闭通道后可显著降低机柜进风温度，并提高进风温度均匀性；③优化调整后的机柜环境温度有所上升，但依旧比改造前的机柜环境温度有较大改善，解决了局部热点问题，同时减少了空调开启台数，调高了空调回风温度，达到了节能降耗的目的。

2.3 精确送风系统封闭冷通道

2.3.1 精确上送风系统及单通道封闭

上送风机房机柜精确送风技术主要针对通信机房供热效率低的问题，采用全封闭冷风管道送风方式，通过改造送风管，将空调冷风直接输送给每个机柜，并通过精密空调调整送风的温度和风压，在每个机柜建立风道有针对性地送风，对机柜内部设备进行冷却散热。

上送风机房机柜精确送风系统主要由制冷源、静压箱、风管以及门式送风仓等部分组成。空调系统主风管把来自制冷源的冷风经静压箱输送到各分支风管，然后由门式送风仓直接送到机柜内设备的进风口，对设备进行冷却[3]。上送风示意如图3所示。

图3 上送风示意

2.3.2 精确上送风系统及双通道封闭

将整个波分机柜区域进行全封闭的冷热通道隔离，且区域的空调系统单独设计。为每个封闭单元设计列间空调，精确引入冷风，及时处理波分设备吹出的热风，减少与冷空气的混合，减小波分设备的热量对临近设备造成的影响。设计列间空调一方面可以解决当前的高热密度设备发热问题，另一方面也可以方便后期部署新增的IT设备以及扩容。对现有的上送风系统进行优化，将风口安装在冷通道上部进行连接。在冷通道产生正压，将服务器的热量通过机柜孔板吹到热通道。在原有风道主风管上再并联一台精密空调，使用风阀将2台设备隔离。2台精密空调互为备用，以便设备故障或检修时空调系统正常运行。在物理空间上隔离冷热通道，再通过列间空调和上送风空调双系统对服务器进行降温，解决局部过热，降低能量消耗。双通道冷封闭示意如图4所示。

图4 双通道冷封闭示意

2.4 送风系统精确调节，保证冷量按需配送

（1）对现场每一个机柜进行电压和电流的测量，功率为

阿拉伯文因字形差别太大，不属于楔形字形进化的序列。即使闪族语系原来是统一的语言，但在闪族语使用的同时，至少在中东地区还有埃及语、阿拉伯语和波斯语，怎么能说天下的语言是统一的呢？

式中：P为功率；U为输入电压；I为输入电流。

（2）通过CFD仿真，能够根据机柜现有负载大小计算出机柜需要的冷量。

（3）在送风系统中通过阀门对该机柜的送风量进行风量调节，以保证冷量按需配送。

2.5 接入动环监控，确保机柜设备工作环境在线监控

在精确送风系统每个送风装置内安装温度采集器对送风装置内温度进行采集，通过RS485/RS232通信接口，将采集的温度数据通过动环监控接入设备实时上传至动环监控系统服务器。动环监控系统对上传的温度数据进行解析，实现送风装置内温度实时监测、告警阀值设定、异常状态预测以及故障短信通知等功能，确保机柜温度处于稳定状态，为网络设备运行提供可靠保障。

3 项目攻坚实施

3.1 项目规模

本次A地点、B地点省级机房机架局部热点攻坚项目主要涉及A地点、B地点所属共6个机房129个机柜的精确送风、冷热通道隔离等内容。项目改造机柜清单如表1所示。

表1 项目改造机柜清单

3.2 项目周期

项目2021年12月21日开工，2022年6月30日完工，项目周期约6个月。项目改造计划如表2所示。

表2 项目改造计划

3.3 施工内容

施工过程主要包括机房CFD+热成像技术仿真、管道系统安装、送风装置安装、精确送风系统调节以及动环监控接入5个过程。

4 项目攻坚成果及注意事项

4.1 项目攻坚成果

该项目的实施，证实了通过CFD对机房机柜热点定位非常准确，也符合现场实际热点位置。改造完成后，6个机房129个机柜不再出现局部热点，改造区域温度得到控制[4]。表3为改造前后机柜温度及局部热点数量对比。

表3 改造前后机柜温度及局部热点数量对比

通过此次改造，空调实际负荷显著降低，为IT设备扩容提供了富余制冷余量；富余冷量可以通过采集改造区域空调改造前后能耗数据进行对比。其中，B地点4楼机房通道内设计列间空调，将波分机柜吹出的热风就近冷却处理，解决了波分机柜长期面临的高温告警问题，降低了房间精密空调的负荷；B地点4楼机房空闲出2台空调作为备用。表4为改造前后机房冷量富裕度对比。

表4 改造前后机房冷量富裕度对比

增加送风装置内温度实时监测并接入动环系统，实现自动监测预警。表5为项目改造的包框数量及温湿度探头数量统计。

表5 项目改造的包框数量及温湿度探头数量统计

实施冷热通道封闭，重新规划气流组织形式，解决了机房内气流组织混乱、冷热气流混合现象严重等问题，显著提高了制冷利用效率，减少了高温报警，降低了安全隐患，节省了机房总体电力消耗，延长了在用空调使用寿命，增强了机房设备运行的可靠性[5]。

4.2 注意事项

（1）该改造是在已经投运的机柜上进行改造，对应的每一套送风仓、风管和冷通道都需要现场勘测，根据现场情况定制。

（2）要根据机柜之间的通道宽度和通道内尾纤槽的阻挡情况来设计送风仓的深度。

（3）风管在设计过程中需要详细勘测，需要根据机房内走线架、吊杆等的实际情况进行设计风管的送风路由[6]。

（4）因施工过程中机柜是在网运行状态，本次项目在风管施工时用防火布对下方机柜进行保护。在送风仓的施工时采用亚克力板对设备进行隔离，并用吸尘器随时处理现场清洁[7]。

5 结 论

此次局部热点攻关项目的成功实施，充分应用业界最先进的CFD+热成像技术仿真进行准确的机房热点“定位把脉”，并根据不同的过热机柜场景灵活应用冷通道封闭技术、机柜侧的精确送风技术，同时加装温湿度检测装置，从而在现网设备安全运行的前提下，以最小的改造成本和规模，全面清除了局部热点，解决了机房内气流组织混乱、冷热气流混合现象，显著提高了制冷效率，减少了高温报警，降低了安全隐患。

通过此次改造，空调实际负荷将显著降低，为IT设备扩容提供了富余制冷余量。经初步测算，改造后年综合节能达到40万kW·h以上，减少二氧化碳排放量244 t，为国家“双碳”战略目标的实现做出了积极贡献。