傳統(tǒng)機(jī)房局部熱島解決方案探討

蔡曉陽

（中國電信福建公司，福建福州350001）

0 引 言

近年來，通信業(yè)迅猛發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備從傳統(tǒng)的TDM設(shè)備向IP設(shè)備規(guī)模布局，IP服務(wù)器設(shè)備開始在通信網(wǎng)絡(luò)大量使用。隨著高集成化設(shè)備及刀片服務(wù)器的大量使用，其功率密度高的特點(diǎn)，造成了機(jī)房氣流組織復(fù)雜化，使得高密度設(shè)備區(qū)開始不斷呈現(xiàn)熱島效應(yīng)，這種現(xiàn)象在傳統(tǒng)機(jī)房尤為明顯。因此，如何解決傳統(tǒng)機(jī)房局部熱島問題，又能夠達(dá)到節(jié)能目的，是目前值得深入研究的一個(gè)課題。

1 傳統(tǒng)機(jī)房局部熱島原因分析

通過對傳統(tǒng)機(jī)房通信主設(shè)備發(fā)熱功率、設(shè)備運(yùn)行的溫度環(huán)境情況、機(jī)房投入運(yùn)行的空調(diào)配置冷量、氣流組織情況等進(jìn)行綜合分析，產(chǎn)生傳統(tǒng)機(jī)房局部熱島的原因主要有以下幾個(gè)方面：

（1）通信設(shè)備機(jī)架規(guī)格種類比較繁雜，差異性很大，設(shè)備機(jī)架進(jìn)風(fēng)散熱設(shè)計(jì)方式不同。

（2）通信設(shè)備本身的進(jìn)風(fēng)與散熱設(shè)計(jì)不同。

（3）通信設(shè)備布局“背對面”的級聯(lián)加熱使得后排機(jī)柜發(fā)生局部過熱。

（4）空調(diào)送回風(fēng)氣流不暢，機(jī)柜門通孔率不夠，造成空調(diào)冷源利用率低。

（5）機(jī)房氣流組織混亂，造成系統(tǒng)無為做功，冷熱空氣混合等，影響空調(diào)運(yùn)行效率。

（6）新增設(shè)備的單機(jī)功耗增大，機(jī)柜的功率密度增大。

2 傳統(tǒng)機(jī)房的氣流組織結(jié)構(gòu)類型及其優(yōu)化改造方案分析

2.1 傳統(tǒng)機(jī)房的氣流組織結(jié)構(gòu)類型

傳統(tǒng)機(jī)房的氣流組織大致可以分為四種形式，具體有無送風(fēng)管道的上送風(fēng)下回風(fēng)上走線形式、有送風(fēng)管道的上送風(fēng)下回風(fēng)上走線形式、下送風(fēng)上回風(fēng)上走線形式、下送風(fēng)上回風(fēng)下走線形式，優(yōu)劣性分析如表1。

表1 四種氣流形式的優(yōu)劣比較

2.2 解決傳統(tǒng)機(jī)房局部熱島問題分析

影響機(jī)房氣流組織的優(yōu)劣根本主要與空調(diào)送回風(fēng)形式、通信設(shè)備的散熱形式、線纜線架的布置形式等有直接的關(guān)系。將冷熱空氣隔離，減少冷熱空氣混合現(xiàn)象，可以提升冷空氣利用率，減小空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷，改善機(jī)房氣流組織的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。具體有如下幾種熱島解決方案：

（1）增加空調(diào)數(shù)量解決局部熱島問題

通過簡單的增加空調(diào)數(shù)量來降低機(jī)房的整體環(huán)境溫度，從而減少機(jī)房的局部熱點(diǎn)，是傳統(tǒng)的“先冷環(huán)境，再冷設(shè)備”的方式。該方案通過簡單的增加空調(diào)數(shù)量來降低機(jī)房的整體環(huán)境溫度，貌似減少機(jī)房的局部熱點(diǎn)，是傳統(tǒng)的“先冷環(huán)境，再冷設(shè)備”的方式，對局部熱點(diǎn)問題解決效果較差，且嚴(yán)重增加機(jī)房用電量，與節(jié)能減排背道而馳。

（2）在機(jī)房內(nèi)增加送風(fēng)管道

通過在機(jī)柜上方增加送風(fēng)管道，將空調(diào)的冷量送至機(jī)柜附近。該方案通過簡單增加送風(fēng)管道，可以對氣流進(jìn)行適當(dāng)引導(dǎo)，將冷量送至機(jī)柜附近，對局部熱島問題解決效果一般，可提高冷量利用率，節(jié)能效果一般，但是全部采用送風(fēng)管道改造，改造費(fèi)用高。

（3）針對具體熱點(diǎn)位置具體送風(fēng)

通過在機(jī)房內(nèi)針對具體熱點(diǎn)位置具體送風(fēng)的方式解決局部熱島問題。該方案通過在機(jī)房內(nèi)針對具體熱點(diǎn)位置增加工業(yè)風(fēng)扇具體送風(fēng)的方式，對局部熱點(diǎn)問題的解決效果較為明顯，但節(jié)能效益一般，增加機(jī)房功耗，將風(fēng)扇放置在設(shè)備通道影響維護(hù)操作，加上工業(yè)風(fēng)扇不穩(wěn)定，不能滿足熱點(diǎn)設(shè)備供冷連續(xù)不間斷要求。

（4）在機(jī)房內(nèi)實(shí)施全部精確送風(fēng)

根據(jù)設(shè)備的冷量需求合理分配風(fēng)量，通過在機(jī)房內(nèi)實(shí)施精確送風(fēng)的方式，達(dá)到“先冷設(shè)備，再冷環(huán)境”的目的。該方案可有效地解決機(jī)房內(nèi)局部過熱問題，改善機(jī)房設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，并提高空調(diào)利用效率、降低能耗，節(jié)能效果十分明顯。但是全部進(jìn)行精確送風(fēng)改造成本太高，而且并非機(jī)房內(nèi)所有設(shè)備均具備改造條件，受空間、高度等因素制約。

（5）在機(jī)房內(nèi)實(shí)施局部精確送風(fēng)

根據(jù)設(shè)備的冷量需求合理分配風(fēng)量，針對具體熱島位置具體送風(fēng)的方式與精確送風(fēng)方式，對部分設(shè)備實(shí)施精確送風(fēng)的改造方案。該方案可有效地解決機(jī)房內(nèi)局部過熱問題，改善機(jī)房設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，并提高空調(diào)利用效率、降低能耗，節(jié)能效果十分明顯，同時(shí)可以節(jié)省建設(shè)投資，且受原有機(jī)房布局影響小。

表2 幾種解決方案的綜合比較

如表2綜合比較分析可知，通過在機(jī)房內(nèi)局部區(qū)域?qū)嵤┚_送風(fēng)的方式可有效地解決局部熱島問題，并且提升冷空氣利用率，減小空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷，因此節(jié)電效果非常明顯，從長期目標(biāo)來看，投資效益更高。

3 傳統(tǒng)機(jī)房試點(diǎn)改造分析

為研究解決機(jī)房局部熱島問題，以普明二層綜合機(jī)房作為試點(diǎn)，通過局部精確送風(fēng)的改造方式，探討解決機(jī)房局部熱島問題。

3.1 機(jī)房現(xiàn)狀及主要問題

普明二層為綜合機(jī)房，設(shè)備12列，空調(diào)為上回風(fēng)模式且單側(cè)布局，機(jī)房橫向距離達(dá)25.8 m，主要由10臺機(jī)房專用空調(diào)供冷。3列IMS設(shè)備因部分單機(jī)功率密度較大，且距離空調(diào)較遠(yuǎn)，回風(fēng)距離過大導(dǎo)致機(jī)房環(huán)境溫度偏高，機(jī)架過道平均溫度29.7℃，出現(xiàn)局部熱島現(xiàn)象。

3.2 機(jī)房改造方案

（1）冷空氣隔離改造方案

根據(jù)機(jī)房空調(diào)、送風(fēng)管道、設(shè)備及走線架布置，將設(shè)備劃分區(qū)域。對于單機(jī)功率密度較大的設(shè)備在原風(fēng)管的基礎(chǔ)上實(shí)施局部精確送風(fēng)改造，解決局部熱島問題；對于功率密度較低的區(qū)域不進(jìn)行改造，利用原有風(fēng)管進(jìn)行供冷。

a.以原有風(fēng)管利舊原則實(shí)施低成本改造且考慮今后更換空調(diào)風(fēng)管可繼續(xù)利用。

b.對于空的機(jī)架則可直接關(guān)閉風(fēng)閥；對于裝載不滿的機(jī)架，服務(wù)器層間空隙超過1U以上的采用盲板封堵，避免冷量損失；對于裝載較滿的機(jī)架根據(jù)其功率與溫度要求來調(diào)節(jié)風(fēng)量大小。

c.實(shí)現(xiàn)“按需供冷”、冷熱氣流隔離作用。（2）機(jī)房改造預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

通過此次改造，可預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)如下：

a.改善機(jī)房設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，消除機(jī)房局部熱點(diǎn)隱患。

b.有效提高空調(diào)冷源利用率，減少空調(diào)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)歷時(shí)，提高空調(diào)壽命。

c.實(shí)時(shí)掌控通信設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境溫度、濕度，監(jiān)測空調(diào)電能消耗。

（3）改造前后環(huán)境效果比較

通過精確送風(fēng)技術(shù)改造，機(jī)房環(huán)境溫度得到明顯改善，改造前機(jī)柜出風(fēng)口實(shí)測溫度達(dá)到27℃～32℃，并且存在局部熱島現(xiàn)象；改造后機(jī)柜出風(fēng)口實(shí)測溫度只有16℃～18℃且無局部熱島現(xiàn)象，由此可知，改造后通信機(jī)房設(shè)備運(yùn)行環(huán)境溫度明顯下降，如表3。

（4）投資效益評估

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，改造后機(jī)房空調(diào)日平均總能耗降低120 kWh。每年空調(diào)節(jié)電率達(dá)到8.9%，一年節(jié)電量為4.4萬k Wh左右，以電費(fèi)0.8元／kWh計(jì)算，年節(jié)電費(fèi)為3.5萬元左右，該機(jī)房節(jié)能投入為18萬元左右，5.33年可收回投資成本。同時(shí)，隨著設(shè)備的增加，節(jié)電率將更高，如表4。

表3 改造前、后溫度對比

表4 普明二層交換機(jī)房投資效益評估表

4 結(jié) 論

不同類型傳統(tǒng)機(jī)房由于在機(jī)房結(jié)構(gòu)、設(shè)備分布、空調(diào)擺放、氣流組織方式等方面存在的局限性，同時(shí)存在后期高能耗設(shè)備的不斷增加等客觀原因，從而造成傳統(tǒng)機(jī)房內(nèi)溫度分布嚴(yán)重不均勻，部分機(jī)柜過熱，部分機(jī)柜過冷，最終導(dǎo)致傳統(tǒng)機(jī)房出現(xiàn)耗能不平衡，形成局部熱島現(xiàn)象。本方案利用局部精確送風(fēng)改變傳統(tǒng)機(jī)房氣流組織方式，在確保機(jī)房運(yùn)行安全的前提下，有效地解決傳統(tǒng)機(jī)房的局部熱島問題。

（1）傳統(tǒng)機(jī)房局部精確送風(fēng)節(jié)能技術(shù)改造不影響在網(wǎng)設(shè)備安全運(yùn)行，采用“先冷設(shè)備，后冷環(huán)境”的制冷模式，實(shí)現(xiàn)根據(jù)設(shè)備實(shí)際發(fā)熱量精確分配冷量，解決機(jī)房內(nèi)局部過熱問題，減少宕機(jī)事故，保證了機(jī)房設(shè)備運(yùn)行的安全性。

（2）提高空調(diào)利用率，減少空調(diào)壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)歷時(shí)，有效地降低機(jī)房能耗，實(shí)現(xiàn)機(jī)房PUE值的下降。

（3）實(shí)現(xiàn)了機(jī)房設(shè)備溫升的精細(xì)化監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)機(jī)房設(shè)備異常溫升的預(yù)警，提高了通信設(shè)備的安全保障等級。

（4）通過改造優(yōu)化，機(jī)房熱環(huán)境得到改善可以將精密空調(diào)的制冷量全部用于IT設(shè)備發(fā)熱，提高裝機(jī)容量，提高了機(jī)房的利用率。

（5）局部精確送風(fēng)節(jié)能技術(shù)是對通信機(jī)房精確送風(fēng)節(jié)能系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了深化探索，為傳統(tǒng)機(jī)房氣流組織改造提供了新思路，同時(shí)也為今后該技術(shù)在機(jī)房相關(guān)設(shè)計(jì)、施工推廣奠定基礎(chǔ)。