面向邊緣業務的匯聚機房空調解決方案探討

姜宇光，羅海亮，程 磊

（1.中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080；2.中國移動通信集團有限公司，北京 100032）

1 匯聚機房現狀及存在的空調問題

1.1 高功耗設備制冷能力不足

傳統匯聚機房平均運行功耗普遍在0.5～2 kW/架，整體功耗水平較低。隨著5G建設和邊緣業務下沉，IT機柜密度可達4～8 kW。傳統匯聚機房大多采用老舊的2HP/3HP/5HP基站舒適性空調，因此對于高功耗設備帶來的制冷壓力更加凸顯。

1.2 機房氣流組織混亂導致局部熱點

匯聚機房由于分階段部署不同業務機架，同時因各廠商設備不統一，機架進出風方式不一致，機柜大多無序安裝，往往在機柜投入使用后才發現氣流混亂情況。匯聚機房內大多是傳輸機架，同時存在左進右出、前進后出等多種出風形式，混合部署時，氣流組織混亂也容易產生混風和局部熱點情況。

1.3 室、內外空調設備空間不足

匯聚機房多為購置，空調室外安裝空間往往不滿足要求，機房內空調主要借用房間邊角空間或走道，可使用空間狹小。

1.4 空調室外機夏季高溫散熱問題

由于室外機周邊通風不暢引起散熱不足，影響室外機散熱效率，降低空調制冷能力。夏季極端高溫天氣下還容易引發高溫告警，影響了空調正常的工作。匯聚機房由于經常選址居民住宅底層，室外機散熱會影響樓上住戶，導致熱干擾和投訴。

1.5 空調能耗較高

匯聚機房主要為舒適性空調，普遍能耗較高，同時沒有自然冷源利用措施，即使外界環境溫度較低時依然需要開啟壓縮機制冷，節能潛力大。

1.6 空調室外機噪音問題

匯聚機房空調室外機一般均掛裝或落地裝在室外，由于室外機風扇沒有做降噪處理同時風扇品質不高，運行2～3年后由于部件老化性能衰減往往導致空調噪音增加，若緊鄰住宅區會造成大量居民投訴。

2 空調解決方案探討

2.1 風冷機房專用空調

2.1.1 變頻風冷小精密空調

機房風冷精密空調是針對現代電子設備機房設計的專用空調，其工作精度和可靠性都高于普通空調。風冷機房精密空調由壓縮機、室內機、室外機、熱力膨脹閥及高效過濾網等主要部件組成，制冷劑在壓縮機的作用下在系統中循環流動，經歷了液體—氣體—液體的兩相相變，完成一個制冷循環[1]。

風冷機房精密空調結構簡單，布置靈活方便，由于每臺空調之間相互獨立，無單點故障，可靠性高，只需要采用N+X方式進行設計和布置，就可以滿足相應等級機房制冷的要求。風冷精密空調壓縮機如果引入變頻控制技術，可以使空調根據實際房間負荷進行調速控制，進一步節約空調能耗，保障安全穩定性的同時提高節能性。

2.1.2 列間機房專用空調

列間空調穿插于機柜中間安裝，靠近熱源冷卻服務器機柜，適用于高熱密、模塊化、冷（熱）通道封閉數據中心場景，可解決傳統匯聚機房局部熱點問題，其設備高度及深度與服務器機架高度一致。

列間空調技術有如下優點：（1）貼近熱源；（2）列間空調由于緊挨機柜，安裝于機柜中間，近距離對局部熱點進行降溫，消除局部熱點；（3）送風功耗低；（4）可實現冷熱通道封閉的良好結合。

風冷列間空調是列間空調的一種，其系統由列間制冷末端、壓縮機及室外風冷冷凝器等組成。列間制冷末端與機柜并排布置，風冷列間空調采用前部出風、后部回風的方式，無水進機房，系統設備簡單，布置靈活。

2.1.3 背板機房專用空調

背板機房專用空調換熱背板與機柜緊密結合，安裝在機柜后門，直接冷卻機柜排風，在背板空調與機柜之間自成封閉熱環境，機柜外部為開放冷環境。相比行間級空調末端，其更加靠近熱源制冷。背板空調主要由空調換熱背板、壓縮機及室外風冷冷凝器等設備組成。

2.1.4 機架級插槽機房專用空調

機架級插槽機房專用空調，主要用于機架服務器就近冷卻，將空調嵌入到機架內，高效節能、安全可靠、智能管理、結構緊湊，全面滿足機架的冷卻需求。空調送風方式主要有上送風、后回前送風或加風帽導風。

插槽機房專用空調主要特點如下：（1）高效節能；（2）5U（4 kW）和8U（8 kW）空間安裝，節省機架內空間；（3）配置靈活。

圖1為機架內氣流組織示意圖。

圖1 插槽空調氣流組織示意圖

2.1.5 氟泵空調技術

傳統的風冷直膨空調系統不具備利用自然冷卻功能，將其與熱管系統結合，形成熱管-機械制冷復合氟系統，可實現自然冷卻功能。氟泵通常與風冷機房空調（精密、列間、背板）結合使用，運行模式分為冬季氟泵節能運行模式、過渡季氟泵壓縮機聯合運行模式、夏季壓縮機運行模式三種模式，因此在冬季和過渡季可以充分利用自然冷源。據某通信運營公司反饋，氟泵機房空調節能效果明顯，在冬季可節約60%耗電量。氟泵改造既可以獨立增加氟泵柜也可以直接采購帶氟泵的風冷空調。

2.1.6 模塊化集中冷凝器

模塊化集中式冷凝器是專門針對傳統數據中心機房用精密空調的室外機占地面積大問題開發的一款新型冷凝器。模塊化集中冷凝器采用模塊化設計，可實現現場拼接，達到集中化減小占地面積，縮小50%以上。

模塊化集中式冷凝器同時兼容氟泵內置設計和類蒸發冷凝的噴淋或濕膜設計，在減少室外機占地面積的基礎上增加節能功能，可以有效地利用室外自然冷源，進一步提高風冷系統能效比，節約電費。

模塊化集中冷凝器具有如下特點：（1）占地面積小；（2）模塊化設計；（3）蒸發面積大：模塊單元采用“V”型冷凝器；（4）能效比較高。

2.2 液冷空調技術研究

隨著5G發展和邊緣業務部署，基于C-RAN技術下BBU機柜功耗將大幅提高，為應對匯聚機房內部署高功耗設備，可以采用液冷BBU池方案。室內采用浸沒式液冷池柜，室外可以采用風冷室外機和板換進行換熱，無需壓縮機，節能的同時也解決了高功耗機架散熱不暢問題。該形式液冷池柜內可以適配市場多數服務器，去掉風扇簡易改造即可，可以實現遠程運維和無人值守。

2.3 氣流阻隔優化技術研究

2.3.1 封閉冷/熱通道

采用精密空調或列間空調送風結合封閉冷/熱通道的形式，可以有效對機房內的冷熱氣流進行隔離，避免混風。

當冷熱通道未封閉或未完全封閉時，應封閉冷通道，并在機架無設備位置加裝擋風盲板或隔離門，消除回風混流現象。可以對冷通道的頂部和兩側進行封閉處理，也可以只對冷通道兩側進行封閉處理，可采用簡易卷簾格擋。

2.3.2 傳輸機柜氣流優化

傳輸機架不同進出風的方式會導致機房內氣流混亂，增加導風門可以統一進出風，或直接采用自帶導風柜的傳輸設備，改善氣流組織，使機柜氣流調整為前后進出風的形式，從而為應用列間空調創造條件。還可增設模塊化機架定點散熱模組，具體為在局部過熱區域安裝列間空調或其他形式空調末端及風機等。

2.3.3 智能化配風群控精確送風技術

采用風管+智能化配風群控精確送風技術，通過風管對空調送風氣流進行有組織引導，既可以實現精確送風，又可以實現不同機柜負載下靈活匹配調整。技術原理如下：通過合理的風管設計實現各管路內風阻平衡、風速均勻；通過精確送風風口+EC風機并配備控制模塊控制每個風口的出風風量；各送風主風管間通過電動調節閥實現整個機房的風量調配機柜不同位置設置溫度傳感器，群控系統根據溫度監測點實時數據控制風機出風風量，并控制調節閥調整整個系統的風量，實現根據不同機柜冷量需求進行智能調節，避免出現局部熱點。

2.3.4 地板下送風

在機房內設置架空地板，地板高度隨機房內單機柜功耗的不同而變化，并選用下送風方式的機房專用空調。機柜按照冷熱通道間隔的方式布置。空調冷風在架空地板下通過冷通道上設置的開孔地板（送風口）和機柜前門進入機柜內，空調回風口設置在熱通道上，依靠空調回風壓力將機柜排出的熱風吸回[2]。

采用地板下送風的機房專用空調還可以采用拆除空調支架上封堵板的優化氣流組織方案。以靜壓箱作為送風通道的機房，專用空調一般安裝在空調支架上，在安裝支架兩側及后側用鋼板封堵，僅留前側作為空調送風口。該優化方案提高靜壓的均勻性和送風的均勻性，改善機房的氣流組織，使送風更均勻。

2.4 空調擺放空間優化

2.4.1 室內外機優化、騰挪

由于室內外機空間緊張，為充分利用空間，空調室內外機可以采用緊湊機型同時室外機采用優化緊湊布置方式。

市面上傳統風冷機房空調一般都是3模塊，通過優化設計，將3模塊升級成2模塊，降低了室內機的占地面積。緊湊式外機1臺外機可替代傳統的2臺平板式外機，占地面積最少節省50%。

2.5 空調室外機散熱及降噪優化

2.5.1 室外機蒸發冷卻噴霧/濕膜改造

利用水霧蒸發吸熱特性，在室外機回風側安裝霧化噴淋裝置，降低回風溫度，進而降低壓縮制冷冷凝壓力。也可采用濕膜降溫原理，采用濕膜/濕簾式加濕器與室外機組送風系統進行配套使用，降低冷凝溫度及冷凝壓力。該方案可減少對機組的腐蝕破壞、易于模塊化設計，其材料優選高分子復合型濕膜材料。

需注意，方案存在葉片腐蝕不良影響，因此噴霧或濕膜補水宜配置軟水及水處理設備，盡量降低對機組葉片的腐蝕結構作用。

2.5.2 空調室外機智能導風排熱技術

空調室外機放置在機房內獨立隔間內，為解決室外機散熱問題，在室外機安裝的空間內設置導風罩及獨立排風管，利用機械排風的方式將室外機散熱排到室外，有效進行降溫處理。墻體外墻下端開進風口，用于房間的補風。

排風系統智能化控制，當溫度達到設定溫度時控制系統自動打開排風設備，將熱量排出。溫度降低至設定溫度時，停止排風。

2.5.3 空調室外機降噪技術

通過調研范發現，大部分地區的匯聚機房都臨近居民區，都面臨噪聲問題，居民投訴情況較為常見。

室外機噪聲原因主要來自如下3個方面。第一，風機的氣動噪音，為室外機的主要噪音源，由風扇和氣流流動撞擊時壓力波造成。可采用風冷冷凝器改冷卻水+管殼冷卻器或更換為靜音型風機等方式降低氣動噪音。第二，異常噪聲，屬于機器振動，通過減震墊、支架減震器、擰緊螺絲等技術方式減輕振動噪聲，根據某通信運營商省公司反饋，采用空調室外機加裝減震底座的方式后，園區周界點測試噪音值可降至50 dB以下（改造前約為60 dB）。第三，壓縮機噪聲，為降低壓縮機噪聲，可參考冷卻塔降噪筒設計思路，將風機消聲器類降噪筒設計安裝在室外風機出風口上，集成風機消聲器/靜音箱設計。

3 結 論

本文主要針對邊緣業務的各類需求對現有匯聚機房空調存在問題及未來擴容改造方案提出了相應應對措施，在邊緣業務下沉匯聚機房改造中需結合不同場景采用最優的空調解決方案，對實現邊緣數據中心的高可靠、低成本、高能效有重要意義。