通信核心機房機架局部熱點解決方案研究與實踐

羅萬彬，席 波

（1.中國電信股份有限公司四川省公司，四川 成都 610000；2.成都華立誠科技有限公司，四川 成都 610000）

0 引 言

由于現網運行的機房大都運行了20年以上，存在當時規劃設計的動力環境不能支撐當前高功率和高發熱機架的制冷需求、長期的網絡設備無序增加為動力及制冷的同步匹配造成困難等問題，導致傳統核心通信機房局部過熱、局部過冷、結霜結露甚至高溫報警等現象頻繁發生，進而造成較多安全隱患，同時產生無效能耗。

某電信樞紐機房啟用時間較久，普遍存在整體氣流組織較差的問題。隨著互聯網技術（Internet Technology，IT）設備和制冷設備逐步擴容，機房設備分布愈發復雜，導致室內環境溫度分布不均，機房局部溫度迅速升高。主要表現在以下方面：①機房沒有統一的氣流組織形式，其內部氣流組織混亂，冷熱氣流混合現象嚴重，導致機房制冷利用效率低下；②空調使用的現狀是通過精密空調冷卻機房環境溫度，再通過較低的環境溫度為IT設備降溫，空調運行效率較低；③送風不均導致局部熱點問題嚴重，熱點機柜區域溫度可達35～41 ℃；④波分機柜自帶的散熱風機造成冷熱氣流短路，導致冷量不能按需分配，無法按照機柜具體情況分配冷風，波分機柜隔壁的機柜溫度較高；④空調數量多，長期運行，缺乏合理調度，導致因制冷大量消耗電能，從而導致運營費用增加；⑤機房內部局部高溫形成的熱島效應，無法及時發現，對現網設備安全穩定運行造成影響，甚至頻繁出現高溫告警。

1 總體解決思路

本次項目建設總體思路為全面體檢、對癥下藥，找出局部熱點部位并進行外科手術式地拔除，提出系統化解決方案，逐個實施突破，并且在現有條件下進行局部改造，提升設備制冷效率。送風改造項目如圖1所示。

（1）利用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）+熱成像技術仿真，對核心機房每一個機柜進出風溫度進行CFD仿真測試，找出局部過熱的具體部位及成因，從而提出解決方案[1]。

（2）針對不同場景下的局部過熱點，匹配相應的解決方案。例如：上送風的局部過熱，就采用上送風風管加封閉冷通道；同向進出風采用單通道封閉冷通道；背靠背出風采用雙通道封閉冷通道；局部高溫增加列間空調并封閉冷通道等[2]。

（3）在上述方案實施后，可能會導致原來的制冷能力冗余，可通過關閉空調、移除空調、減少空調運行時間以及提高空調的回風溫度等措施，最大限度地節約資源與能源。

（4）由于冷通道封閉之后，為了規避冷通道配送的唯一性造成的風險，保證冷通道封閉后設備的可靠運行，增加溫度檢測裝置，將溫度參數接入動環系統，實時監控冷通道內空氣狀態，如有異常及時告警。

具體到每個機房，根據機房現場情況的不同，采取具體措施。具體如下：對A地點5樓、7樓、14樓機房采用精確下送風系統及單通道封閉模式進行改造；對B地點2樓、18樓機房采用精確上送風系統及單通道封閉模式進行改造；B地點4樓改造區域為華為波分設備，局部發熱尤為嚴重，在方案中采用上送風方式的冷熱雙通道隔離并增加列間空調。改造涉及6個機房共計129個各型機柜。

2 采用的主要技術及方法

2.1 CFD仿真及熱成像技術的應用

為了驗證改造后的實際效果，在進行局部熱點改造前后對機柜出風口上、中、下3個區域分別進行熱成像記錄。此外，為響應國家“雙碳”目標，節約空調能耗，上調運行空調的回風溫度為2 ℃，同時對部分機柜送風閥進行適當調節處理。上述改造前后以及優化調整后的3組熱成像記錄分別記為改造前、改造后，并分析對比CFD仿真結果。改造前后CFD仿真結果如圖2所示。

圖2 改造前后CFD仿真結果

2.2 改造前后能耗對比

通過關停多余的空調，提高空調回風溫度，可有效提高空調運行能效。回風溫度每升高1 ℃，空調能效可提高2%～3%。對比改造前后的機房溫度場，并結合仿真結果可以得出：①局部過熱改造后比改造前機柜溫度有明顯下降，局部過熱現象得到很好的改善，降低了機柜出風口的出風溫度，可有效保障網絡設備運行溫度環境；②原風管送風方式由于缺少封閉冷通道，冷熱氣流混合嚴重，機柜高度方向的進風溫度差異較大，增加封閉通道后可顯著降低機柜進風溫度，并提高進風溫度均勻性；③優化調整后的機柜環境溫度有所上升，但依舊比改造前的機柜環境溫度有較大改善，解決了局部熱點問題，同時減少了空調開啟臺數，調高了空調回風溫度，達到了節能降耗的目的。

2.3 精確送風系統封閉冷通道

2.3.1 精確上送風系統及單通道封閉

上送風機房機柜精確送風技術主要針對通信機房供熱效率低的問題，采用全封閉冷風管道送風方式，通過改造送風管，將空調冷風直接輸送給每個機柜，并通過精密空調調整送風的溫度和風壓，在每個機柜建立風道有針對性地送風，對機柜內部設備進行冷卻散熱。

上送風機房機柜精確送風系統主要由制冷源、靜壓箱、風管以及門式送風倉等部分組成。空調系統主風管把來自制冷源的冷風經靜壓箱輸送到各分支風管，然后由門式送風倉直接送到機柜內設備的進風口，對設備進行冷卻[3]。上送風示意如圖3所示。

圖3 上送風示意

2.3.2 精確上送風系統及雙通道封閉

將整個波分機柜區域進行全封閉的冷熱通道隔離，且區域的空調系統單獨設計。為每個封閉單元設計列間空調，精確引入冷風，及時處理波分設備吹出的熱風，減少與冷空氣的混合，減小波分設備的熱量對臨近設備造成的影響。設計列間空調一方面可以解決當前的高熱密度設備發熱問題，另一方面也可以方便后期部署新增的IT設備以及擴容。對現有的上送風系統進行優化，將風口安裝在冷通道上部進行連接。在冷通道產生正壓，將服務器的熱量通過機柜孔板吹到熱通道。在原有風道主風管上再并聯一臺精密空調，使用風閥將2臺設備隔離。2臺精密空調互為備用，以便設備故障或檢修時空調系統正常運行。在物理空間上隔離冷熱通道，再通過列間空調和上送風空調雙系統對服務器進行降溫，解決局部過熱，降低能量消耗。雙通道冷封閉示意如圖4所示。

圖4 雙通道冷封閉示意

2.4 送風系統精確調節，保證冷量按需配送

（1）對現場每一個機柜進行電壓和電流的測量，功率為

阿拉伯文因字形差別太大，不屬于楔形字形進化的序列。即使閃族語系原來是統一的語言，但在閃族語使用的同時，至少在中東地區還有埃及語、阿拉伯語和波斯語，怎么能說天下的語言是統一的呢？

式中：P為功率；U為輸入電壓；I為輸入電流。

（2）通過CFD仿真，能夠根據機柜現有負載大小計算出機柜需要的冷量。

（3）在送風系統中通過閥門對該機柜的送風量進行風量調節，以保證冷量按需配送。

2.5 接入動環監控，確保機柜設備工作環境在線監控

在精確送風系統每個送風裝置內安裝溫度采集器對送風裝置內溫度進行采集，通過RS485/RS232通信接口，將采集的溫度數據通過動環監控接入設備實時上傳至動環監控系統服務器。動環監控系統對上傳的溫度數據進行解析，實現送風裝置內溫度實時監測、告警閥值設定、異常狀態預測以及故障短信通知等功能，確保機柜溫度處于穩定狀態，為網絡設備運行提供可靠保障。

3 項目攻堅實施

3.1 項目規模

本次A地點、B地點省級機房機架局部熱點攻堅項目主要涉及A地點、B地點所屬共6個機房129個機柜的精確送風、冷熱通道隔離等內容。項目改造機柜清單如表1所示。

表1 項目改造機柜清單

3.2 項目周期

項目2021年12月21日開工，2022年6月30日完工，項目周期約6個月。項目改造計劃如表2所示。

表2 項目改造計劃

3.3 施工內容

施工過程主要包括機房CFD+熱成像技術仿真、管道系統安裝、送風裝置安裝、精確送風系統調節以及動環監控接入5個過程。

4 項目攻堅成果及注意事項

4.1 項目攻堅成果

該項目的實施，證實了通過CFD對機房機柜熱點定位非常準確，也符合現場實際熱點位置。改造完成后，6個機房129個機柜不再出現局部熱點，改造區域溫度得到控制[4]。表3為改造前后機柜溫度及局部熱點數量對比。

表3 改造前后機柜溫度及局部熱點數量對比

通過此次改造，空調實際負荷顯著降低，為IT設備擴容提供了富余制冷余量；富余冷量可以通過采集改造區域空調改造前后能耗數據進行對比。其中，B地點4樓機房通道內設計列間空調，將波分機柜吹出的熱風就近冷卻處理，解決了波分機柜長期面臨的高溫告警問題，降低了房間精密空調的負荷；B地點4樓機房空閑出2臺空調作為備用。表4為改造前后機房冷量富裕度對比。

表4 改造前后機房冷量富裕度對比

增加送風裝置內溫度實時監測并接入動環系統，實現自動監測預警。表5為項目改造的包框數量及溫濕度探頭數量統計。

表5 項目改造的包框數量及溫濕度探頭數量統計

實施冷熱通道封閉，重新規劃氣流組織形式，解決了機房內氣流組織混亂、冷熱氣流混合現象嚴重等問題，顯著提高了制冷利用效率，減少了高溫報警，降低了安全隱患，節省了機房總體電力消耗，延長了在用空調使用壽命，增強了機房設備運行的可靠性[5]。

4.2 注意事項

（1）該改造是在已經投運的機柜上進行改造，對應的每一套送風倉、風管和冷通道都需要現場勘測，根據現場情況定制。

（2）要根據機柜之間的通道寬度和通道內尾纖槽的阻擋情況來設計送風倉的深度。

（3）風管在設計過程中需要詳細勘測，需要根據機房內走線架、吊桿等的實際情況進行設計風管的送風路由[6]。

（4）因施工過程中機柜是在網運行狀態，本次項目在風管施工時用防火布對下方機柜進行保護。在送風倉的施工時采用亞克力板對設備進行隔離，并用吸塵器隨時處理現場清潔[7]。

5 結 論

此次局部熱點攻關項目的成功實施，充分應用業界最先進的CFD+熱成像技術仿真進行準確的機房熱點“定位把脈”，并根據不同的過熱機柜場景靈活應用冷通道封閉技術、機柜側的精確送風技術，同時加裝溫濕度檢測裝置，從而在現網設備安全運行的前提下，以最小的改造成本和規模，全面清除了局部熱點，解決了機房內氣流組織混亂、冷熱氣流混合現象，顯著提高了制冷效率，減少了高溫報警，降低了安全隱患。

通過此次改造，空調實際負荷將顯著降低，為IT設備擴容提供了富余制冷余量。經初步測算，改造后年綜合節能達到40萬kW·h以上，減少二氧化碳排放量244 t，為國家“雙碳”戰略目標的實現做出了積極貢獻。