高热密度通信机房的空调解决方案

高热密度通信机房的空调解决方案
摘要：针对通信机房建设中的高热密度问题，结合国内外经验，提出优化的空调解决方案。

关键词：高热密度通信机房空调
Abstract：For high heat density problem in communications room, it optimizes air conditioning solutions with home and abroad experiences.
Keywords：High heat density Communication room Air conditioning
0 前言
随着通信设备的迅猛开展，通信机房建设中出现了高热密度问题。

这个问题的出现与电子计算机本身以及集成化程度的开展变化密切相关。

应用高密度信息技术设备如刀片效劳器可使每个机柜的功率到达20kW以上，这种负荷大大超出了一般机房的散热能力，不可防止的带来了机房局部的高散热量，以及局部温度的急剧升高。

这就对通信机房空调设计提出了更高的技术要求，和过去单纯追求机房内环境温度的降低不同，高热密度通信机房的开展强调有效地带走每个设备的散热量。

1 高热密度机柜的散热需求
如何有效地带走每个高热密度机柜的散热量是高热密度通信机房空调解决方案的核心问题。

〔本文中，“高热密度机柜〞指功率超过3kW的机柜，因为3kW相当于目前通信机房平均散热能力范围的上限。

〕
例如安装刀片效劳器的机柜，其进风口需要大约1180L/s的冷空气〔以排出的空气温度升高11℃的常用值计算〕，从机柜后部也要排出相同数量的热空气。

无论空调系统能否提供这么多的冷空气，机柜都要吸入这么多空气。

如果不能为机柜提供这么多的冷空气，机柜中的设备就会吸入自己排出的热空气〔或相邻机柜排出的热空气〕，导致设备过热。

因此，要到达高热密度机柜所需的散热性能需要三个关键要素：
（1）使机柜排出的热空气远离设备的进风口，以保证进风的冷度；
（2）为机柜提供足量的冷空气，从机柜中排出等量的热空气；
（3）以冗余和不间断的方式提供冷却功能。

2 空调解决方案
针对上述高热密度机柜散热需求的三个关键要素，下面几节将逐一提出空调解决方案。

使机柜排出的热空气远离设备的进风口，以保证进风的冷度。

除极少数情况以外，绝大多数高热密度机柜的设计为从前面吸入冷空气，从后面排出热空气。

假设机柜都朝向一个方向排列，那么第一排机柜排出的热空气在通道中将和冷空气或环境空气相混合，然后进入到第二排机柜。

图1显示的就是这种布置。

由于空气连续通过各排机柜，设备的进风口空气注定是较热的。

图1 热通道和冷通道没有隔开的机柜布置
为使机柜排出的热空气远离设备的进风口，以保证进风的冷度，最正确作法是将机柜面对面、背对背的形式布置，形成冷、热通道相间隔的状态，如图2所示。

使机柜的前面朝向冷通道吸入冷空气，而热空气将被排出到不含冷空气风口的热通道中。

图2 热通道和冷通道隔开的机柜布置
为了更加有效地隔离冷、热空气，机柜中任何未装满组件的垂直空间均需安装消隐挡板。

因为组件之间的垂直空隙会引起气流混流，在这些空隙装上消隐挡板就可阻挡热空气的回流。

图3 安装挡板对效劳器进气口温度的影响
2.2为机柜提供足量的冷空气，从机柜中排出等量的热空气。

每个高热密度机柜均需要大量的冷空气来带走设备产生的散热量，如何将冷空气均匀的送到每个高热密度机柜的进风口，如何将机柜排出的热空气准确的回收至空调机，这是提供足量冷空气的关键点。

空调机与机柜之间输送空气有以下三种根本形式：开启方式、局部管道方式、全管道方式。

所谓开启方式，即空调机和机柜直接从房间吸入或排出大量空气，中间不用任何专门的管道来引导。

所谓局部管道方式，即通过管道送风或回风，通风口位于靠近机柜处。

而全管道方式中，空气直接通过管道进出机柜。

以上三种方式，都可用在送风路线和回风路线上，能形成多种气流组织形式的组合。

其中开启方式送风〔例如常用的风帽上送风〕系统简单、安装本钱低，但送风气流组织与空气流动特性相矛盾，使房间下部温度偏高，且难以阻止冷热空气混合、难以将冷空气均匀的送到每个机柜的进气口等，因此，对于高热密度通信机房，不推荐使用。

而全管道方式送风需配合带有垂直气流配送装置的专用机柜，很少使用。

因此，高热密度通信机房中常用的气流组织形式为局部管道方式送风与三种方式回风的组合。

〔如图4、图5所示〕
图4 活动地板机房中常用的气流组织形式
图5 无活动地板机房中常用的气流组织形式
图4、图5中的气流组织形式，越往右，冷却能力越强，但管道系统越复杂，空调系统的本钱和复杂性都在提高。

根据机房的特点和高热密度的程度，选择适合的气流组织形式，是为机柜提供足量冷空气的保证。

活动地板下送风方式将冷空气从下部送出，气流组织与空气流动特性一致，容易得到好的空调效果，且地板下的空间比风管断面面积要大许多，这就形成了静压箱，使送风更均匀，同时，可在一定范围内移动风口的位置，以获得适宜的送风口温度，而风管上送风要做到这点甚为困难。

因此，对于高热密度通信机房，优先推荐使用活动地板下送风方式。

在有足够平均冷却能力，但却存在高热密度机柜造成热点的场合，可通过采用有风扇辅助的设备改进机柜内的冷却负荷。

这种设备可改善气流，并使每一机柜的冷却能力提高3kW到8kW。

这些设备，如空气分配单元〔ADU〕和空气迁移单元〔ARU〕可有效地从邻近空间“盗取〞冷空气。

〔如图6〕
图6 安装ARU和ADU的机柜
2.3以冗余和不间断的方式提供冷却功能。

空调机单元在方案中或方案外的宕机期间，机柜依然保持持续运行。

这就意味着冷却功能必须是冗余的——任何单个空调机单元关闭时，仍能保持足够的冷却功能。

常见的做法是空调机单元采用N＋1备份，且多个空调机单元共享一个垫高活动地板空间或压力通风装置。

这些装置将所有空调机单元的冷空气输出汇总在整个空气分配系统中提供均衡的压力，以保证任何一台空调机单元停止运行的情况下满足冷空气的供应。

不间断空调的概念在高热密度通信机房中同样受到挑战，常规通信机房的空调系统通常从备用发电机获得备份电力，发电机启动延迟是可以接受的，因为失去5－20秒〔发电机启动需要的时间〕的制冷和冷空气供应引起的温度升高只有大约1℃。

但是，在每个机柜18kW高热密度散热的情况下，气温在发电机启动延迟过程中会升高8－30℃，这是不可接受的。

因此在高热密度通信机房中，根据通信设备的重要性，且在经济许可的条件下，空调机的室内、外风扇和压缩机应接入不间断电源系统〔如EPS等〕，以保证空调机的根本制冷功能是持续不间断运行的。

方案小结
经过分析，对于高热密度通信机房，可采用以下优化方案：
〔1〕将机柜面对面、背对背的形式布置，形成冷、热通道相间隔的状态。

〔2〕机柜中任何未装满组件的垂直空间均需安装消隐挡板。

〔3〕根据机房的特点和高热密度的程度，选择适合的气流组织形式。

优先推荐使用活动地板下送风方式。

〔4〕在有足够平均冷却能力，但却存在高热密度机柜造成热点的场合，可通过采用有风扇辅助的设备改进机柜内的冷却负荷。

〔5〕空调机单元采用N＋1备份，保证冷却功能必须是冗余的。

〔6〕根据通信设备的重要性，且在经济许可的条件下，空调机的室内、外风扇和压缩机应接入不间断电源系统〔如EPS等〕。

通过上述具有针对性的优化后，可提高机房空调效率，解决日趋严重的高热密度问题。

3 超高热密度机房空调解决方案
当机房的功率密度超过5kW/m2时，采用传统方式的精密专用空调机组作为空调机单元已经不能满足机房散热的需求。

本文中，将此类机房称为超高热密度机房。

超高热密度机房的空调解决方案不是本文的重点，仅作简单介绍。

常见的超高热密度机房空调解决方案有：XD高热密度解决方案、ACS机柜冷却系统解决方案等。

XD高热密度解决方案，即空调风机盘管安装在机柜冷通道正上方，从两侧的热通道吸入热空气，制冷处理后直接送至冷通道〔如图7〕。

此方案能使冷、热空气形成良好的强制循环。

图7 XD高热密度解决方案
ACS机柜冷却系统解决方案，即采用一个集成有冷却、供电、防火和平安系统的自治柜系统。

冷却单元位于机柜内，热空气可在集成的冷却单元内处理而不排放到柜外，这样可保证向机柜内设备供应冷空气的最大有效性〔如图8〕。

图8 ACS机柜冷却系统解决方案
4 结束语
据美国APC预测：十年前，机房空间大小是限制通信设备装机容量的关键因素；今天，电力供应成为了限制通信设备装机容量的瓶颈，而十年后，设备散
热将成为限制通信设备装机容量的最大难题。

因此，针对通信机房日趋突出的高热密度问题，必须变革思路，从过去单纯追求机房内环境温度的降低，开展为强调有效地带走每个设备的散热量，并建立一系列有效、平安、经济的空调解决方案。

参考文献
1 Neil Rasmussen. Power and Cooling for Ultra-High Density Racks and Blade Servers.
American Power Conversion (APC) Rev 2005-4
2 Peter Hannaford. Ten Cooling Solutions to Support High- Density Server Deployment.
American Power Conversion (APC) Rev 2004-0。