在用通信機房機架氣流組織改造方案

摘 要：由于用戶及數據量的不斷增加，現(xiàn)有一些通信機房的設備也達到飽和狀態(tài)，原有機架和機房的散熱條件可能滿足不了現(xiàn)在的散熱需求。對上海地區(qū)很多在用機房的現(xiàn)狀實地調研，發(fā)現(xiàn)普遍存在局部機架內部溫度過高，影響設備的性能及使用壽命。在不改造通信機房的空調系統(tǒng)，不影響機架正常運行的前提下，現(xiàn)提供多種機架本身的氣流組織熱改造方案（其中有專利項目），通過機房實例分析，可以得出結論：在小成本投入下，明顯改善機架散熱性能，提高空調系統(tǒng)的能量利用效率，大大降低機架內溫度，最大限度保證設備的不間斷運行。

關鍵詞：通信機房；通信機架；氣流組織；實測；優(yōu)化；開孔率；開孔區(qū)域面積比

中圖分類號：TU831

1 背景

通信機房作為數據處理和電子通訊設備的存放基地，熱負荷大且持續(xù)穩(wěn)定，需要提供穩(wěn)定而適合的溫度、濕度環(huán)境才能保證這些設備正常工作。特別是近年來隨著電子設備的體積小型化、功能多樣化以及運行速度的不斷提高，單位面散熱量大幅增長，對機房的環(huán)境條件要求越來越高。許多在用機房，由于用戶及數據量的激增，處于成本和硬件條件限制，運營商不得不在原有機房內進行擴容，導致一些機架設備量達到飽和甚至超過設計容量，導致了局部機架的高發(fā)熱量。另一方面，作為通信機房熱管理主要設備的空調系統(tǒng)每年消耗大量的電能。

2 通信機房發(fā)熱量現(xiàn)狀調查

2.1 機房空調情況調查

2013年，通過對上海電信互聯(lián)網部近20個在用機房的現(xiàn)場實測調研，據調查，目前較為普遍存在的問題是，在用機房的空調送、回風方式仍然類似民用建筑和一般工藝的空調送、回風方式，更多的是關注整個房間，而不是重點關注每個機架/機柜中的氣流流通情況。因此，一些機房的盡管空調送風量非常大，換氣次數甚至高達100次/h，但服務器區(qū)的環(huán)境溫度超標，空調系統(tǒng)能量利用率不高。

2.2 實驗測試

2.2.1 測試基本情況

實驗測試機房為上海電信互聯(lián)網部西藏南路某數據通信機房，該機房為滿足世博會期間的通信保障任務，擴容了部分機架，機房面積為280m2，機架朝向一致，分8列布置，排間距1.2m?？照{送風方式為側送側回方式。

2.2.2 實驗測點布置

測試對象為數據機架，在數據設備正常運行的情況下，對每個機架的進風口、排風口不同高度和不同距離處的溫度進行了實驗測試，其測點布置位置見圖1。

圖1 機架測試點分布圖

實驗測試結果：

根據不同高度取水平方向A、B、C三點的平均值。表1為機架進出風口溫度測試結果。

表1 機架進出風口測試溫度（℃）

編號進風點平均值出風點平均值出風區(qū)域平均值

1（0.22m）18.632.423.8

2（0.66m）24.136.226.3

3（1.10m）24.233.525.6

4（1.54m）20.534.525.2

5（1.98m）19.532.124.1

6（平均）21.3833.7425

2.2.3 測試結果與分析

數據機架的冷卻效果與很多因素有關，其中空調的制冷量和室內的氣流組織是最主要的因素。從表中可以看出機架進風點溫度為18.6～24.2℃，出風點溫度為32.1～36.2℃，離出風點300mm處溫度為23.8～26.3℃（見圖2）。測試結果表明：對整個機房而言，室內整體溫度符合環(huán)境控制要求，但存在局部過熱的現(xiàn)象，部分機架排風測點溫度達到了36℃。排風區(qū)域溫度<28℃，說明空調系統(tǒng)的制冷量能夠滿足設備冷卻要求。因此，氣流組織的不合理是造成局部過熱現(xiàn)象的主要因素。結合測試數據及機房具體情況分析，認為造成這種現(xiàn)象的主要原因是設備進風口進風量不足，出風口出風量不足，使得局部冷熱交換不均勻，設備排出的熱風不能很好的和環(huán)境中的冷風融合，造成機架排風處溫度過高。同時機架中缺少風道設備來管理氣流組織，使機架進風側的冷風不能有效的通過設備，也是導致機架設備溫度升高的原因之一。

圖2 機架進出風口溫度分析

3 機房局部過熱的危害

3.1 設備運行溫度超標，造成宕機情況，嚴重影響系統(tǒng)運行；

3.2 設備長期處于高溫運行，運行風險增加，根據統(tǒng)計資料表明，溫度升高將導致：

（1）磁盤磁帶會因熱漲效應造成記錄錯誤。

（2）計算機的時鐘主頻在溫度過高都會降低。

（3）網絡設備傳輸誤碼率增高甚至失效。

（4）服務器自動保護停止工作。

（5）服務器硬盤損壞、引起火災等。

（6）溫度每升高10℃，計算機的可靠性就下降25%，使用壽命將減少到50%。

3.3 空調送風氣流不暢、短路造成有效送風量的降低，導致熱交換不充分，制冷系統(tǒng)過剩運行嚴重，造成空調投資與空載能耗升高。

4 改造方案

4.1 網絡機柜門通風面積計算方法

A1柜門總面積（S）

在評估機柜門（或類似部件）的開孔通風狀況時，該柜門（或類似部件）的正面面積稱為柜門總面積。

A2開孔區(qū)域、開孔區(qū)域面積（Sq）和開孔區(qū)域面積比（Rq）

機柜門（或類似部件）上被均勻、密集開孔的區(qū)域稱為開孔區(qū)域，見附圖3所示。以開孔區(qū)域邊界的孔的幾何中心連線所圍成的區(qū)域面積為開孔區(qū)域面積。開孔區(qū)域面積與柜門總面積之比為開孔區(qū)域面積比。

式中：

Rq——開孔區(qū)域面積比；

Sq——開孔區(qū)域面積；

S——柜門總面積。

圖3 機柜門板開孔區(qū)域示意圖

A3開孔面積（Sk）、孔徑（d）和開孔率（Rk）

對于機柜門（或類似部件）上的某一個孔，其通透部分平面積即開孔面積。開孔形狀為圓形時，其孔徑為孔的直徑；開孔形狀為其他形狀時，其孔徑為與孔等面積的圓的直徑。機柜門（或類似部件）上所有開孔面積之和與開孔區(qū)域面積之比為開孔率。

式中：

Rk——開孔率；

Sk——開孔面積；

Sq——開孔區(qū)域面積。

A4全通透率（Rt）

機柜門上（或類似部件）所有開孔面積之和與柜門總面積之比。

式中：Rt——全通透率；

Sk——開孔面積；

S——柜門總面積；

Rq——開孔區(qū)域面積比；

Rk——開孔率。

4.2 前進風機架，通過對前后門板的改造，增加進出風口通風量

通過調查發(fā)現(xiàn)，在用機房大多使用的是老式的機架結構，門板采用傳統(tǒng)的圓孔散熱方式，通風面積較小（如圖4所示），經過計算，其開孔率為27.7%左右，開孔區(qū)域面積比為21.6%左右，開孔面積占門板面積的6%左右，遠遠達不到目前網絡機柜的設計要求，前進風機架要求前后門均開孔，前門開孔率應≥60%，孔徑應在4.5mm～8.0mm之間，開孔區(qū)域面積比應≥80%，后門開孔率應≥50%，孔徑應在4.5mm～8.0mm之間，開孔區(qū)域面積比≥70%。

圖4 改造前機架門板開孔示意圖

通過一種實用新型的專利產品的應用（專利號：2010 2 0102033.4/2010 2 0033338.4），前后門均采用采用六角網孔結構，孔邊距小于1mm（如圖5所示），通過計算，其開孔率為81%左右，開孔區(qū)域面積比為70.6%左右，開孔面積占門板面積的57%左右。更換門板后的通風量接近原來門板的10倍，對比明顯（如圖6所示）

圖5 改造后機架門板開孔示意圖

圖6 改造前后機架門板對照

4.3 機架氣流組織改造

當機架內外環(huán)境相同時，機房內的空調負荷是相對穩(wěn)定的，并不會隨著局部過熱問題存在而改變。氣流組織的合理性才是問題的根源。增加機架進出風量的同時，增加機架的空面板和立柱側封板等（如圖7所示），有效改善機架氣流組織，降低冷風的不必要流失，使其充分的經過發(fā)熱設備，也可以有效的減少冷熱風的短路，對于局部發(fā)熱的現(xiàn)象也有很好的改善效果。

圖7 機架氣流組織改造措施

4.4 改造后的效果分析

4.4.1 氣流組織分析

如圖8所示，改造后的機架前后通風量明顯增大，冷熱氣流交換比較流暢，冷風進入設備也比較集中，增加了設備的吸風量。

圖8 改造前后氣流組織分析

4.4.2 測試結果分析

按照2.2實驗測試改造后的機架溫度，結果如表二所示。

表2 改造后機架進出風口測試溫度（℃）

編號進風點平均值出風點平均值出風區(qū)域平均值

119.227.121.5

223.929.224.8

324.127.224.2

421.328.623.5

520.427.522.9

平均21.7827.9223.38

從表中可以看出機架進風點溫度為19.2～24.1℃，出風點溫度為27.1～29.2℃，離出風點300mm處溫度為21.5～24.8℃（見圖9）。通過比較平均值，出風點溫度和出風區(qū)域溫度分別下降了5℃和2℃左右。測試結果表明：通過改造，機架的局部溫度降低明顯，設備溫度下降明顯，出風口的環(huán)境溫度也略有下降。

圖9 改造后機架進出風口溫度分析

5 改造效益分析

將給客戶帶來以下效益：

（1）解決數據機房局部過熱問題，設備正常運行，為客戶業(yè)務的正常開展提供保障；

（2）機房上架率提高，機房擴容能力增加，減小數據機房建設總成本；

（3）改造成本較低；

（4）改造過程不影響設備正常使用，不中斷用戶業(yè)務；

（5）機房空調機組運行能耗降低，電費節(jié)省，機房運行成本降低，為客戶節(jié)省大筆費用支出。

通過這種改造方案，對上海電信互聯(lián)網部的近20多個機房實施項目改造后，機架散熱節(jié)能效果達到預期，受到用戶一致認可。

6 結束語

隨著中國數據機房的逐漸增多，現(xiàn)有數據機房的局部過熱問題已經是一個全國共性問題。然而，在用機房由于設備已經投入運行，對于機架和空調系統(tǒng)的改造空間已經很小了。通過高精度、小成本的氣流組織的改造，能夠將冷能盡最大可能分配到需要的網絡設備上，在大大降低空調能耗的同時，也保證了數據設備的安全穩(wěn)定可靠運行。因此，我們認為上述“氣流組織的改造方案”是解決現(xiàn)有數據機房過熱問題的優(yōu)秀方案，具有一定的推廣價值。

參考文獻：

[1]YDB071.5-2011通信電源和機房環(huán)境節(jié)能技術指南第5部分：氣流組織[Z]，2012.

[2]GB50174-93中華人民共和國國家標準電子計算機機房設計規(guī)范[Z].

[3]劉成.通信機房空調氣流組織合理化研究[J].建筑熱能通風空調，2010（05）.

[4]簡棄非.通信機房氣流組織的模擬與分析[J].節(jié)能技術，2009（01）.

作者簡介：王劍榮，男，上海嘉定人，中級工程師，本科，主要研究方向：計算機及信息技術應用。

作者單位：上海信電通通信建設服務有限公司，上海 201802