張 禮

（安慶移動分公司網(wǎng)絡(luò)部，安徽 安慶 246003）

0 引 言

近年來，全國通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和用戶規(guī)模不斷擴(kuò)大，通信企業(yè)機(jī)房的耗電量已經(jīng)成為不斷增加的重要成本。在眾多的用電成本中，空調(diào)用電費(fèi)占有相當(dāng)大的比例。據(jù)調(diào)查，核心機(jī)房中僅精密空調(diào)的運(yùn)行耗電量就占機(jī)房總用電量的50%以上，匯聚機(jī)房中空調(diào)用電量基本在70%左右[1]。而空調(diào)的制冷量除與設(shè)備發(fā)熱功耗有關(guān)外，還與機(jī)房空間的大小有著密切關(guān)系。為減少機(jī)房空間對制冷量的需求，在水平面上對空閑的機(jī)房空間采用物理隔斷的方式，有效降低了機(jī)房空調(diào)的制冷量。垂直面上機(jī)柜高度只占有機(jī)房高度的一半左右，但機(jī)房上部都裝有走線架等，無法進(jìn)行物理隔斷。因此，如何進(jìn)行垂直面上的隔斷成為需要研究的重要課題。

1 機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)方式

通信機(jī)房的氣流結(jié)構(gòu)與機(jī)房采用的空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)方式關(guān)系密切，常見有IDC機(jī)房和核心機(jī)房內(nèi)的風(fēng)管上送風(fēng)、架空地板下送風(fēng)和微模塊等多種送風(fēng)方式。匯聚機(jī)房或基站機(jī)房大多采用的是普通空調(diào)自帶出風(fēng)口的水平送風(fēng)方式。

1.1 風(fēng)管上送風(fēng)

該種送風(fēng)方式應(yīng)用于機(jī)柜按照冷熱通道間隔的方式布置，布置上送風(fēng)風(fēng)管，空調(diào)送風(fēng)口對應(yīng)機(jī)柜冷通道，回風(fēng)口盡量設(shè)置在熱通道上，依靠空調(diào)回風(fēng)壓力將機(jī)柜排出的熱風(fēng)吸回，如圖1所示。

1.2 架空地板下送風(fēng)

該種送風(fēng)方式需在機(jī)房內(nèi)設(shè)置架空地板，地板高度隨機(jī)房內(nèi)單機(jī)柜功耗的不同而變化，并選用下送風(fēng)方式的機(jī)房專用空調(diào)。為避免樓板結(jié)露，機(jī)房地面需保溫處理。機(jī)柜同樣按照冷熱通道間隔的方式布置，機(jī)柜前后門的開孔率不宜低于60%?？照{(diào)冷風(fēng)在架空地板下通過冷通道上設(shè)置的開孔地板（送風(fēng)口）和機(jī)柜前門進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)，空調(diào)回風(fēng)口盡量設(shè)置在熱通道上，依靠空調(diào)回風(fēng)壓力將機(jī)柜排出的熱風(fēng)吸回，如圖2所示。

1.3 微模塊列間空調(diào)送風(fēng)方式

空調(diào)出風(fēng)口是從冷通道送風(fēng)，經(jīng)過通信設(shè)備后采用熱通道回風(fēng)的水平送風(fēng)方式，從而完全解決了冷熱氣流短路的問題。該種送風(fēng)方式實(shí)現(xiàn)了冷熱通道的物理隔離，保障了服務(wù)器機(jī)柜溫度的均勻，在設(shè)備密集的機(jī)房使用較多，如圖3所示。

圖1 上送風(fēng)方式示意圖

圖2 架空地板下送風(fēng)方式示意圖

圖3 列間空調(diào)送風(fēng)方式示意圖

1.4 普通空調(diào)自帶出風(fēng)口水平送風(fēng)

由于節(jié)點(diǎn)機(jī)房和基站機(jī)房位置分散，所安裝的通信設(shè)備數(shù)量少，且機(jī)房空間多在60～120 m2，空間不大，所以大多只安裝1～2臺5P普通機(jī)房空調(diào)。它采用空調(diào)自帶的水平送風(fēng)方式，如圖4所示。

2 機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)氣流結(jié)構(gòu)

2.1 傳統(tǒng)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)氣流結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)機(jī)房的空調(diào)送風(fēng)、回風(fēng)方式以及通信設(shè)備的通風(fēng)方式導(dǎo)致了機(jī)房氣流的局部熱點(diǎn)離通信設(shè)備很近，整個(gè)機(jī)房氣流處于紊亂的機(jī)構(gòu)中，如圖5所示。如要保持通信設(shè)備運(yùn)行在合理的溫度范圍，就要求空調(diào)對整個(gè)機(jī)房空間有效降溫。而數(shù)據(jù)中心采用的微模塊形式的列間空調(diào)通風(fēng)方式，雖實(shí)現(xiàn)了通信設(shè)備冷通道和熱通道的物理隔離，但通信設(shè)備的背出風(fēng)和列間空調(diào)的回風(fēng)方式同樣導(dǎo)致機(jī)房局部熱點(diǎn)離設(shè)備依然很近，空調(diào)回風(fēng)同樣使機(jī)房中存在相對很熱的氣流，大幅降低了空調(diào)制冷效果。

圖4 普通空調(diào)水平送風(fēng)方式示意圖

2.2 置換通風(fēng)氣流結(jié)構(gòu)

（1）置換通風(fēng)是氣流組織的一種形式，起源于20世紀(jì)70年代的北歐，最初應(yīng)用于工業(yè)建筑，后逐漸應(yīng)用到其他領(lǐng)域，是一種較新的通風(fēng)形式。它是將經(jīng)處理或未處理的空氣，以低風(fēng)速、低紊流度、小溫差的方式，直接送入室內(nèi)人員活動區(qū)的下部。送入室內(nèi)的空氣先在地面上均勻分布，隨后流向熱源（人或設(shè)備）形成熱氣流，以煙羽的形式向上流動，并在室內(nèi)的上部空間形成滯留層，從滯留層將室內(nèi)的余熱排出。

圖5 機(jī)房平視，傳統(tǒng)機(jī)房氣流分析

（2）應(yīng)用于通信機(jī)房的置換通風(fēng)方式是以浮力和設(shè)備排風(fēng)作用為動力源而形成空氣自然對流射流為主要特征的通風(fēng)方式。如圖6所示，當(dāng)室內(nèi)發(fā)熱設(shè)備的溫度高于其周圍室內(nèi)溫度形成熱源時(shí)，室內(nèi)空氣將沿著熱源周圍進(jìn)行自然對流換熱，換熱后的熱源周圍空氣在浮力和設(shè)備排風(fēng)的作用下如煙羽狀自然上升，從而使熱源周圍空氣形成自下而上自然對流射流，并夾帶熱源周圍空氣一起升至室內(nèi)頂部，使得機(jī)房的局部熱點(diǎn)上升到機(jī)房頂部空間，在浮力的作用下，上部形成高溫滯留層。由于機(jī)房墻體本身具有散熱能力，根據(jù)計(jì)算模型其固有散熱性能在正常條件下，一個(gè)120 m2鋼筋混凝土（熱傳導(dǎo)系數(shù)1.74 W/（m2·K））機(jī)房的散熱量相當(dāng)于1.3臺5P空調(diào)的制冷量，迫使沿著墻壁流動的高溫空氣先自然冷卻下降，同時(shí)在空調(diào)回風(fēng)壓力的作用下降低至下部空調(diào)制冷區(qū)域，在機(jī)房空間形成下部溫度適宜的潔凈層，從而形成置換通風(fēng)循環(huán)，在氣流結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于把機(jī)房空間從垂直層面進(jìn)行“隔斷”，機(jī)房空調(diào)只需要保持設(shè)備區(qū)高度空間的溫度在合理范圍內(nèi)，設(shè)備上層空間走線架所處位置，溫度對其影響不大，從而大幅提高機(jī)房空調(diào)使用效率（PUE）。

（3）對于空間空調(diào)制冷量的需求一般是按空間體積進(jìn)行設(shè)計(jì)，按50 W/m3進(jìn)行估算，通信機(jī)房空間高度在4.5 m左右（下通風(fēng)方式，地板高度0.5 m），這就要求通信機(jī)房有200 W/m3的制冷量。而氣流隔斷形式的置換通風(fēng)氣流機(jī)構(gòu)，高度可控制在機(jī)柜高度3 m左右，理論制冷量125 W，可降低制冷能耗37.5%。

圖6 機(jī)房平視圖，氣流模擬分析

2.3 機(jī)房氣流結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

根據(jù)機(jī)房結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理規(guī)劃機(jī)房氣流組織。充分利用置換通風(fēng)循環(huán)的原理，改變通信設(shè)備的出風(fēng)方式，合理設(shè)置空調(diào)送風(fēng)口，確保氣流送風(fēng)過程中無阻擋，避免機(jī)房內(nèi)的冷熱空氣混合或造成冷量損失，在機(jī)房空間從氣流結(jié)構(gòu)上形成相對的“隔斷”。

2.3.1 通信設(shè)備進(jìn)出風(fēng)方式的優(yōu)化

通信設(shè)備采用下進(jìn)風(fēng)或下側(cè)進(jìn)風(fēng)的方式，出風(fēng)采用上出風(fēng)方式，設(shè)備的擺放采用“面對面、背對背”的布局，從而使設(shè)備由潔凈層吸入冷氣流，向高溫滯留層排放熱氣流，形成置換通風(fēng)循環(huán)。

2.3.2 空調(diào)送風(fēng)及回風(fēng)方式的優(yōu)化

匯聚機(jī)房空調(diào)由于機(jī)房空間小，很多都是靠墻角擺放，空調(diào)送風(fēng)口氣流容易被設(shè)備阻擋亦或空調(diào)送風(fēng)口遠(yuǎn)離設(shè)備區(qū)。同時(shí)，該種機(jī)房大多使用普通柜式空調(diào)，不具備設(shè)備下通風(fēng)的條件。可以根據(jù)設(shè)備進(jìn)出風(fēng)口的方向，采用機(jī)柜面對面或背對背的方式擺放，使之形成廣義的“冷”通道和“熱”通道。如圖7所示，充分利用置換通風(fēng)的原理，選用上出風(fēng)的設(shè)備機(jī)柜，同時(shí)降低普通空調(diào)的出風(fēng)口高度，使空調(diào)出風(fēng)口更接近設(shè)備進(jìn)風(fēng)口，且空調(diào)的送風(fēng)處于潔凈層，從而使機(jī)房氣流結(jié)構(gòu)達(dá)到置換通風(fēng)循環(huán)的要求，形成相對的氣流“隔斷”，從而提升機(jī)房制冷效果。

對于采用地板下送風(fēng)的機(jī)房，可以選用上出風(fēng)下進(jìn)風(fēng)的設(shè)備，從而充分利用置換通風(fēng)循環(huán)，使機(jī)房空間上部形成高溫滯留層，下部形成潔凈層，形成相對的氣流“隔斷”，如圖8所示。

采用列間空調(diào)的微模塊機(jī)房，可以選用側(cè)進(jìn)風(fēng)和上出風(fēng)的通信設(shè)備，根據(jù)設(shè)備進(jìn)出風(fēng)口的方向，采用機(jī)柜面對面或背對背的方式擺放，同樣可以形成置換通風(fēng)循環(huán)，降低列間空調(diào)的回風(fēng)溫度，降低空調(diào)制冷能耗。

圖7 背對背擺放方式，形成冷熱通道

采用空調(diào)上出風(fēng)口的機(jī)房，由于出風(fēng)口在機(jī)房高溫紊流層需要安裝送風(fēng)管，精確送風(fēng)至設(shè)備的側(cè)面或者門板上。設(shè)備同樣采用側(cè)進(jìn)風(fēng)和上出風(fēng)，如圖9所示。

圖8 地板下通風(fēng)示意圖

圖9 門板式精確送風(fēng)器示意圖

3 空調(diào)制冷效率優(yōu)化

在對各種冷源的分析中發(fā)現(xiàn)，充分采用自然冷源可大幅降低空調(diào)能耗和機(jī)房PUE，主要有機(jī)房熱管、氟泵和板換等自然冷源技術(shù)方案。目前，熱管空調(diào)、氟泵空調(diào)以及冷凍水空調(diào)已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心機(jī)房和核心機(jī)房中得到了很好的應(yīng)用，有效降低了機(jī)房PUE值，但是面對數(shù)量眾多的匯聚機(jī)房或基站機(jī)房，因地理位置、周圍環(huán)境以及使用的高額成本等原因，以上類型的空調(diào)很難在匯聚機(jī)房中得到廣泛應(yīng)用。

結(jié)合多年對普通機(jī)房空調(diào)的通風(fēng)方式研究后，在不改變空調(diào)原有通風(fēng)方式和利用隔斷效果氣流結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性開發(fā)智能溫差通風(fēng)助手裝置，在普通柜式空調(diào)的基礎(chǔ)上安裝溫差通風(fēng)裝置。當(dāng)室外溫度低于室內(nèi)溫度時(shí)，自動啟動對室外空氣的引入（考慮到溫差過大容易形成凝露，引入溫差設(shè)置5 ℃左右），如圖10所示。通過對室外冷空氣和室內(nèi)空氣在空調(diào)內(nèi)進(jìn)行混合后，再經(jīng)過空調(diào)出風(fēng)后送至室內(nèi)。由于空調(diào)是通過采集回風(fēng)溫度控制空調(diào)制冷，所以當(dāng)室外空氣溫度低時(shí)，空調(diào)會停止壓縮機(jī)制冷自動進(jìn)行通風(fēng)模式，從而達(dá)到節(jié)能和促進(jìn)機(jī)房散熱的雙重效果。同時(shí)，室外冷空氣進(jìn)氣量遠(yuǎn)小于空調(diào)風(fēng)機(jī)從室內(nèi)引入的空氣量（冷空氣引入量與空調(diào)回風(fēng)量的比值1:5），且混合過程在空調(diào)內(nèi)部完成，從而有效解決了室外溫度低情況下出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，同時(shí)有效利用清潔室外冷源降低了室內(nèi)溫度而不破壞原先的室內(nèi)空調(diào)氣流結(jié)構(gòu)。對于冷空氣進(jìn)風(fēng)量不好控制的地方，可提高冷空氣進(jìn)風(fēng)口的高度至空調(diào)冷凝水盤以上，使冷熱空氣混合形成的冷凝水一同流入空調(diào)自動的排水系統(tǒng)。引入口進(jìn)行空氣過濾，并采用自動閉鎖裝置確保引入冷源的清潔，對于室外空氣灰塵嚴(yán)重地區(qū)可以適當(dāng)提高引入口高度。智能溫差通風(fēng)裝置實(shí)物圖，如圖11所示。

表1 匯聚機(jī)房優(yōu)化前后電表數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖10 智能通風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)圖

對現(xiàn)網(wǎng)的部分可優(yōu)化機(jī)房進(jìn)行以上方式的氣流隔斷效果優(yōu)化，并采用PUE的測量方法，對相鄰室外環(huán)境溫差不大的兩周的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)調(diào)查。由于匯聚通信機(jī)房主設(shè)備用電量在短時(shí)間能幾乎不發(fā)生很大變化，所以采集的能耗差值均為空調(diào)設(shè)備耗電量，有效減少能耗7%～23%。

圖11 智能溫差通風(fēng)裝置實(shí)物圖

以上數(shù)據(jù)來源于2018年9月21日至2018年10月5日采集的智能電表數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)為市電引入機(jī)房上端，室外溫度均在26～34 ℃。其中，匯聚機(jī)房1、匯聚機(jī)房2采用優(yōu)化機(jī)柜位置并引入室外冷源的方式，匯聚機(jī)房3至匯聚機(jī)房11采用優(yōu)化機(jī)柜位置的方式。

4 結(jié) 論

隨著全國通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和用戶規(guī)模的不斷擴(kuò)大，通信網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展，通信設(shè)備運(yùn)行的耗電量已經(jīng)成為不斷增加的重要成本，而空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行耗電量占據(jù)了通信設(shè)備運(yùn)行耗電量的最大比重。從對傳統(tǒng)機(jī)房的氣流結(jié)構(gòu)分析研究出發(fā)，提出了機(jī)房縱向隔離效果的氣流結(jié)構(gòu)的理論方法和柜體擺放的優(yōu)化、氣流結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及冷源利用方法等優(yōu)化研究建議，涉及數(shù)據(jù)中心機(jī)房、核心機(jī)房和優(yōu)化難度大的基站機(jī)房，進(jìn)一步促進(jìn)了機(jī)房空調(diào)的安全、節(jié)能和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。