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

關(guān)鍵詞：通信機(jī)房；通信機(jī)架；氣流組織；實(shí)測(cè)；優(yōu)化；開孔率；開孔區(qū)域面積比

中圖分類號(hào)：TU831

1 背景

通信機(jī)房作為數(shù)據(jù)處理和電子通訊設(shè)備的存放基地，熱負(fù)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(shè)備正常工作。特別是近年來(lái)隨著電子設(shè)備的體積小型化、功能多樣化以及運(yùn)行速度的不斷提高，單位面散熱量大幅增長(zhǎng)，對(duì)機(jī)房的環(huán)境條件要求越來(lái)越高。許多在用機(jī)房，由于用戶及數(shù)據(jù)量的激增，處于成本和硬件條件限制，運(yùn)營(yíng)商不得不在原有機(jī)房?jī)?nèi)進(jìn)行擴(kuò)容，導(dǎo)致一些機(jī)架設(shè)備量達(dá)到飽和甚至超過(guò)設(shè)計(jì)容量，導(dǎo)致了局部機(jī)架的高發(fā)熱量。另一方面，作為通信機(jī)房熱管理主要設(shè)備的空調(diào)系統(tǒng)每年消耗大量的電能。

2 通信機(jī)房發(fā)熱量現(xiàn)狀調(diào)查

2.1 機(jī)房空調(diào)情況調(diào)查

2013年，通過(guò)對(duì)上海電信互聯(lián)網(wǎng)部近20個(gè)在用機(jī)房的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)調(diào)研，據(jù)調(diào)查，目前較為普遍存在的問(wèn)題是，在用機(jī)房的空調(diào)送、回風(fēng)方式仍然類似民用建筑和一般工藝的空調(diào)送、回風(fēng)方式，更多的是關(guān)注整個(gè)房間，而不是重點(diǎn)關(guān)注每個(gè)機(jī)架/機(jī)柜中的氣流流通情況。因此，一些機(jī)房的盡管空調(diào)送風(fēng)量非常大，換氣次數(shù)甚至高達(dá)100次/h，但服務(wù)器區(qū)的環(huán)境溫度超標(biāo)，空調(diào)系統(tǒng)能量利用率不高。

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.2.1 測(cè)試基本情況

實(shí)驗(yàn)測(cè)試機(jī)房為上海電信互聯(lián)網(wǎng)部西藏南路某數(shù)據(jù)通信機(jī)房，該機(jī)房為滿足世博會(huì)期間的通信保障任務(wù)，擴(kuò)容了部分機(jī)架，機(jī)房面積為280m2，機(jī)架朝向一致，分8列布置，排間距1.2m?？照{(diào)送風(fēng)方式為側(cè)送側(cè)回方式。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試對(duì)象為數(shù)據(jù)機(jī)架，在數(shù)據(jù)設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，對(duì)每個(gè)機(jī)架的進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口不同高度和不同距離處的溫度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其測(cè)點(diǎn)布置位置見圖1。

圖1 機(jī)架測(cè)試點(diǎn)分布圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果：

根據(jù)不同高度取水平方向A、B、C三點(diǎn)的平均值。表1為機(jī)架進(jìn)出風(fēng)口溫度測(cè)試結(jié)果。

表1 機(jī)架進(jìn)出風(fēng)口測(cè)試溫度（℃）

編號(hào)進(jìn)風(fēng)點(diǎn)平均值出風(fēng)點(diǎn)平均值出風(fēng)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(cè)試結(jié)果與分析

數(shù)據(jù)機(jī)架的冷卻效果與很多因素有關(guān)，其中空調(diào)的制冷量和室內(nèi)的氣流組織是最主要的因素。從表中可以看出機(jī)架進(jìn)風(fēng)點(diǎn)溫度為18.6～24.2℃，出風(fēng)點(diǎn)溫度為32.1～36.2℃，離出風(fēng)點(diǎn)300mm處溫度為23.8～26.3℃（見圖2）。測(cè)試結(jié)果表明：對(duì)整個(gè)機(jī)房而言，室內(nèi)整體溫度符合環(huán)境控制要求，但存在局部過(guò)熱的現(xiàn)象，部分機(jī)架排風(fēng)測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到了36℃。排風(fēng)區(qū)域溫度<28℃，說(shuō)明空調(diào)系統(tǒng)的制冷量能夠滿足設(shè)備冷卻要求。因此，氣流組織的不合理是造成局部過(guò)熱現(xiàn)象的主要因素。結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)及機(jī)房具體情況分析，認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的主要原因是設(shè)備進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)量不足，出風(fēng)口出風(fēng)量不足，使得局部冷熱交換不均勻，設(shè)備排出的熱風(fēng)不能很好的和環(huán)境中的冷風(fēng)融合，造成機(jī)架排風(fēng)處溫度過(guò)高。同時(shí)機(jī)架中缺少風(fēng)道設(shè)備來(lái)管理氣流組織，使機(jī)架進(jìn)風(fēng)側(cè)的冷風(fēng)不能有效的通過(guò)設(shè)備，也是導(dǎo)致機(jī)架設(shè)備溫度升高的原因之一。

圖2 機(jī)架進(jìn)出風(fēng)口溫度分析

3 機(jī)房局部過(guò)熱的危害

3.1 設(shè)備運(yùn)行溫度超標(biāo)，造成宕機(jī)情況，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行；

3.2 設(shè)備長(zhǎng)期處于高溫運(yùn)行，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增加，根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，溫度升高將導(dǎo)致：

（1）磁盤磁帶會(huì)因熱漲效應(yīng)造成記錄錯(cuò)誤。

（2）計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘主頻在溫度過(guò)高都會(huì)降低。

（3）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳輸誤碼率增高甚至失效。

（4）服務(wù)器自動(dòng)保護(hù)停止工作。

（5）服務(wù)器硬盤損壞、引起火災(zāi)等。

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

3.3 空調(diào)送風(fēng)氣流不暢、短路造成有效送風(fēng)量的降低，導(dǎo)致熱交換不充分，制冷系統(tǒng)過(guò)剩運(yùn)行嚴(yán)重，造成空調(diào)投資與空載能耗升高。

4 改造方案

4.1 網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜門通風(fēng)面積計(jì)算方法

A1柜門總面積（S）

在評(píng)估機(jī)柜門（或類似部件）的開孔通風(fēng)狀況時(shí)，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(jī)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(jī)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(duì)于機(jī)柜門（或類似部件）上的某一個(gè)孔，其通透部分平面積即開孔面積。開孔形狀為圓形時(shí)，其孔徑為孔的直徑；開孔形狀為其他形狀時(shí)，其孔徑為與孔等面積的圓的直徑。機(jī)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(jī)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(jìn)風(fēng)機(jī)架，通過(guò)對(duì)前后門板的改造，增加進(jìn)出風(fēng)口通風(fēng)量

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在用機(jī)房大多使用的是老式的機(jī)架結(jié)構(gòu)，門板采用傳統(tǒng)的圓孔散熱方式，通風(fēng)面積較小（如圖4所示），經(jīng)過(guò)計(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到目前網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜的設(shè)計(jì)要求，前進(jìn)風(fēng)機(jī)架要求前后門均開孔，前門開孔率應(yīng)≥60%，孔徑應(yīng)在4.5mm～8.0mm之間，開孔區(qū)域面積比應(yīng)≥80%，后門開孔率應(yīng)≥50%，孔徑應(yīng)在4.5mm～8.0mm之間，開孔區(qū)域面積比≥70%。

圖4 改造前機(jī)架門板開孔示意圖

通過(guò)一種實(shí)用新型的專利產(chǎn)品的應(yīng)用（專利號(hào)：2010 2 0102033.4/2010 2 0033338.4），前后門均采用采用六角網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，孔邊距小于1mm（如圖5所示），通過(guò)計(jì)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(fēng)量接近原來(lái)門板的10倍，對(duì)比明顯（如圖6所示）

圖5 改造后機(jī)架門板開孔示意圖

圖6 改造前后機(jī)架門板對(duì)照

4.3 機(jī)架氣流組織改造

當(dāng)機(jī)架內(nèi)外環(huán)境相同時(shí)，機(jī)房?jī)?nèi)的空調(diào)負(fù)荷是相對(duì)穩(wěn)定的，并不會(huì)隨著局部過(guò)熱問(wèn)題存在而改變。氣流組織的合理性才是問(wèn)題的根源。增加機(jī)架進(jìn)出風(fēng)量的同時(shí)，增加機(jī)架的空面板和立柱側(cè)封板等（如圖7所示），有效改善機(jī)架氣流組織，降低冷風(fēng)的不必要流失，使其充分的經(jīng)過(guò)發(fā)熱設(shè)備，也可以有效的減少冷熱風(fēng)的短路，對(duì)于局部發(fā)熱的現(xiàn)象也有很好的改善效果。

圖7 機(jī)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(jī)架前后通風(fēng)量明顯增大，冷熱氣流交換比較流暢，冷風(fēng)進(jìn)入設(shè)備也比較集中，增加了設(shè)備的吸風(fēng)量。

圖8 改造前后氣流組織分析

4.4.2 測(cè)試結(jié)果分析

按照2.2實(shí)驗(yàn)測(cè)試改造后的機(jī)架溫度，結(jié)果如表二所示。

表2 改造后機(jī)架進(jìn)出風(fēng)口測(cè)試溫度（℃）

編號(hào)進(jìn)風(fēng)點(diǎn)平均值出風(fēng)點(diǎn)平均值出風(fēng)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(jī)架進(jìn)風(fēng)點(diǎn)溫度為19.2～24.1℃，出風(fēng)點(diǎn)溫度為27.1～29.2℃，離出風(fēng)點(diǎn)300mm處溫度為21.5～24.8℃（見圖9）。通過(guò)比較平均值，出風(fēng)點(diǎn)溫度和出風(fēng)區(qū)域溫度分別下降了5℃和2℃左右。測(cè)試結(jié)果表明：通過(guò)改造，機(jī)架的局部溫度降低明顯，設(shè)備溫度下降明顯，出風(fēng)口的環(huán)境溫度也略有下降。

圖9 改造后機(jī)架進(jìn)出風(fēng)口溫度分析

5 改造效益分析

將給客戶帶來(lái)以下效益：

（1）解決數(shù)據(jù)機(jī)房局部過(guò)熱問(wèn)題，設(shè)備正常運(yùn)行，為客戶業(yè)務(wù)的正常開展提供保障；

（2）機(jī)房上架率提高，機(jī)房擴(kuò)容能力增加，減小數(shù)據(jù)機(jī)房建設(shè)總成本；

（3）改造成本較低；

（4）改造過(guò)程不影響設(shè)備正常使用，不中斷用戶業(yè)務(wù)；

（5）機(jī)房空調(diào)機(jī)組運(yùn)行能耗降低，電費(fèi)節(jié)省，機(jī)房運(yùn)行成本降低，為客戶節(jié)省大筆費(fèi)用支出。

通過(guò)這種改造方案，對(duì)上海電信互聯(lián)網(wǎng)部的近20多個(gè)機(jī)房實(shí)施項(xiàng)目改造后，機(jī)架散熱節(jié)能效果達(dá)到預(yù)期，受到用戶一致認(rèn)可。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著中國(guó)數(shù)據(jù)機(jī)房的逐漸增多，現(xiàn)有數(shù)據(jù)機(jī)房的局部過(guò)熱問(wèn)題已經(jīng)是一個(gè)全國(guó)共性問(wèn)題。然而，在用機(jī)房由于設(shè)備已經(jīng)投入運(yùn)行，對(duì)于機(jī)架和空調(diào)系統(tǒng)的改造空間已經(jīng)很小了。通過(guò)高精度、小成本的氣流組織的改造，能夠?qū)⒗淠鼙M最大可能分配到需要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，在大大降低空調(diào)能耗的同時(shí)，也保證了數(shù)據(jù)設(shè)備的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行。因此，我們認(rèn)為上述“氣流組織的改造方案”是解決現(xiàn)有數(shù)據(jù)機(jī)房過(guò)熱問(wèn)題的優(yōu)秀方案，具有一定的推廣價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：王劍榮，男，上海嘉定人，中級(jí)工程師，本科，主要研究方向：計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)應(yīng)用。

作者單位：上海信電通通信建設(shè)服務(wù)有限公司，上海 201802