劉建新，喬月強(qiáng)，姚利民（.中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司，河南鄭州450007；.中國聯(lián)通江西分公司，江西南昌330000）

0 前言

近年來，隨著5G時(shí)代的到來，“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略的推進(jìn)，IDC與云計(jì)算、ICT、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等行業(yè)蓬勃發(fā)展，使帶寬需求增長迅猛。為了滿足業(yè)務(wù)傳輸需求，傳輸設(shè)備需要更高的集成度和更好的性能，傳輸設(shè)備的接入/交換容量日益增大、傳輸速率日益提升。但傳輸設(shè)備的供電和散熱壓力也隨之日益加大，這和當(dāng)前低功耗密度的傳輸機(jī)房現(xiàn)狀以及相對(duì)滯后的相關(guān)規(guī)范要求形成矛盾。單框功耗超過5 kW的設(shè)備，問題尤為突出。這給運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與維護(hù)帶來了巨大挑戰(zhàn)。

為了有效緩解傳輸設(shè)備帶來的高熱量，各主流廠家也在不斷調(diào)整設(shè)備的進(jìn)出風(fēng)方式，從而導(dǎo)致了同一機(jī)房內(nèi)設(shè)備風(fēng)道種類繁多、機(jī)房氣流組織紊亂、存在局部熱點(diǎn)等問題。因此，推動(dòng)傳輸設(shè)備架構(gòu)改進(jìn)，緩解高速率大功耗傳輸設(shè)備機(jī)房散熱問題顯得尤為重要。本文將通過理論分析并結(jié)合工程建設(shè)過程中實(shí)際問題進(jìn)行研究，對(duì)高速率大功耗傳輸設(shè)備架構(gòu)改進(jìn)提出思路和建議。

1 傳輸設(shè)備及機(jī)房氣流組織方式

1.1 傳輸技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳送網(wǎng)容量和帶寬的需求越來越大，傳送網(wǎng)作為通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)面臨著巨大的帶寬壓力，超高速、大容量光傳輸成為未來通信網(wǎng)絡(luò)的重要發(fā)展方向。全球各主要運(yùn)營商和設(shè)備廠商都在提升骨干網(wǎng)的傳輸能力。100 Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)以其廣泛的光纖適應(yīng)性、低傳輸時(shí)延、較長的傳輸距離、大容量成為當(dāng)前國內(nèi)運(yùn)營商主流的業(yè)務(wù)承載平臺(tái)。業(yè)界也已積極研究超100 Gbit/s超高速WDM傳輸系統(tǒng)，以不斷提高傳輸?shù)娜萘亢皖l譜效率，降低傳輸成本，超100 Gbit/s超高速WDM傳輸系統(tǒng)是下一代光傳輸系統(tǒng)的可靠選擇。

1.2 傳輸設(shè)備結(jié)構(gòu)及風(fēng)道形式

目前主流廠家的傳輸設(shè)備尺寸包括（高×寬×深，單位：mm）：2 200×600×300、2 200×600×600 2種類型，機(jī)架高度還有2 600和2 000 mm可選。機(jī)柜為矩形六面型，所有面都可以進(jìn)出風(fēng)。目前廠家傳輸設(shè)備的進(jìn)出風(fēng)方式有：底部（B）、頂部（T）、前（F）、后（R）出風(fēng)，具體見圖1。設(shè)備進(jìn)出風(fēng)方式與機(jī)房送風(fēng)方式的匹配影響設(shè)備散熱效果。

圖1 常見的傳輸設(shè)備進(jìn)出風(fēng)方式

1.3 傳輸機(jī)房氣流組織方式

目前傳輸機(jī)房氣流組織方式主要有4種：風(fēng)帽上送風(fēng)、風(fēng)管上送風(fēng)、地板下送風(fēng)和微模塊（云艙），國內(nèi)運(yùn)營商有一半以上的傳輸機(jī)房空調(diào)送風(fēng)采用風(fēng)帽上送風(fēng)方式。下面對(duì)機(jī)房氣流組織方式的介紹都是基于傳輸設(shè)備前進(jìn)-后出（F-R）的進(jìn)出風(fēng)方式。

a）風(fēng)帽上送風(fēng)。風(fēng)帽上送風(fēng)是空調(diào)直送風(fēng)方式，該方式的機(jī)房氣流組織混亂，冷熱氣流混合，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度分布不均，機(jī)房局部過熱現(xiàn)象較多。圖2是風(fēng)帽上送風(fēng)機(jī)房示意圖。

b）風(fēng)管上送風(fēng)。風(fēng)管上送風(fēng)方式的冷送風(fēng)定點(diǎn)輸送，冷送風(fēng)輸送距離長，冷熱風(fēng)混合較少，減輕冷送風(fēng)與熱回風(fēng)氣流“短路”，但送風(fēng)管道導(dǎo)致送風(fēng)量和送風(fēng)效率受到一定影響。此種送風(fēng)方式對(duì)機(jī)房高度和布局有一定要求，建設(shè)成本有所增加。圖3是風(fēng)管上送風(fēng)機(jī)房示意圖。

圖2 風(fēng)帽上送風(fēng)機(jī)房示意圖

c）地板送風(fēng)。地板送風(fēng)方式的氣流“下送上回”，先冷設(shè)備再冷環(huán)境，熱通道風(fēng)管回風(fēng)減輕遠(yuǎn)端機(jī)柜熱量淤積。機(jī)房建設(shè)成本較高，風(fēng)管結(jié)構(gòu)件及安裝相對(duì)復(fù)雜。地板底部一般會(huì)有走線，對(duì)出風(fēng)存在一定影響。圖4是地板送風(fēng)機(jī)房示意圖。

圖3 風(fēng)管上送風(fēng)機(jī)房示意圖

圖4 地板送風(fēng)機(jī)房示意圖

d）云艙（微模塊）。為提高機(jī)房熱管理效率，傳輸設(shè)備機(jī)房目前正逐步引入云艙方式（微模塊）。該方式的冷通道封閉，減少了氣流壓力損失和冷空氣的泄露損失，提高了冷量的利用效率。云艙要求設(shè)備的風(fēng)道為前進(jìn)后出方式，設(shè)備風(fēng)道需與云艙匹配。圖5是云艙熱管理示意圖。

圖5 云艙熱管理示意圖

2 傳輸機(jī)房散熱問題分析

2.1 傳輸設(shè)備散熱問題

不同氣流組織方式的制冷效率和效果差異很大，對(duì)單機(jī)柜最大功耗要求也不同。機(jī)房空調(diào)不同的送風(fēng)方式對(duì)應(yīng)單機(jī)柜散熱能力對(duì)比如圖6所示。

圖6 不同送風(fēng)方式單機(jī)柜散熱能力

大型數(shù)據(jù)中心一般都采用云艙模式，冷熱隔離且冷通道密閉，減少冷空氣壓力損失和冷空氣泄露，制冷散熱效果更好，單機(jī)柜功耗可達(dá)10 kW。目前國內(nèi)運(yùn)營商大部分傳輸機(jī)房空調(diào)送風(fēng)都采用風(fēng)帽上送風(fēng)方式，單機(jī)柜功耗最高不能超過3 kW，否則將會(huì)出現(xiàn)局部熱點(diǎn)問題。

隨著設(shè)備容量的增大，單機(jī)柜設(shè)備功耗也越來越大，這對(duì)設(shè)備散熱以及設(shè)備與機(jī)房匹配均提出了挑戰(zhàn)。圖7是不同速率傳輸設(shè)備單機(jī)柜最大功耗統(tǒng)計(jì)。

從圖7可以看出，設(shè)備功耗隨著容量的增大而增大，新增的高速率傳輸設(shè)備單機(jī)柜功耗（16 kW）已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有大部分機(jī)房單機(jī)柜冷卻功耗的要求，容易造成機(jī)房局部熱點(diǎn)，導(dǎo)致設(shè)備散熱出現(xiàn)瓶頸，甚至存在宕機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 傳輸設(shè)備與機(jī)房氣流組織問題

傳輸設(shè)備氣流組織種類較多，對(duì)現(xiàn)有機(jī)房條件也是巨大考驗(yàn)。特別是隨著高速率大功耗傳輸設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用，傳輸機(jī)房局部熱點(diǎn)問題頻繁出現(xiàn)，并且設(shè)備與機(jī)房氣流組織不匹配問題越來越突出，導(dǎo)致機(jī)房氣流組織混亂，嚴(yán)重影響機(jī)房制冷效率，增大機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)制冷負(fù)荷。

圖7 不同速率下的單機(jī)柜最大功耗

以某運(yùn)營商某傳輸樞紐局為例，傳輸與數(shù)據(jù)設(shè)備共機(jī)房，機(jī)房存在多種送風(fēng)模式，氣流組織混亂，雖然機(jī)房總制冷量已經(jīng)是設(shè)備發(fā)熱量的2.5倍左右，但是高速率大功耗設(shè)備安裝區(qū)域設(shè)備進(jìn)風(fēng)口溫度已達(dá)到36.4℃，設(shè)備板卡溫度達(dá)到44℃，已經(jīng)接近設(shè)備穩(wěn)定工作的極限值（-5～+45℃）。

3 傳輸機(jī)房設(shè)備散熱解決思路

3.1 傳輸機(jī)房設(shè)備安裝布局

普通傳輸機(jī)房在機(jī)房平均功耗密度低于該制冷架構(gòu)冷量時(shí)，可形成一個(gè)穩(wěn)態(tài)冷卻模式。但是當(dāng)存在單機(jī)柜功耗超高的情況時(shí)，整個(gè)機(jī)房無法形成一個(gè)穩(wěn)定的氣流流場(chǎng)，就會(huì)造成局部過熱，進(jìn)而存在宕機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。因此將傳輸機(jī)房劃分為普通功耗設(shè)備區(qū)域、高功耗設(shè)備區(qū)域、無源設(shè)備區(qū)域，對(duì)高密度區(qū)域采取針對(duì)性的氣流組織方式。

圖8示出的是穩(wěn)態(tài)機(jī)房與非穩(wěn)態(tài)機(jī)房熱點(diǎn)對(duì)比。

圖8 穩(wěn)態(tài)機(jī)房與非穩(wěn)態(tài)機(jī)房熱點(diǎn)對(duì)比

除了機(jī)房合理分區(qū)外，傳輸設(shè)備安裝要綜合考慮機(jī)房容量、散熱、氣流組織方式等多種因素，在保證安全、維護(hù)方便的前提下，合理排列傳輸設(shè)備，并符合以下要求。

a）機(jī)房傳輸設(shè)備機(jī)架列間距離宜根據(jù)設(shè)備散熱量、所需空調(diào)送風(fēng)量大小來確定。

b）機(jī)房傳輸設(shè)備應(yīng)采用進(jìn)風(fēng)面相對(duì)，排風(fēng)面相對(duì)（面對(duì)面、背對(duì)背）的單列布置方式。

3.2 傳輸機(jī)房氣流組織選擇

傳輸機(jī)房氣流組織建設(shè)原則是：應(yīng)根據(jù)機(jī)房內(nèi)機(jī)柜散熱量的大小和特點(diǎn)，合理選用氣流組織形式，以提高空調(diào)系統(tǒng)效率。

機(jī)房內(nèi)氣流組織形式有明確需求時(shí)，應(yīng)根據(jù)需要配置。當(dāng)沒有明確要求時(shí)，可按下述原則配置。

a）單機(jī)柜功耗＜2.5 kW時(shí)，采用架空地板下送風(fēng)、上回風(fēng)方式，用于送風(fēng)的架空地板的高度應(yīng)根據(jù)送風(fēng)量計(jì)算確定，但其凈高不宜低于350 mm。架空地板內(nèi)不應(yīng)布放通信及電力線纜。活動(dòng)地板及地面應(yīng)有防結(jié)露措施。

b）2.5 kW≤單機(jī)柜功耗＜3 kW時(shí)，采用架空地板下送風(fēng)、上回風(fēng)方式，采用冷通道兩端加門、機(jī)架列間加盲板的簡易封閉方式。

c）3 kW≤單機(jī)柜功耗＜6 kW時(shí)，采用架空地板下送風(fēng)、上回風(fēng)方式，應(yīng)封閉冷通道或熱通道?；顒?dòng)地板高度應(yīng)根據(jù)機(jī)房負(fù)荷、平面布局、送風(fēng)距離等計(jì)算確定，最低高度≥500 mm，架空地板內(nèi)不應(yīng)布放通信及電力線纜?；顒?dòng)地板及地面應(yīng)有防結(jié)露措施。冷（通）道漏風(fēng)率小于2.11 m3/m2。

d）單機(jī)柜功耗≥6 kW時(shí)，空調(diào)氣流組織宜采用列間送風(fēng)、背板冷媒、微模塊等與機(jī)柜功耗相匹配的氣流組織方式。

e）發(fā)熱量小，設(shè)備安裝速度慢的傳輸機(jī)房采用上側(cè)送風(fēng)、下側(cè)回風(fēng)。

當(dāng)機(jī)房局部安裝高發(fā)熱量傳輸設(shè)備時(shí)，應(yīng)采用定點(diǎn)送風(fēng)、頂置送風(fēng)設(shè)備、微模塊等方式防止局部過熱的技術(shù)措施。

采用上送風(fēng)時(shí)，機(jī)房送風(fēng)距離10 m以內(nèi)的，應(yīng)采用靜壓箱總風(fēng)管直接開風(fēng)口送風(fēng)或送風(fēng)帽送風(fēng)方式；機(jī)房送風(fēng)距離15 m以內(nèi)的，應(yīng)采用送風(fēng)管送風(fēng)方式，風(fēng)管、送風(fēng)口的尺寸規(guī)格應(yīng)根據(jù)通信設(shè)備散熱量計(jì)算確定。

空調(diào)送風(fēng)距離大于15 m時(shí)，宜采用兩側(cè)布置空調(diào)室內(nèi)機(jī)的送風(fēng)方式。

冷熱通道頂部應(yīng)配合消防氣體滅火系統(tǒng)，設(shè)置可開啟窗，平時(shí)關(guān)閉，火災(zāi)時(shí)由消防控制系統(tǒng)自動(dòng)開啟。封閉冷（熱）通道的材質(zhì)應(yīng)考慮耐火性能符合防火要求等級(jí)，保證機(jī)房的安全。

采用冷、熱通道封閉的機(jī)房，項(xiàng)目建設(shè)中應(yīng)考慮配套盲板，以保證冷熱通道的散熱效果。

3.3 傳輸設(shè)備的氣流組織改進(jìn)

隨著高功耗傳輸設(shè)備散熱問題日益突出以及傳輸設(shè)備與數(shù)據(jù)設(shè)備機(jī)房逐漸融合的發(fā)展，規(guī)范傳輸設(shè)備風(fēng)道形式勢(shì)在必行。目前服務(wù)器、路由器、交換機(jī)等數(shù)據(jù)設(shè)備大多采用前進(jìn)風(fēng)-后/上出風(fēng)形式，該風(fēng)道形式可以避免單盤溫度級(jí)聯(lián)，優(yōu)化設(shè)備散熱，機(jī)房氣流組織方案成熟且效率高。

針對(duì)不同機(jī)房氣流組織方式，NEBS（Network Equipment-Building System）標(biāo)準(zhǔn)GR-63-CORE中給出了推薦的設(shè)備風(fēng)道形式（見表1）。

表1 NEBS標(biāo)準(zhǔn)推薦風(fēng)道

針對(duì)任意機(jī)柜（典型的300 mm深機(jī)柜），ETSI-300-119-2標(biāo)準(zhǔn)中也給出了推薦和不推薦的設(shè)備風(fēng)道形式（見表2）。

表2 ETSI標(biāo)準(zhǔn)推薦風(fēng)道

通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，NEBS標(biāo)準(zhǔn)和ETSI標(biāo)準(zhǔn)中FR/T都為優(yōu)選的光通信設(shè)備風(fēng)道。同時(shí)考慮到機(jī)房熱管理挑戰(zhàn)和ICT機(jī)房融合趨勢(shì)，F(xiàn)-R/T風(fēng)道有利于冷熱通道隔離和不同設(shè)備兼容配置，與制冷效率更高的微模塊/冷池方案匹配度更好，因此傳輸設(shè)備風(fēng)道朝F-R/T改進(jìn)更為有利。

現(xiàn)有傳輸設(shè)備風(fēng)道已不能滿足當(dāng)前大功耗設(shè)備散熱的要求，需向F-R/T風(fēng)道改進(jìn)以提升設(shè)備散熱性能?，F(xiàn)有主流的2種風(fēng)道形式：“前后中部進(jìn)風(fēng)、頂部及前后底部出風(fēng)”和“前后底部進(jìn)風(fēng)、頂部出風(fēng)”，都可通過增加導(dǎo)風(fēng)板變更為“前進(jìn)后出”風(fēng)道形式。通過增加導(dǎo)風(fēng)板改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)備風(fēng)道以匹配機(jī)房氣流組織，能大大提升設(shè)備散熱能力，但是增加導(dǎo)風(fēng)板后導(dǎo)致單個(gè)設(shè)備配置子架數(shù)量減少，設(shè)備集成度降低，配置相同數(shù)量設(shè)備子架會(huì)占用更多機(jī)房空間。所以改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)備風(fēng)道要綜合考慮機(jī)房面積、機(jī)房氣流組織方式和設(shè)備散熱要求等各方面因素。