［溫亮］

1 引言

伴隨著用戶端（To C）網(wǎng)絡應用逐步向商業(yè)端（To B）網(wǎng)絡應用拓展，網(wǎng)絡使用的需求將呈現(xiàn)大規(guī)模增長，主要體現(xiàn)于以下幾點：（1）網(wǎng)絡使用的高安全性和低時延性需求將大幅度提升，以滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等精密儀器控制需求；（2）網(wǎng)絡使用的高帶寬和處理效率需求將大幅度提升，以滿足海量數(shù)據(jù)和海量連接帶來的數(shù)據(jù)大幅度增加；（3）網(wǎng)絡使用的集中化和分散化處理需求將大幅度提升，以減少核心網(wǎng)集中處理的數(shù)據(jù)壓力。相關需求對現(xiàn)有網(wǎng)絡架構(gòu)帶來新的挑戰(zhàn)，通信機房的部署密度需求大幅度增加以提高網(wǎng)絡的覆蓋性和精準性需求。結(jié)合現(xiàn)有運營商采取的新建結(jié)合改造的機房模式，機房建設和改造成本將大幅度增加，且機房承載的設備功率將大幅度提高，與此相應的制冷散熱需求同步提高。

傳統(tǒng)通信機房主要采取風冷散熱技術(shù)，其施工便利且便于服務散熱量較小的空間。在通信機房同步承載無線和有線設備的情況下，風冷散熱技術(shù)的應對方式是增加空調(diào)數(shù)量以提高制冷量。因通信機房的面積主要為20～50 m2，空調(diào)數(shù)量增加會占用更多的平面布置空間，減少有效裝機面積，對于租金逐步上升的城市空間而言，既減少機房利用率，又增加機房實際成本。采用風冷散熱技術(shù)在散熱量較大的空間中已難以發(fā)揮傳統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢，新建數(shù)據(jù)中心開始采用液冷技術(shù)以提高散熱效率。但數(shù)據(jù)中心可采用冷卻塔等液冷模式，施工建設成本較高，難以直接應用于通信機房。因此，在通信機房承載設備功耗密度逐步向數(shù)據(jù)中心接近的趨勢下，探討適合于通信機房的標準化和規(guī)模化液冷散熱技術(shù)，具有廣泛的適用性和創(chuàng)新的前瞻性。

2 目前機房的主流散熱技術(shù)

目前機房的主流散熱技術(shù)是風冷散熱，即通過設備將熱量帶至空氣中，在機房配套環(huán)境中進行空氣換熱，通過風冷型空調(diào)在機房配套環(huán)境中實現(xiàn)熱交換，將室內(nèi)熱量排至室外。在實踐過程中，雖然已重視進風口和出風口的設計，通過風道效應，提高機房散熱效率。但風冷散熱具有熱交換效率不高的特點，主要體現(xiàn)在以下幾點：

（1）風道附近熱交換效率較高、設備附近熱交換效率較低。實際機房建設過程中風道難以完全循機架方向布置，風道附近配套散熱效果好，容易導致部分設備密集處散熱效果較差。

（2）風道難以完全順著機架間空間，難以實現(xiàn)配套環(huán)境有效降溫。風冷型空調(diào)是以機房總體制冷量為基礎進行設計和配置，但未考慮到制冷的均衡性和針對性。

（3）機房內(nèi)部各種類型設備散熱具有風向、熱量等差異，風冷空調(diào)難以實現(xiàn)熱集中地區(qū)的散熱需求，易導致設備過熱停止運行。

3 液冷技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應用

液冷技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應用主要包括配套端和設備端兩部分。其中，配套端包括冷卻系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)指通過冷卻液流速和溫度的動態(tài)控制，將配套傳導的熱量傳遞到冷卻液并帶出數(shù)據(jù)中心，將升溫后的冷卻液與室外空氣進行熱交換，根據(jù)實際情況通過蒸發(fā)或自然冷卻的方式將冷卻液降溫，再帶至數(shù)據(jù)中心內(nèi)部開始循環(huán)降溫。但實際情況中，因冷卻液系統(tǒng)的路由長度較長，且部分數(shù)據(jù)中心所處地域的氣候可能溫度較高，升溫后的冷卻液降溫過程需結(jié)合人工冷卻等模式，對數(shù)據(jù)中心的能耗指標（PUE值）影響則較大。全套液冷系統(tǒng)配置監(jiān)控系統(tǒng)，對全流程進行集中管理。設備端包括冷卻系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)多為浸入式液冷系統(tǒng)，通過冷卻液與設備的充分接觸，利用液體比熱容進行散熱。散熱系統(tǒng)則指設備冷卻系統(tǒng)與配套冷卻系統(tǒng)間的熱交換系統(tǒng)。設備端冷卻系統(tǒng)包括全浸入式、局部浸入式和設備外圍冷卻系統(tǒng)，分別對應差異化的設備安裝模式。

4 液冷技術(shù)在通信機房的效率評估

4.1 能耗評估

對通信機房的能耗評估主要參照PUE值，其計算公式如下：

PUE=（P1+P2+P3+P4）/P1

其中，P1為設備總功耗，P2為配套總功耗（配套總功耗包括外電引入、照明系統(tǒng)等功耗），P3為制冷總功耗，P4為建筑結(jié)構(gòu)熱負荷功耗。

根據(jù)當前通信機房的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，設備總功耗將根據(jù)機房所承載的設備類型和數(shù)量進行變化，配套總功耗在外單容量和配套配置保持不變的情況下較為穩(wěn)定，制冷總功耗則根據(jù)散熱模式和散熱效率具有一定的可變性。因此，在設備總功耗保持不變的情況下，配套總功耗較為穩(wěn)定，降低能耗的主要模式是降低制冷總功耗。

（1）風冷情景

在采取風冷散熱模式的情況下，風冷型空調(diào)按制冷量進行計算。

Q=K*（P1*T+P4）

其中，Q為機房總冷負荷需求量，K為分區(qū)域制冷系數(shù)（各地區(qū)為固定值，如廣東地區(qū)取值為1.1），T為開關電源熱效率補償系數(shù)（一般取1.06）。

P4=A*Z

其中，A為機房面積，Z為單位面積熱負荷（一般取150 W/m2）。

根據(jù)目前通信機房的設備配置情況，按平均面積30平方米、平均配置BBU6-12組及相應OLT等傳輸設備進行計算。經(jīng)測算，P1=12-20 kW，P4=0.45 kW，Q=18.95-23.82 kW。

按照每臺3P空調(diào)標準制冷量7.2 kW計算，至少需3-4臺空調(diào)以保障現(xiàn)場使用需求。根據(jù)通信機房建設指導規(guī)范，實際風冷型空調(diào)需按N+1進行配置，即需考慮冗余情況，單個通信機房需配置4～5臺空調(diào)以供制冷。

（2）液冷場景

因水冷場景需根據(jù)實際所處地域氣象區(qū)采用差異化處理模式。當機房處于貴州等寒冷地區(qū)，自然蒸發(fā)換熱已能滿足主要液冷散熱需求，不需新增戶外液冷換熱設備 。液冷通道使用液冷型熱管將高熱流密度設備發(fā)熱量導出至設備外并進入水冷板，通過環(huán)路水循環(huán)將此部分熱量排至大氣環(huán)境，即不需另外配置壓縮機并精準消除熱量。當機房處于廣東等地，自然蒸發(fā)換熱無法完全滿足主要液冷散熱需求，則需提高熱管導熱性能，并結(jié)合雙面微流道水冷板，形成低熱阻液冷熱管散熱器，確保循環(huán)無污染。因此在理想狀態(tài)下，對部分地域而言，液冷散熱不需產(chǎn)生制冷能耗，這也是液冷散熱的研究和努力方向，是能耗比例降低的核心模式。

4.2 空間利用率評估

（1）風冷場景

風冷場景下，單個通信機房需配置4～5臺空調(diào)。按每臺空調(diào)約800*600（單位：mm）的占地面積計算，4～5臺空調(diào)的凈占地面積達到2～2.5 m2。同時空調(diào)周邊需預留操作空間，且空調(diào)風道要求空調(diào)不能密集布置，需配置經(jīng)占地面積的1倍作為配套空間，即單個通信機房30平方米則需配置4～5m2作為制冷空間。按照國內(nèi)一線城市平均2 000元/m2*月的租金標準，單個通信機房用于空調(diào)配置的年租金則達到0.8～1萬元，對通信機房帶來沉重的租金成本負擔。

（2）液冷場景

液冷包括板冷和浸入式液冷兩種類型。板冷方式的重點為對通信機房配套降溫，即將設備的熱量引導至配套環(huán)境后在配套中進行散熱。液冷管線和板件可通過墻面走線、天花走線和地下走線等模式安裝，極大地降低空調(diào)制冷的空間需求。浸入式液冷的性質(zhì)是通過設備端直接散熱，不將設備熱量引入配套環(huán)境，不需對配套環(huán)境進行降溫。同時液冷可采取蒸發(fā)冷卻模式，無散熱器等配件，容易回收，無噪聲，但冷卻介質(zhì)重量重、成本高、因需與空氣隔離需考慮密封和設計架構(gòu)。在理想情況下，液冷不需占據(jù)地面空間。

4.3 成本評估

（1）風冷場景

風冷場景的主要成本在于空調(diào)施工安裝費用和平時圍護成本。按照單個空調(diào)3 000元的標準計算，投資投入則需1.2～1.5萬元。每臺空調(diào)平均每月用電1 584度電，按0.70元/度計算，平均每個機房每年需電費5.3～6.7萬元，即風冷場景需一次性投資投入1.2～1.5萬元，每年散熱電費需5.3～6.7萬元。

（2）液冷場景

液冷場景的主要成本在于液冷設施的安裝費用和潛在產(chǎn)生的其他費用。因采取液冷模式的差異，液冷設備的成本存在較大的差異。經(jīng)測算，液冷設施主要為管材安裝費用低于空調(diào)采購安裝費用，且在氣候適宜地區(qū)不需散熱電費。但雖然液冷不需單獨配置冷機制冷，不需末端空調(diào)和設備風扇，根據(jù)液冷模式差異需增加部分承重需求。對非底層通信機房而言，需適度考慮結(jié)構(gòu)加固的費用。

5 液冷技術(shù)在通信機房的標準化規(guī)?；\用前景

通信機房液冷技術(shù)應用具有能耗、空間利用率和成本三方面優(yōu)勢。在目前通信機房需求量大規(guī)模增加的背景下，可以預見未來通信機房的精細化管理效率需求也將同步提高。因此規(guī)?；瘜夹g(shù)的標準化應用具有重要的支撐作用，在設計整套液冷技術(shù)裝置后，可在大規(guī)模通信機房進行標準化實施，大幅度提高制冷配置效率，提高機房建設效率。通信機房的本質(zhì)是將電力轉(zhuǎn)化為算力，服務于具體業(yè)務需求。在當前社會發(fā)展需求的影響下，通信機房的數(shù)量將呈現(xiàn)大規(guī)模增加的趨勢。為應對通信機房的租金和電費等成本的增加趨勢，通信機房需提升機房內(nèi)部使用效率，降低相應建設和運維成本。在相應成本中，制冷成本的降低空間較大，可通過轉(zhuǎn)變制冷方式的模式實現(xiàn)能耗和成本大幅度降低和空間利用率大幅度提高，推動通信機房精細化管理發(fā)展趨勢。通過分析目前機房的主流散熱技術(shù)和液冷技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應用情況，從能耗、空間利用率和成本三個角度評估液冷技術(shù)在通信機房的效率作用，研判標準化規(guī)?；l(fā)展趨勢，有助于降低通信機房的建維成本，從點至面提升電力轉(zhuǎn)化為算力的效率。