1 传统机房DC化重构的必要性和意义
　　
　　传统机房是以承载专业化网元设备为重点,其存在功率密度较低、制冷条件差、电力容量少、空间承重不足等缺点,但DC机房将承载高功耗、大散热量的通用化网络设备,其对传统机房的现有条件提出巨大挑战,尤其是制冷条件,急需对传统机房进行DC化重构升级改造,以满足未来网络云化和5G发展对通信机房的需求。
　　
　　随着数据中心业务的迅猛发展,由《国家绿色数据中心试点工作方案》可知,全球数据中心已超300万个,我国数据中心已超40万个,年耗电量占我国全社会用电量超过1.5%,已成为能耗总量和密度的高度集中区。但是,大部分数据中心的PUE(电能使用效率)超过2.2,相比国际先进水平仍有很大差距,尤其是依托于传统机房的数据中心,受限于传统机房的设备尺寸、建设周期长、功耗非均态等原因,难以充分开展各种高效的节能措施,机房能效低。
　　
　　目前中国联通全网1000多个传统机房的平均PUE值约为2.0,制冷条件较差,能效较低,热岛效应现象普遍,急需对制冷方式进行优化改造。
　　
　　本文在确保传统机房安全运行,以及鉴于改造条件有限的情况下,对中国联通广东省级枢纽机房进行气流组织优化研究,实践并分析采用上送风模式的封闭冷通道气流组织优化改造效果,验证了该改造方案可行性和有效性,对于采用上送风的传统机房的气流组织优化具有实际的指导意义。
　　
　　2 常用气流组织方式
　　
　　目前通信机房或数据中心的常用气流组织方式共有5种：普通上送风方式、精确上送风方式、普通下送风方式、封闭冷通道方式、微模块方式。
　　
　　(1)普通上送风气流组织方式
　　
　　普通上送风方式广泛应用在传统机房机柜和空调的部署,通常采用上送风下回风空调,机柜开放式部署和面对面、背靠背布局,甚至有部分老旧机柜采用面对背布局。该方式先冷空间,再冷设备,没有对冷热气流进行物理隔离,造成严重的气流短路现象,冷风利用率非常低,而且热岛效应普遍存在,已不适用于数据中心机房。
　　
　　(2)精确上送风气流组织方式
　　
　　精确上送风方式只是在普通上送风方式的基础上,通过加装风管直接将空调的冷风送到机房相应位置或高功耗机柜内部。相比普通上送风方式,该方式虽然有效提高冷风利用率，改善热岛效应现象，但是并没有从根本上解决气流组织混乱的问题。
　　
　　(3)普通下送风气流组织方式
　　
　　普通下送风方式采用下送风上回风空调,机柜开放式部署和面对面、背靠背布局。该方式的冷风在空调出风口直接送入静电地板下,经过机柜底部进风口(可调节)冷却ICT设备后从机柜背面吹出。虽然冷热气流实现了分离,但气流传送距离较长,导致垂直温度场不均匀,而且在机房内单机柜平均运行功率高于2kW时,该方式一般要求机房的防静电地板高度在450mm以上。
　　
　　(4)封闭冷通道气流组织方式
　　
　　封闭冷通道方式通常采用下送风上回风空调,机柜面对面、背靠背布局,并且封闭两列机柜正面之间的通道,即为封闭冷通道,其内部两列机柜之间的距离通常为1.2m。冷风首先通过微孔防静电地板进入冷通道,然后进入机柜冷却ICT设备,最后机柜背面送出热风进入热通道。同时,微孔防静电地板可调节出风率,从而可以根据封闭冷通道内的制冷需求灵活调节封闭冷通道的送风风量。
　　
　　(5)微模块气流组织方式
　　
　　微模块采用模块化的思想,通过简单的拼装、连接集成机柜、空调、电源、监控等功能模块,实现快速交付。该方式通过将空调直接部署在微模块封闭冷通道内部的机柜之间,使得送风、回风距离短,而且精确均匀,极大提高制冷效率。
　　
　　3 传统机房现状分析
　　
　　(1)实践机房环境概况
　　
　　本次传统机房气流组织优化研究选取中国联通广东省级枢纽机房的三楼国际机房作为实践机房,其机房面积为570平方米,净高为3.8米,负载为890kW,单机柜运行功率为3.5kW。本机房于2007年投产,当时主流的气流组织技术是上送风,PPUE(PartialPUE)仅为1.60。
　　
　　(2)气流组织现状分析
　　
　　实践机房原采用普通上送风的气流组织方式,其气流组织图如图1所示。
　　
　　由图1的气流组织图可看出,在原有的普通上送风气流组织方式中,因为空调采用上送风下回风,以及机柜开放式部署、面对背依次布局,所以冷热气流没有物理隔离,先冷空间,再冷设备,冷风利用率较低,导致机房能效较低。而且,在原有的普通上送风气流组织方式中,空调送风口送出的冷风大部分在压力差的作用下,首先经过机房上部阻力较小的区域;然后受前方机房墙面阻挡后,流入两列机柜之间的区域,并形成很大的涡流;最后在机柜内ICT设备内风机的驱动下,虽然有一部分冷风流入机柜内部冷却ICT设备,但是还有一部分冷风与机柜外部空间中的热风混合在一起,没有经过ICT设备即回流到空调回风口,导致气流短路现象非常严重,机柜进风温度非常不均匀,易形成热岛效应,引发局部高温故障。因此,实践机房原有的普通上送风气流组织方式存在严重的气流短路现象,冷风利用率低,导致机房制冷效果差,能效低,易形成热岛效应,引发局部高温故障,不满足现网及未来设备对机房制冷条件的需求,急需对其气流组织进行优化改造。
　　
　　(3)气流组织优化方案
　　
　　为了对实践机房的气流组织进行优化,改善制冷条件,提高机房能效,考虑到该省级枢纽机房的业务等级非常高,不允许中断,再加上传统机房普遍存在空间受限、机柜上方走线架密集无法抬高地板等问题,本次改造在保证机房安全以及现网业务的稳定运行前提下,并充分评估改造成本和改造条件后,确定方案如下:
　　
　　①继续沿用空调上送风的送风方式,通过加装精确送风风管和安装封闭冷通道,使得空调出风口的冷风经过风管直接送入两列机柜中间的封闭冷通道内。同时,相邻两列机柜“面对面、背靠背”摆放,冷风冷却了ICT设备后流出机柜,进入热通道,将机房内的冷热通道完全隔开,优化气流组织,形成上送风模式的封闭冷通道气流组织方式,其气流组织图和改造设计图如图2和图3所示。
　　

　　②安装封闭冷通道后,当冷通道内机柜未装满设备时,对机柜内空闲U位安装挡风盲板,避免冷风流失和冷热混流,提高冷风利用率。
　　
　　4 气流组织优化效果
　　
　　实践机房采用上送风模式的封闭冷通道气流组织优化改造后的冷通道现场如图4、图5、图6、图7所示。
　　

　　改造后,冷风送入封闭冷通道后,受到地面和冷通道隔板的阻挡,只能流入机柜,冷却ICT设备,有效地破坏了气流短路现象,优化了机房内的气流组织形式,具体效果如下:
　　
　　(1)机柜进风温度分布分析
　　
　　上送风模式的封闭冷通道气流组织优化改造前后机柜进风温度分布如图8所示。
　　
　　由图8可看出,改造前,机柜进风的温度分布非常不均匀,存在相当数量的热点和部分冷点;改造后,机柜进风的温度分布均匀集中,方差较小。
　　
　　上送风模式的封闭冷通道气流组织优化改造前后机柜进风温度变化详细对比如表1所示。
　　
　　由表1可看出,改造前,机柜进风温度最高达到29℃,最大温差达到13℃,机房存在热岛效应,制冷效果较差;改造后,机柜进风平均温度降低3℃,最高温度降低8℃,最大温差仅为2℃,热岛效应得到有效解决,并进一步降低机柜进风温度,制冷效果改善明显。
　　
　　进一步分析可知,在传统机房未采用封闭冷通道优化气流组织的情况下,由于普遍存在热岛效应,为了避免产生局部高温引发故障,通常迫不得已把空调的温度降低,不仅增加制冷能耗,而且会导致部分区域存在过低的温度,冷风未得到充分利用,降低机房能效;当传统机房通过采用封闭冷通道改造后,机房的气流组织得到优化,减少冷热气流混合,冷风利用率得到有效提高,从而提高了机房的制冷条件,使得机房可以部署更高功率密度的机柜,而且更便于通过精密空调精确控制和调整机房的温度,提高机房能效。
　　
　　(2)机房电能使用效率分析
　　
　　PUE是国际通行的数据中心电能使用效率衡量指标,而PPUE,称为局部电能使用效率,是PUE概念的延伸,常用于评估和分析数据中心局部区域或设备的能效。在忽略电能使用途径中变配电损耗的前提下,按照机房区域计算上送风模式的封闭冷通道气流组织优化改造前后PPUE变化对比如表2所示。
　　
　　由表2可看出,在实践机房同等ICT设备用电负荷的条件下,空调用电负荷由改造前的530kW降为改造后的323kW,降低了39%,节能效果显著。
　　
　　因此,实践机房的电能使用效率得到有效提高,由改造前的1.60降低为改造后的1.39。
　　
　　同时,由于空调用电负荷的降低,一方面,缓解了该省级枢纽机房前级变配电系统负荷率高的压力和减少前级变配电系统以及线缆因高负荷导致温升大等安全隐患;另一方面,释放出的电力容量可为该省级枢纽机房提供更多的ICT设备装机容量,促进公司业务发展,有效提高效益。
　　
　　(3)空闲U位加装盲板效果分析
　　
　　安装封闭冷通道后发现,当冷通道内机柜未装满ICT设备时,机柜上的ICT设备之间存在间隔,也即机柜内存在空闲U位,使得机柜背面的散热回流,冷热气流会造成一定的混合,冷风未得到充分利用,降低了封闭冷通道对优化气流组织的效果,因此通过加装盲板使冷热通道完全隔开,以进一步优化气流组织改造效果。
　　
　　加装盲板后,机柜进风平均温度由20℃下降到19.7℃,下降了0.3℃,最大温差由2℃下降到1.5℃,下降了0.5℃,效果明显,如表3所示。
　　
　　由此可知,加装盲板可以有效阻止封闭冷通道中机柜前后部的冷热气流混合的现象,进一步优化机房的气流组织,提高冷风利用率。
　　
　　综上所述,上送风模式的封闭冷通道气流组织优化改造后制冷效果改善明显,各个机柜的进风温度分布均匀,热岛效应得到有效解决,而且可以进一步降低机柜的正面温度,改善机房制冷条件,提高机柜的热可靠性。同时,有效提高冷风利用率,提高机房能效,而且可在同等负荷的条件下适当调高空调的回风温度,降低制冷能耗。
　　
　　5 结束语
　　
　　为了优化传统机房气流组织,提高机房能效,本文基于传统机房现网设备运行安全和改造条件有限的情况下,对上送风模式的封闭冷通道气流组织优化改造方案进行研究和时间，通过对比改造前后传统机房的制冷和能效变化，可以获得以下结论:
　　
　　①机房在同等负载的情况下,传统机房采用上送风模式封闭冷通道改造后,机柜的进风温度分布更均匀集中,方差更小,进风温度更低,不易形成热岛效应，而且便于通过精密空调对温度进行精确调节。
　　
　　②机房在同等负载的情况下,传统机房采用上送风模式封闭冷通道改造后,机房的PPUE更低,显著提高机房能效,并可适当调高空调温度,降低制冷能耗。同时,空调用电负荷的降低,不仅缓解了传统机房变配电系统高负荷率的压力,以及减轻潜在的安全隐患,而且释放出的电力容量可满足更多的装机需求,提高效益。
　　
　　③安装封闭冷通道后,如果冷通道内机柜未装满ICT设备时,机柜内空闲的U位会导致机柜背面的散热回流,冷热气流会造成一定的混合。通过加装盲板后,对机柜背面的散热回流遏制效果显著,促使冷热通道完全隔开,进一步提高冷风利用率。
　　
　　作者简介
　　
　　刘圣庆,中国联合网络通信有限公司广东省分公司,高级工程师,主要从事通信机房/数据中心建设及维护管理。
　　
　　冯钊洪,中国联合网络通信有限公司广东省分公司,工程师,中级嵌入式系统设计师,主要从事通信机房/数据中心规划、建设及管理。
　　
　　编辑：Harris