浅析5G网络下通信机房散热的解决方案

浅析5G网络下通信机房散热的解决方案

李楠

（广东省电信规划设计院有限公司）

摘  要：随着5G时代的到来，通信机房的需求越来越大，在有限的空间内IT设备的密度和业务都逐渐增大，随之而来的是用电负荷的不断加大、热流密度的不断提高，这就要求我们不断探索新的空调解决方案。针对不同的场景，提出不同的制冷解决方案，与节能举措并举，由此展开分析。

关键词：5G；通信机房；功耗；建设方案；节能

一、引言

5G场景下业务量会有指数级的增长，万物互联带来海量的通信连接和并发量，数据流量爆炸，会大规模部署计算和存储设备（服务器），需要充分利用机房资源，在有限的机房空间资源情况下需要充分利用机房空间，部署更多的服务器设备，单位空间内的设备的增多，带来功耗的增加，设备散热成为急需解决的问题。本文对传统的制冷方案进行了梳理，分析常规建设模式，对于因设备的变化而引起的配套方案的变化，寻求合适、高效的制冷方案。空调设备的能耗大约占整个机房能耗的30%~40%，这是影响PUE值的重要因素。在满足制冷需求及系统可靠的前提下，应当考虑制冷设备的能效，积极引入新技术、新方法。

二、建设思路

在建设初期，制冷方案围绕机房的近期及远期业务类型，设备的功耗，从送风方式、冷媒介质等选取不同的制冷方案。另外，建设时应考虑节能降耗，提高制冷效率可参照如下规则：

1、按需+精确制冷（缩短制冷路径）

2、提高IT设备进风温度

3、冷热通道隔离

4、高效水冷主机

5、提高冷冻水进水温度

针对老旧机房的改造，有很多地方需要注意，机房内需要注意走管路由，机房外主要考虑空调外机的摆放、散热、噪音问题，外机较多且摆放困难可考虑水冷代替风冷的方案。

新建机房，且机房规模较大，需提前预留好管井位置（一般建议走廊规划成“回字形”以便于水管成环，走廊间距宜在2.5米左右），制冷中心、空调间需预留好设备基础及排水沟，天面需做好设备基础。

本文主要从空调形式及气流组织两方面来分析。

三、空调形式

3.1基站空调建设方案

5G基站功耗相比4G大幅增加，新增1套5G系统约需增加约7kVA~10kVA外市电，100A直流电源，350Ah蓄电池（按3h后备时长考虑）及500~1000W热负荷的配套需求。

基站可采用“小型精密空调+新风节能设备”的解决方案，以风冷上送风的空调为主，并适度加入节能设备，如焓差新风机、新风一体机，以利用自然冷源，减少空调用电负荷。

3.2不同规模通信机房的空调建设方案

机房内的空调形式较多，下面从机柜功耗划分，例举了几种常见的制冷方案。

1）单机架功耗3kW以内

一般采用风冷型上送风精密空调为主，空调先冷却环境，依靠服务器自带风扇吸入冷空气，与发热元器件进行热交换。这是目前大部分运营商机房采用的制冷方案。

2）单机架功耗4-6kW

采用封闭冷通道，机房内冷、热气流相互隔离，从而减少冷量的浪费，提高制冷效率。送风简图如下：

图1 冷通道封闭气流组织示意图

图2 冷通道封闭气流组织模拟图

空调区单独设置，架空地板作为整体静压箱，对其高度有一定要求，且架空地板内需要做保温，以防止楼板结露。

3）微模块（适用于5-20kW的机柜）。

图3 微模块示意图

图4 微模块气流组织示意图

微模块机房采用了空调入列的形式，空调设备贴近热源，精准送风，冷、通道隔离方式；封闭冷通道后室内风机送风量可减少30%，室内风机可省电约2/3。微模块具备绿色节能、高密集约、快速部署、按需扩容等优点。采用风冷型列间空调时注意外机的摆放位置、空间等。机房规模较大，风冷室外机安装位置不足，考虑采用集中式冷机。

4）热管背板制冷系统

点对点式精确制冷，背板安装在机柜背部，直接冷却服务器排出的高温热风，有效解决局部热点的问题。

制冷原理：服务器排出的热风与安装在机柜背后的直冷背板进行交换，热量使得背板内部的环保工质发生相变，由液态变为气态，将服务器排出的热量带到中间冷却装置-高效板式换热器，经板换冷却后的环保工质变为液体，工质依靠自身重力和相变产生的动力回流直冷背板，完成换热循环。

图5 热管背板示意图

背板制冷系统的换热形式有两种：室外干冷器及水-氟换热器，单机柜功耗较低时，可选择干冷器，系统简单，经济节能；高功耗机柜需要结合冷机+换热器。

机房等级较高，不允许有水进机房，可采取如下的空调建设方案。

5）冷却水+直膨空调

图6  冷却水+直膨空调模式

直膨精密空调冷凝器采用水冷的冷却方式，对于室外机夏季高温报警无法工作及外机安装条件受限的情景下，可采用这种制冷方案。笔者曾在南京电信某端局采用这种空调形式，相比传统分体直膨空调，系统整体能耗低，可靠性高，解决了机房改造外围空间受限的问题。

6）冷冻水+热管空调

图7 冷冻水+热管空调模式

单机柜的功耗较高且对安全性有一定要求的场合，采用“冷冻水+热管空调”模式，在大型数据中心中，一般是“集中冷源+冷冻水型空调”的形式，而部分高等级的机房可与原有系统对接，对于改造机房，改造量较小，经济可行。

7）间接蒸发制冷

对于室外空气洁净，具有较大的干湿球温度差的情况下，可采用间接蒸发制冷的方式。在干燥地区，夏季虽然比较炎热，但空气比较干燥，干湿球温度相差大，这导致室外空气焓值较低，有些地方甚至出现室外空气的焓值低于机房内空气焓值的情况。利用这些低焓值的空气与机房内的热空气进行热交换，空调系统能耗较低，节能率高。

图8 间接蒸发制冷空调模式

四、气流组织

4.1冷热通道设计

机架采用面对面、背对背方式布置，使面对面一侧形成冷风通道（冷区）、背对背一侧形成热风通道（热区）。这种方式将服务器排出的热气与服务器进风口处的空调冷风分离，避免冷、热空气掺混，避免前列机架上设备排出的热风被服务器自带的风扇送入下一列设备的进风口，确保热气尽快从热区（热通道）返回空调机，确保设置在“冷区”的服务器进风口保持低温，提高冷空气的有效利用率。

图9机架冷热通道布置图

4.2送回风方式

根据模块机房机架功率密度和布置形式，考虑风柜的送回风形式：

对于单机架功率4-5kW的中低密度机房，采用架空地板下送风、上回风、上走线方式；

对于单机架功率6-8kW的高密度机房，考虑采用列间空调，前进风后出风。

电力电池室及配电室采用上送风、侧回风的送回风方式；

将未安装IT设备的机柜安装盲板，以防止无端漏风，防止气流混合，防止机柜出现热点，提高机柜冷却能力。

4.3双侧送风

为保证空调气流循环效果，减少空气滞留区，当空调送风距离大于15米时，宜将末端精密风柜布置在机房两侧，从机房两端送风。

五、方案选取需考虑的问题

5.1从投资角度考虑

一般大型数据中心采用分期建设的思路，资金充足应采用高可靠、效率高的制冷方案，在数据中心全生命周期中，投资的回报期较短。

5.2从设计角度考虑

设计具有前瞻性，满足未来十年应用需求，为扩容留有一定的设计冗余，评估各种方案的优劣。设备选型的冗余系数的考虑，什么情况下取下限值，什么情况下取上限值，综合考虑，不应每次都取最大值，例如末端风柜的选型，可按照冷量小，数量多的原则配置。

5.3从维护角度考虑

风冷方案对维护的要求比较简单，但维护点比较分散，后期故障点较多。采用水冷方案对维护要求高、检查面较广。另外，应积极寻找提高机组出水温度对整个系统节能的作用，从服务器机柜入手，不断提高末端制冷设备的工况，以期提高冷水机组的供水温度，使系统整体的效率提升。

六、结束语

IT设备随着网络的变化的更新速度较快，空调的形式也在不断更新换代，目前还有大量机房的制冷与散热得不到很好的匹配，在建设的各个环节都会导致这种误差，今后的空调也将朝着“低能高效”发展、系统形式趋于简单可靠的方向变化。因限于作者的水平，文中内容欢迎批评指正。

参考文献

[1]陆亚俊，马最良，邹平华.暖通空调[M].北京：中国建筑工业出版社，2002

[2]施耐德数据中心第135号白皮书，热通道与冷通道气流遏制对数据中心的影响

[3]陆耀庆.HVAC暖通空调设计指南[M].北京：中国建筑工业出版社，1996

[4] ASHRAE.2017 ASHRAE Fundamentals Handbook,2017