新型通信机房中热岛成因分析与解决对策
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【摘 要】随着通信技术的飞速发展，各种新型的通信设备不断涌现，机房的热岛问题不出意料地继承了传统的顽疾，且不幸具有了新的派生特点。本文详细分析了生产机房温度“热岛”形成的原因，针对老旧机房的“热岛”问题提出多种整改方案，同时对新建机房的空调规划、建设提出实施建议。
【关键词】热岛；空调；冷热通道；送风方向
1 引言
机房环境温度的有效控制，是保障通信设备正常运行的重要条件，然而随着移动通信数据业务的快速发展，机房数据IT设备和传输PTN设备大量增加，该类设备的集成度和功率密度很大，设备发热量很高，导致机房设备容量超出预期，同时发热设备过分集中在一处，极容易引起机房热岛问题。然而数据业务越来越重要，通信质量保障要求越来越高，热岛问题给机房设备维护带来的故障隐患越来越突出，因此如何规划空调建设和解决热岛故障，必须深入研究。
2 热岛问题成因分析
引起老旧生产机房热岛问题成因是多方面的，从机房功能前期规划、空调安装工程设计、施工质量管理、后期空调设备维护等各个环节都会导致机房热岛问题，主要原因分析如下。
（1）机房功能规划与实际需求不一致
通信机房空调容量设计通常依照主体设备最大装机容量、最大发热功耗来规划，但是随着移动数据业务的快速发展，前期规划为交换机房的楼层实际上被大量传输网设备、IT数据设备占用。目前IT数据设备、传输设备的集成度、功率密度很大，发热量也很高，若安装在普通机房里，则机房空调即使满负载运行，也无法满足机房冷量需求，很容易引发热岛问题。
（2）高发热设备安装过于密集
机房各楼层空调装机容量满足终期冷量要求，且空调安装位置在机房内通常是均匀分布的。若高发热设备过分集中安装在某一处，则远离发热设备的冷量利用率很低，导致高发热设备周围环境温度很高，而其它空间的温度却很低，例如机房的BOSS系统区域。
IP承载网的CE高端路由器、传输PIN设备均为高功率密度机柜，机柜的安装通道宽度没有相应增加，仍然沿用普通功率密度设备的安装通道间距，气流通道比较狭窄，形成了局部高热负荷区，而先期投产布置在该区域的空调无法满足要求。
对于高发热设备，常规送风地板网孔不能满足设备所需冷量，设备进风面下端冷上端热的差距显著。例如IBM主机、存储硬盘阵列、刀片服务器设备，下部进风温度为23℃，上部则达到26℃。
（3）设备安装布置不符合散热要求
1）由于机柜安装施工设计有误、工程施工质量管控不严，导致相邻列间设备安装朝向混乱，没有按照“背靠背”原则安装，列间设备没有形成冷热通道，导致前列的出风直接吹送到另后列的进风口，进风温度剧增。
2）一列内的部分机柜没有按照列内原有设备的冷热通道布置方式安装，设备的排放的热风吹送到对面设备的进风口，提升了设备进风的温度。
3）空调送风管虽然布置在冷通道的上方，但风管及送风口受走线架、消防管道、灯管等设备影响，位置安装受限，出风口离地面过高，通道底端无法获得足够风量。
4）空调送风管出口被后期安装的传输走线槽、走线架阻挡，空调送风气流方向被改变或阻挡。
5）机柜内未安装设备的空间无封闭盲板，导致机柜后部热空气与前部冷空气对流，提升了设备前部进风温度，又降低了冷量使用率。
6）设备安装在下送风地板上方，切割地板放置设备后，未完全封閉地板缺口，导致板下冷量溢出，降低冷量使用效率；也使得设备进风区域的出风射流压力下降，减少了冷量输出，设备受冷量不足。
7）下送风地板上安装的电源列头柜、传输列头柜、传输DDF架底部无封闭板，冷空气流失严重，冷量无法有效输送到远端发热设备。
8）列内暂无安装设备的区域缺少隔板隔离，造成列前后通道冷热气流串扰，冷热气流混合，降低冷量有效使用率，提升了冷通道的温度和设备进风温度。
9）机柜内部安装的设备类型混杂，不同类型设备的排风方式不一致，设备之间缺少冷热通道隔离分区，导致机柜内部冷热气流混合。
（4）设备内部排风结构不合理
传输机框嵌入机架安装布置结构没有考虑设备进出气流分隔，进出风气流设计不协调，造成下层机框的出风口与上层机框的进风口在同一个半封闭的空间内，导致上层机框进风温度偏高；同时，传输机柜集装多采用两面安装机框、前后面进风/上出风的方式，客观上无法在机房内形成冷热通道分布。
（5）机房空调扩容项目建设滞后
网络业务的快速发展，各业务专业工程项目的扩容往往先于空调项目扩容建设，导致扩容的业务设备只能占用存量机房冷量或采用安装临时空调应急，新增设备区域容易产生热岛。
（6）主设备项目设计会审缺乏横向沟通
传输、数据等非空调专业的规划设计过程中，缺少空调维护专业人员参与审查、讨论，没有充分关注动力环境系统的配套规划建设以及现有机房环境支撑问题，造成后续业务投产后被动采用临时空调应急，给维空调维护带来很大的障碍。
3 热岛问题解决对策
老旧机房一旦产生热岛问题，将很难整治，主要原因是机房内部冷热气流混乱，新增空调的安装空间受限，且很多重要设备都已入网运行，对发热设备进行位置调整优化十分困难。解决热岛问题关键在于严格按照设计规范要求执行设备选型和安装，重在控制热岛区域蔓延。针对不同发热设备、不同楼层的空间情况采取多种措施，从工程整改到维护管理优化，综合治理。
（1）改造空调气流
1）重新调整优化空调机组安装位置，将空调机组安装在机房热通道位置上，同时关闭热通道送风口。
2）对于上送风机房，在部分冷通道增加送风管，增加局部冷量输送能力。
3）对于上送风机房，采用风管下沉方式降低风管送风口高度，提高冷风的利用率。 4）根据机房功率密度分布，采用多台空调冗余运行方式，增加高密度区域空调制冷总量。
（2）调整机房局部气流
1）根据机柜功率调整地板出风口、送风管出风口的面积大小，加大出风量维持进风面正压。
2）关闭热通道的风管和地板出风口，在局部热点增加临时空调。
（3）改造机柜内气流
1）根据冷热通道分离标准、机柜背靠背安装原则，调整机柜安装方向，形成冷热通道分离的有序气流组织。
2）机柜内未安装设备的区域须用盲板封闭，避免柜内前后冷热气流互串。
3）更换开孔率较大的机柜前后门，增加机柜内部设备的通风量。
4）调整机架内机框集成安装方式，隔离上下层机框的进出风向，排除上下层机框设备冷热气流的混合串扰，使得上下层机框设备形成相对独立的进出风方式。
盲板整改前通过设备网管观察机柜内部温度，从下到上，各部温度依次为29℃、33℃、36℃、39℃。盲板调整后，各部温度依次为27℃、31℃、32℃、35℃，测试表明该类盲板比较有利于设备散热。
（4）采用空调新技术
1）对于采用下送风的机房，加装天花板回风层，集中收集热通道热气流均匀回送每台空调，增强空调对热回风的有效吸收能力，均衡每台空调运行效率（对于设备均匀分布的机房效果显著）。
2）封闭机房内每个冷通道（上送风和下送风方式均适用），取得局部冷库的效果，确保通道内每台设备的受冷面均能吸收冷风。封闭通道顶面设置与消防联动的电动百叶，解决该区域的消防效力问题。
（5）加强空调建设与相关专业的横向协调能力
传输、数据、交换等专业的项目设计会审必须要求空调维护专业人员参与，主设备的建设要充分考虑机房环境温度和空调配置运行情况，不能各自为政、各行其是。
（6）制定高功率高密度机房空调建设规范
随着技术的发展，机房主设备的结构形式、装机密度、功耗都发生了很大的变化，一个突出的特点是发热量大、出风量大。现有的机房空调建设规范已经不适应机房设备运行温度保障的实际要求。要针对传输、数据设备的高密度、高发热的特点，修改机房空调建设的要求和规范，以期适应机房环境温度保障的实际需要。
4 新建机房空调建设建议
（1）从机房送风均匀性和空调运行的均衡性、设备对冷风的吸收能力看，下送风方式是机房中最佳的气流组织方式。它使温度在机房工作区整个高度上的阶跃值小于上送风的方式，因为它阻止了设备放出的热量再返回到机房工作区，从而节省了空调机组按工作区环境参数计算得到的冷量，提高了制冷效率，节约了能耗。故建议对于新建的大型机房，采用地板下送风方式。地下板下送风方式由于没有风管的管路的限制，对增加定点送风量和空调扩容比较方便，对后期潜在的热岛问题也容易处理。
（2）对于高端路由器、大型数据IT设备在楼层内要安排独立的安装空间，列间空间适当加大，有利于减少热风对相邻列设备的影响，加快热风消散。
（3）对于上送风的机房，在高发热区域预留列间空调安装位置，实现热点区域的定点送风，效果较好。
5 总结
机房环境温度保障是设备长期健康运行的重要条件，空调建设规划要有前瞻性。产生机房热岛的根本原因是施工设计不良以及不能严格按图施工引起的。其次，在“市场发展为先行”的导向下，盲目加大机房的装机容量，也是引发热岛问题重要原因。随着高功率、高集成度设备逐渐增多，空调项目建设和维护管理相关规范、要求需要跟随调整，积极采用新的空调应用技术，适应机房温度保障条件多种要求。
参考文献：
[1] 《艾默生机房空调解决方案培训教程》，艾默生網络能源有限公司，2012.
[2] 《中国移动通信电源及空调维护管理规定》（2014版），移动集团公司，2014.
[3] 《精密空调用户培训教程》，艾默生网络能源有限公司，2006.
作者简介：
甘顺水，工程师，中国移动通信集团广西有有限公司网络运营中心动力室。主要负责通信电源、机房专业空调系统日常运行维护、动力设备优化整改、机房能耗管理工作。
（作者单位：中国移动通信集团广西有限公司）
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