高热密度通信中心机房散热影响因素的研究

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（广东电网有限责任公司惠州供电局 516000）

摘 要：通信中心机房的设备运行实践表明，设备工作的可靠性及使用寿命与其工作温度的关系极为密切。设备过热运行将会对设备的可靠性及使用寿命产生极其有害的影响。随着微纳米电子技术迅猛发展，电子器件特征尺寸的不断减小，芯片集成与封装密度和工作频率的不断提高，使得设备的热流密度迅速攀升，最終导致通信中心机房的热流密度不断增加，给通信中心机房冷却系统带来了严峻挑战。本文主要探讨的就是关于高热密度通信中心机房散热影响因素的相关研究。

关键词：高热密度；通信中心；机房散热；影响因素

引言：

通信中心机房的气流分布对这些房间的设备的热环境产生重要影响。制造商的关键要求是维持电子设备进口温度和湿度在规格范围内。但是通信中心机房的环境数据，包括机架进口温度、相对湿度、最大露点温度，也是我们在设计机房机架布置及通风制冷设计所必须考虑的因素。

1.通信中心机房布置与面临的问题

设备消耗功率趋势继续增长着，从而使通信中心机房的热管理成为一个非常具有挑战性的任务。虽然存在各种机房布局和不同送、回风方式，而通信中心机房架空地板送风方式成为通信中心送风方式的主流，即机房空调向架空地板夹层内提供冷空气，再由穿孔地板送入各个机架井口。现在通信中心机房空调设计多强调热通道/冷通道概念，机房机架布置原则如下：

机架与机房空调垂直布置于地面，机架之间形成冷热风道，机架平行放置，机架进口面面对冷通道，而机架出口面面对热通道。现有的通信中心机房架空地板就使用热通道/冷通道的布局，即机房空调机组提供向下气流到地板夹层中，再由穿孔地板送入冷通道，冷空气从机架进口面进入机架，经过机架设备加热升温，从机架背部排出热空气，直接回到机房空调机组进口或返回到顶板的回风口，再进入机房空调机组进口。

现今为了有效冷却高热密度负荷设备，通信中心机房的机架采用常规热通道/冷通道布置，其目的是为了冷送风气流与热回风气流能够充分隔离。而由于机架功率增加迅速，导致机架背部排出的高温热空气更容易扩散到机架顶部附近和冷通道两末端，造成冷热空气混合，在机架的局部产生高温。

对于架空地板的通信中心机房，地板下部空间流场控制着通过穿孔地板的气流分布。如果机架底端穿孔地板提供流量满足每个设备机架的气流流量需求，在一般情况下，可以确保达到冷却要求。通过穿孔地板的气流分布是由地板下部的压力分布来控制的，其影响因素有：架空地板的高度，空调机组的位置，穿孔地板的布局，穿孔地板开孔面积，以及地板下的存在障碍物等。地板上部区域冷却目标是防止热空气进入冷通道内，再进入设备机架的入口。实现这目标主要是依靠穿孔地板供应足够的冷空气。此外，还可以安装空气帘，机架末端隔板，机架顶部隔板（如图1所示），以及导管机架被用来实现冷热气流隔离。在特殊情况下，可以使用安装先进的散热装置（顶部换热器、背部换热器等）来提供局部冷却，减少局部高温，降低机架进口温度。

为了充分利用冷送风量和减少通信中心机房局部高温，我们必须控制机房气流组织、通过穿孔地板的气流均匀性、机架进口温度等。通过研究通信中心机房的地板夹层，室内气流组织，甚至机架内部等；具体如优化通信中心机房的参数（地板夹层、穿孔地板开孔面积、空调机组和穿孔地板送风口之间的距离），比较不同的机房的布局（机架和空调机组布置），模拟和预测机房空调发生故障后产生的后果等。

2.空调机组间距及其送风方式对机房的影响

通信中心机房的设备运行实践表明，设备工作的可靠性及使用寿命与其工作温度的关系极为密切。设备过热运行将会对设备的可靠性及使用寿命产生极其有害的影响。随着微纳米电子技术迅猛发展，电子器件特征尺寸的不断减小，芯片集成与封装密度和工作頻率的不断提高，使得设备的热流密度迅速攀升，最终导致通信中心的热流密度不断增加，给通信中心冷却系统带来严峻挑战。

现今为了有效冷却高热密度负荷设备设备，通信中心机房的机架采用常规热通道/冷通道布置，而由于机架功率增加迅速，机房局部容易产生高温。

具体影响我们将其归结如下：

（1）离空调机组越近的穿孔地板气流越不均匀，离空调机组较远的穿孔地板气流均匀，相应体积流量较大。空调机组水平送风方式下，不同空调机组间距的机架进口温度随机架高度变化趋势相似；机组间距d越大，第一排机架底部热循环越严重，顶部热循环相对减弱。

（2）空调机组垂直送风方式的机房内整个穿孔地板气流分布均匀，每排穿孔地板气流分布更均匀一致，空调机组垂直送风方式适合机房内机架功率密度分布的通信中心；而空调机组水平送风方式时，改变机架到空调机组的间距可以提高机房内每排穿孔地板的气流均匀性，同时空调机组间距适中（如d=1.83m）时，机房内穿孔地板体积流量分布相对其他间距的较为均匀，可与空调机组垂直送风方式下的气流均匀性相媲美。

（3）不同送风工况下的温度分布变化趋势相同，空调机组间距较远（如d=5.49m）时，四排机架在不同送风方式的机架进口温度相差都很大，空调垂直送风时一二两排机架进口温度相对空调水平送风时较低，三四两排机架进口温度相对空调水平送风时较高，空调水平送风方式的情况与其相反；机架距离空调机组越远时，空调水平送风方式的进口温度较低，而空调垂直送风方式的情况与其相反。

（4）顶板送风工况下，顶板回风的设计优于侧墙回风设计，顶板回风能及时排出热空气，而侧墙回风设计在内部机架背部上方位置聚集大量的热空气不能排出，内部机架顶部热循环严重。由于人为隔板的作用，机房内温度分布相对合理，每排机架进口温度相对较好，工程设计要利用隔板等来实现冷负荷的配置，防止严重冷空气过量，冷空气配置不合理。

（5）不同工况下靠近顶板回风口附近位置的速度较大，冷热空气混合严重，导致冷空气得不到充分利用，热空气不能及时排出，冷空气得不到充分利用。靠近送风口位置的外部机架温度分布相对较高，冷通道内的温度较高，机架进口温度较高，外部机架热循环相对严重；内部机架温度分布相对合理，机架进口温度相对较好；远离送风口位置的外部机架温度相对较低，由于其对应位置的静压较大，导致穿孔地板速度较大，所以提供给机架的冷空气过量，导致外部机架温度过低，出现冷短路现象。

3.总结语

由于机架内热源结构的复杂性，为了应对机房发热量过大的问题，如何优化气流组织形式才能够达到最佳的节能效果也值得进一步研究。

参考文献

[1]蒋雅靖，刘刚，数据机房不同下送风方式的模拟分析及对比，建筑节能2011.01.

[2]傅德薰，马延文，李新亮.可压缩湍流直接数值模拟.科学出版社.2010.11.

[3]张兆顺，崔桂利，许春晓.湍流大祸数值模拟的理论与应用.清华大学出版社.2008.01.