高熱密度通信中心機房散熱影響因素的研究

羅慈照+郭德孺

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局 516000）

摘 要：通信中心機房的設(shè)備運行實踐表明，設(shè)備工作的可靠性及使用壽命與其工作溫度的關(guān)系極為密切。設(shè)備過熱運行將會對設(shè)備的可靠性及使用壽命產(chǎn)生極其有害的影響。隨著微納米電子技術(shù)迅猛發(fā)展，電子器件特征尺寸的不斷減小，芯片集成與封裝密度和工作頻率的不斷提高，使得設(shè)備的熱流密度迅速攀升，最終導(dǎo)致通信中心機房的熱流密度不斷增加，給通信中心機房冷卻系統(tǒng)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本文主要探討的就是關(guān)于高熱密度通信中心機房散熱影響因素的相關(guān)研究。

關(guān)鍵詞：高熱密度；通信中心；機房散熱；影響因素

引言：

通信中心機房的氣流分布對這些房間的設(shè)備的熱環(huán)境產(chǎn)生重要影響。制造商的關(guān)鍵要求是維持電子設(shè)備進口溫度和濕度在規(guī)格范圍內(nèi)。但是通信中心機房的環(huán)境數(shù)據(jù)，包括機架進口溫度、相對濕度、最大露點溫度，也是我們在設(shè)計機房機架布置及通風(fēng)制冷設(shè)計所必須考慮的因素。

1.通信中心機房布置與面臨的問題

設(shè)備消耗功率趨勢繼續(xù)增長著，從而使通信中心機房的熱管理成為一個非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。雖然存在各種機房布局和不同送、回風(fēng)方式，而通信中心機房架空地板送風(fēng)方式成為通信中心送風(fēng)方式的主流，即機房空調(diào)向架空地板夾層內(nèi)提供冷空氣，再由穿孔地板送入各個機架井口?，F(xiàn)在通信中心機房空調(diào)設(shè)計多強調(diào)熱通道/冷通道概念，機房機架布置原則如下：

機架與機房空調(diào)垂直布置于地面，機架之間形成冷熱風(fēng)道，機架平行放置，機架進口面面對冷通道，而機架出口面面對熱通道?，F(xiàn)有的通信中心機房架空地板就使用熱通道/冷通道的布局，即機房空調(diào)機組提供向下氣流到地板夾層中，再由穿孔地板送入冷通道，冷空氣從機架進口面進入機架，經(jīng)過機架設(shè)備加熱升溫，從機架背部排出熱空氣，直接回到機房空調(diào)機組進口或返回到頂板的回風(fēng)口，再進入機房空調(diào)機組進口。

現(xiàn)今為了有效冷卻高熱密度負(fù)荷設(shè)備，通信中心機房的機架采用常規(guī)熱通道/冷通道布置，其目的是為了冷送風(fēng)氣流與熱回風(fēng)氣流能夠充分隔離。而由于機架功率增加迅速，導(dǎo)致機架背部排出的高溫?zé)峥諝飧菀讛U散到機架頂部附近和冷通道兩末端，造成冷熱空氣混合，在機架的局部產(chǎn)生高溫。

對于架空地板的通信中心機房，地板下部空間流場控制著通過穿孔地板的氣流分布。如果機架底端穿孔地板提供流量滿足每個設(shè)備機架的氣流流量需求，在一般情況下，可以確保達到冷卻要求。通過穿孔地板的氣流分布是由地板下部的壓力分布來控制的，其影響因素有：架空地板的高度，空調(diào)機組的位置，穿孔地板的布局，穿孔地板開孔面積，以及地板下的存在障礙物等。地板上部區(qū)域冷卻目標(biāo)是防止熱空氣進入冷通道內(nèi)，再進入設(shè)備機架的入口。實現(xiàn)這目標(biāo)主要是依靠穿孔地板供應(yīng)足夠的冷空氣。此外，還可以安裝空氣簾，機架末端隔板，機架頂部隔板（如圖1所示），以及導(dǎo)管機架被用來實現(xiàn)冷熱氣流隔離。在特殊情況下，可以使用安裝先進的散熱裝置（頂部換熱器、背部換熱器等）來提供局部冷卻，減少局部高溫，降低機架進口溫度。

為了充分利用冷送風(fēng)量和減少通信中心機房局部高溫，我們必須控制機房氣流組織、通過穿孔地板的氣流均勻性、機架進口溫度等。通過研究通信中心機房的地板夾層，室內(nèi)氣流組織，甚至機架內(nèi)部等；具體如優(yōu)化通信中心機房的參數(shù)（地板夾層、穿孔地板開孔面積、空調(diào)機組和穿孔地板送風(fēng)口之間的距離），比較不同的機房的布局（機架和空調(diào)機組布置），模擬和預(yù)測機房空調(diào)發(fā)生故障后產(chǎn)生的后果等。

2.空調(diào)機組間距及其送風(fēng)方式對機房的影響

通信中心機房的設(shè)備運行實踐表明，設(shè)備工作的可靠性及使用壽命與其工作溫度的關(guān)系極為密切。設(shè)備過熱運行將會對設(shè)備的可靠性及使用壽命產(chǎn)生極其有害的影響。隨著微納米電子技術(shù)迅猛發(fā)展，電子器件特征尺寸的不斷減小，芯片集成與封裝密度和工作頻率的不斷提高，使得設(shè)備的熱流密度迅速攀升，最終導(dǎo)致通信中心的熱流密度不斷增加，給通信中心冷卻系統(tǒng)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

現(xiàn)今為了有效冷卻高熱密度負(fù)荷設(shè)備設(shè)備，通信中心機房的機架采用常規(guī)熱通道/冷通道布置，而由于機架功率增加迅速，機房局部容易產(chǎn)生高溫。

具體影響我們將其歸結(jié)如下：

（1）離空調(diào)機組越近的穿孔地板氣流越不均勻，離空調(diào)機組較遠(yuǎn)的穿孔地板氣流均勻，相應(yīng)體積流量較大?？照{(diào)機組水平送風(fēng)方式下，不同空調(diào)機組間距的機架進口溫度隨機架高度變化趨勢相似；機組間距d越大，第一排機架底部熱循環(huán)越嚴(yán)重，頂部熱循環(huán)相對減弱。

（2）空調(diào)機組垂直送風(fēng)方式的機房內(nèi)整個穿孔地板氣流分布均勻，每排穿孔地板氣流分布更均勻一致，空調(diào)機組垂直送風(fēng)方式適合機房內(nèi)機架功率密度分布的通信中心；而空調(diào)機組水平送風(fēng)方式時，改變機架到空調(diào)機組的間距可以提高機房內(nèi)每排穿孔地板的氣流均勻性，同時空調(diào)機組間距適中（如d=1.83m）時，機房內(nèi)穿孔地板體積流量分布相對其他間距的較為均勻，可與空調(diào)機組垂直送風(fēng)方式下的氣流均勻性相媲美。

（3）不同送風(fēng)工況下的溫度分布變化趨勢相同，空調(diào)機組間距較遠(yuǎn)（如d=5.49m）時，四排機架在不同送風(fēng)方式的機架進口溫度相差都很大，空調(diào)垂直送風(fēng)時一二兩排機架進口溫度相對空調(diào)水平送風(fēng)時較低，三四兩排機架進口溫度相對空調(diào)水平送風(fēng)時較高，空調(diào)水平送風(fēng)方式的情況與其相反；機架距離空調(diào)機組越遠(yuǎn)時，空調(diào)水平送風(fēng)方式的進口溫度較低，而空調(diào)垂直送風(fēng)方式的情況與其相反。

（4）頂板送風(fēng)工況下，頂板回風(fēng)的設(shè)計優(yōu)于側(cè)墻回風(fēng)設(shè)計，頂板回風(fēng)能及時排出熱空氣，而側(cè)墻回風(fēng)設(shè)計在內(nèi)部機架背部上方位置聚集大量的熱空氣不能排出，內(nèi)部機架頂部熱循環(huán)嚴(yán)重。由于人為隔板的作用，機房內(nèi)溫度分布相對合理，每排機架進口溫度相對較好，工程設(shè)計要利用隔板等來實現(xiàn)冷負(fù)荷的配置，防止嚴(yán)重冷空氣過量，冷空氣配置不合理。

（5）不同工況下靠近頂板回風(fēng)口附近位置的速度較大，冷熱空氣混合嚴(yán)重，導(dǎo)致冷空氣得不到充分利用，熱空氣不能及時排出，冷空氣得不到充分利用。靠近送風(fēng)口位置的外部機架溫度分布相對較高，冷通道內(nèi)的溫度較高，機架進口溫度較高，外部機架熱循環(huán)相對嚴(yán)重；內(nèi)部機架溫度分布相對合理，機架進口溫度相對較好；遠(yuǎn)離送風(fēng)口位置的外部機架溫度相對較低，由于其對應(yīng)位置的靜壓較大，導(dǎo)致穿孔地板速度較大，所以提供給機架的冷空氣過量，導(dǎo)致外部機架溫度過低，出現(xiàn)冷短路現(xiàn)象。

3.總結(jié)語

由于機架內(nèi)熱源結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，為了應(yīng)對機房發(fā)熱量過大的問題，如何優(yōu)化氣流組織形式才能夠達到最佳的節(jié)能效果也值得進一步研究。

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