大功率通信設備供電及制冷方案探討

羅煜相，韓建芳

（1.中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310；2.廣州杰賽科技股份有限公司通信規(guī)劃設計院，廣東 廣州 510310）

0 引 言

隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，通信設備的功率密度成倍增長。它對機房的供電和制冷提出了更高要求，傳統(tǒng)的建設模式已經(jīng)不能滿足建設要求。單機架的功率動輒數(shù)10 kW甚至更高，機房供電和制冷系統(tǒng)面臨著嚴峻挑戰(zhàn)：單機架功率10 kW，采用48 V供電方式約200 A電流，可能導致原開關(guān)電源系統(tǒng)容量不足，且大部分存量機房無空間用來新增開關(guān)電源系統(tǒng)；原電力室和設備機房距離較遠，傳輸線路壓降和損耗大；不同設備廠家的產(chǎn)品存在差異，進出風方式不同，與機房的氣流組織不匹配；傳統(tǒng)機房設備布局一般按面朝一側(cè)順序擺放，未區(qū)分冷熱通道，或者即使區(qū)分了冷熱通道也未進行封閉隔離，會造成氣流組織紊亂，出現(xiàn)高溫告警或局部熱點問題。

1 供電解決方案

目前傳輸設備要求的電壓類型、電壓變動范圍因廠家、設備型號不同而有所差異，部分廠家設備也支持240 V高壓直流輸入。下面以傳輸設備為例進行分析，表1為相關(guān)廠家的設備參數(shù)。

表1 不同傳輸設備電氣參數(shù)

1.1 方案1：48 V直流供電方式

圖1 48 V直流供電方式

1.2 方案2：240 V直流+DC/DC變換供電方式

由于設備負荷急劇增加，原電源系統(tǒng)容量不足，電力室機房空間不充裕，或者電力室與機房距離較遠，可采用方案2的240 V高壓直流[3]+DC/DC變換方式，見圖2。

圖2 240 V高壓直流+DC/DC變換供電方式

案例：某通信樓購買的為非專用通信建筑，受機房承重限制無法安裝大容量蓄電池組，導致蓄電池組只能安裝在附屬樓。附屬樓面積有限，只能安裝2套-48 V直流電源系統(tǒng)，目前無剩余空間安裝新電源系統(tǒng)。另外，從附屬樓3層電源機房至主樓7層傳輸機房距離過長（最遠處約有90 m），導致壓降過大，電纜數(shù)量較多，電纜通道亦顯不足。

為了解決直流電源系統(tǒng)容量不足和壓降過大等問題，決定采用240 V高壓直流供電系統(tǒng)替換現(xiàn)網(wǎng)-48V直流供電系統(tǒng)，在7層傳輸機房內(nèi)設置一套DC 240 V-DC48 V系統(tǒng)供通信設備使用。

通過40 V高壓直流供電系統(tǒng)替換現(xiàn)網(wǎng)-48 V直流供電系統(tǒng)，電源系統(tǒng)可用容量與原系統(tǒng)容量相比高達3倍以上，可有效解決電源機房空間不足問題。240 V電源系統(tǒng)預計可滿足未來2～3年的需求。當240 V高壓直流供電系統(tǒng)有效負荷率達到70%～80%時，可采用類似方式改造其他-48 V系統(tǒng)。

1.3 方案3：UPS+48 V開關(guān)電源供電方式

若機房與電力室距離較遠，為減少傳輸線路損耗，可采用方案3UPS[4]+48 V開關(guān)電源供電方式，見圖3。

圖3 UPS+48 V開關(guān)電源供電方式

電力機房內(nèi)設置一套UPS，供交流用電設備使用。由于通信設備使用-48 V直流電源，因此在機房內(nèi)單獨新建-48 V電源系統(tǒng)，交流引入從UPS輸出配電屏引接，從而保證設備不間斷供電。新增-48 V開關(guān)電源系統(tǒng)建議靠近設備安裝，以縮短電纜路由。

1.4 分 析

以上3種方式均可用來解決通信設備的用電問題，只是使用的場景有所差異，具體方式需根據(jù)機房空間、供電距離、工程習慣、建設投資以及運維管理各方面進行具體分析。表2為對3種供電方案的對比分析結(jié)果。

軸承型號(FAG軸承)為：軸伸端6040.M.C3+NU1040.M1.C3，非軸伸端NU234.E.M1.C3。根據(jù)軸承廠家建議，潤滑油采用FAG滾動軸承潤滑脂Arcanol Multitop或者基礎油公稱粘度等級為68 mm2/s的油脂。

表2 三種供電方案對比

長遠來看，對高功率通信設備，各廠家應盡快推出支持直流-48 V、直流240 V/336 V以及交流380 V/220 V等多種電壓等級的設備以供選擇。若短期內(nèi)無法提供，可提供配套的電源轉(zhuǎn)換模塊，并支持在設備機架內(nèi)安裝。

2 制冷解決方案

2.1 設備氣流組織優(yōu)化

通過查閱部分傳輸設備廠商的資料可知，不同廠家、型號的傳輸設備送回風方式各異，應該在工程設計階段結(jié)合機房的氣流組織向設備廠家提出相應要求。若不滿足要求，需進行相應改造。不同傳輸設備參數(shù)見表3。

表3 不同傳輸設備參數(shù)對比

2.2 機房氣流組織優(yōu)化

機房制冷應以“先冷設備、后冷環(huán)境”為指導原則，貫徹“冷熱通道獨立設置”的理念。通信設備采用“面對面、背對背”的排列方式，相鄰兩列設備的吸風面（正面）安裝在冷通道上，排風面（背面）安裝在熱通道上，實現(xiàn)分隔冷熱氣流和形成良好的氣流組織，提高空調(diào)的制冷效率。可以考慮在冷熱通道端頭設置不到頂?shù)拇怪睋醢甯綦x冷熱通道，但不得阻擋氣體滅火噴頭。

對于新增設備數(shù)量較多、功率密度較高以及機房空間充裕的場景，可采用定制化云艙機房整體規(guī)劃設備布局，封閉冷、熱通道。機柜的數(shù)量可按實際的需求安裝，即插即用，兼容通用數(shù)據(jù)機柜和設備廠家的集成柜，具有冷量損失少的特點。由于沒裝設備機柜位擋板密封，因此通道內(nèi)不存在冷風泄漏問題。

空調(diào)可根據(jù)冷量需求，選用房間級空調(diào)地板下送風方式、列間空調(diào)行級送風以及背板空調(diào)定點送風等方式。

房間級空調(diào)地板下送風方式中，架空地板內(nèi)不布放通信線纜，空調(diào)管道和線纜不應阻擋空調(diào)送風。房間級空調(diào)送風距離大于15 m時，應在機房兩側(cè)布置空調(diào)室內(nèi)機，從機房兩端送風。

列間空調(diào)行級送風方式近端制冷，避免局部熱點；制冷設備與設備功耗相匹配，可分期部署；機柜功耗彈性規(guī)劃，可提高機柜利用率；列間空調(diào)安裝在機架之間，從空調(diào)前部水平送風，對機架制冷后從后部回風。

背板空調(diào)可實現(xiàn)機柜級制冷，節(jié)省機房空間與能耗。熱管背板空調(diào)末端安裝在機架后門，依靠末端盤管內(nèi)部冷媒的相變對機架制冷；水冷冷門安裝在機架后門，通過冷凍水盤管的顯熱換熱對機架制冷。

2.3 風量計算

為保證設備良好的進、排風效果，設備的前、后門開孔率均高于50%。在滿足強度要求的前提下，應盡可能提高開孔率，可取消柜門，加大進、排風口面積。

設備所需最小送風量計算式為：

其中：P為機柜功耗，單位W；Cp為空氣的比熱容，單位kJ/（kg·℃）；ρ為空氣的密度，單位kg/m3；Δt為機柜出風口與進風口的溫度差。

經(jīng)計算每千瓦功率需要最小送風量為250 m3/h（進、出風口的溫差按照12 ℃計算)，進而可計算出不同功率的設備所需最小風量（見表4）。

表4 不同功率通信設備對應通風地板數(shù)量

當空調(diào)采用下送風方式時，冷通道布置地板送風口在滿足設備維護空間的前提下，還需要滿足兩列機柜的風量需求。普通送風地板（建議采用可調(diào)風量地板，根據(jù)需要調(diào)整出風口開孔率）的尺寸為600 mm×600 mm，面積為0.36 m2，地板送風口的有效通風面積取0.18 m2，風口風速一般為2.5 m/s，地板送風口風量為1 620 m3/h。按送風量90%的制冷效率估算，單塊地板的有效送風量為1 458 m3/h。當送風量不能滿足制冷需求時，可采用強制送風地板（需考慮噪音帶來的影響），送風量可達2 000～3 000 m3/h。

封閉通道間距一般為1 200 mm，當通道內(nèi)設備平均功率小于6 kW/臺時，可采用地板下送風方式（需計算地板架設高度）；當單臺通信設備功率大于6 kW時，可將機柜正前方通風地板更換為強制通風地板；當通道內(nèi)設備平均功率大于6 kW/臺時，不建議使用地板下送風方式。

3 結(jié) 論

（1）原有機房新增設備供電方式根據(jù)應根據(jù)場景合理選擇，盡量與原設備兼容并考慮維護問題。新建機房盡量采用大容量電源系統(tǒng)，電壓轉(zhuǎn)換時盡量選擇高電壓等級。

（2）對于大功率通信設備，必須要求設備廠家按機房的氣流組織方式供貨。

（3）當機房內(nèi)新增大功率通信設備數(shù)量不多時，可結(jié)合機房原制冷方式制定對應的解決方案，如封閉冷熱通道兩端端門和采用強制送風地板等。

（4）當新增通信設備數(shù)量較多但單機架容量不大于6 kW時，宜采用封閉冷熱通道，送風方式選擇房間級空調(diào)下送風或列間空調(diào)送風。

（5）當新增通信設備數(shù)量較多且單機架容量大于6 kW時，應采用封閉冷熱通道方式，采用列間空調(diào)送風或背板制冷方案。