液冷技術(shù)在通信機(jī)房的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)?；\(yùn)用研究＊

［溫亮］

1 引言

伴隨著用戶端（To C）網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用逐步向商業(yè)端（To B）網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用拓展，網(wǎng)絡(luò)使用的需求將呈現(xiàn)大規(guī)模增長(zhǎng)，主要體現(xiàn)于以下幾點(diǎn)：（1）網(wǎng)絡(luò)使用的高安全性和低時(shí)延性需求將大幅度提升，以滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等精密儀器控制需求；（2）網(wǎng)絡(luò)使用的高帶寬和處理效率需求將大幅度提升，以滿足海量數(shù)據(jù)和海量連接帶來(lái)的數(shù)據(jù)大幅度增加；（3）網(wǎng)絡(luò)使用的集中化和分散化處理需求將大幅度提升，以減少核心網(wǎng)集中處理的數(shù)據(jù)壓力。相關(guān)需求對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，通信機(jī)房的部署密度需求大幅度增加以提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性和精準(zhǔn)性需求。結(jié)合現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)商采取的新建結(jié)合改造的機(jī)房模式，機(jī)房建設(shè)和改造成本將大幅度增加，且機(jī)房承載的設(shè)備功率將大幅度提高，與此相應(yīng)的制冷散熱需求同步提高。

傳統(tǒng)通信機(jī)房主要采取風(fēng)冷散熱技術(shù)，其施工便利且便于服務(wù)散熱量較小的空間。在通信機(jī)房同步承載無(wú)線和有線設(shè)備的情況下，風(fēng)冷散熱技術(shù)的應(yīng)對(duì)方式是增加空調(diào)數(shù)量以提高制冷量。因通信機(jī)房的面積主要為20～50 m2，空調(diào)數(shù)量增加會(huì)占用更多的平面布置空間，減少有效裝機(jī)面積，對(duì)于租金逐步上升的城市空間而言，既減少機(jī)房利用率，又增加機(jī)房實(shí)際成本。采用風(fēng)冷散熱技術(shù)在散熱量較大的空間中已難以發(fā)揮傳統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，新建數(shù)據(jù)中心開始采用液冷技術(shù)以提高散熱效率。但數(shù)據(jù)中心可采用冷卻塔等液冷模式，施工建設(shè)成本較高，難以直接應(yīng)用于通信機(jī)房。因此，在通信機(jī)房承載設(shè)備功耗密度逐步向數(shù)據(jù)中心接近的趨勢(shì)下，探討適合于通信機(jī)房的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；豪渖峒夹g(shù)，具有廣泛的適用性和創(chuàng)新的前瞻性。

2 目前機(jī)房的主流散熱技術(shù)

目前機(jī)房的主流散熱技術(shù)是風(fēng)冷散熱，即通過(guò)設(shè)備將熱量帶至空氣中，在機(jī)房配套環(huán)境中進(jìn)行空氣換熱，通過(guò)風(fēng)冷型空調(diào)在機(jī)房配套環(huán)境中實(shí)現(xiàn)熱交換，將室內(nèi)熱量排至室外。在實(shí)踐過(guò)程中，雖然已重視進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的設(shè)計(jì)，通過(guò)風(fēng)道效應(yīng)，提高機(jī)房散熱效率。但風(fēng)冷散熱具有熱交換效率不高的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）風(fēng)道附近熱交換效率較高、設(shè)備附近熱交換效率較低。實(shí)際機(jī)房建設(shè)過(guò)程中風(fēng)道難以完全循機(jī)架方向布置，風(fēng)道附近配套散熱效果好，容易導(dǎo)致部分設(shè)備密集處散熱效果較差。

（2）風(fēng)道難以完全順著機(jī)架間空間，難以實(shí)現(xiàn)配套環(huán)境有效降溫。風(fēng)冷型空調(diào)是以機(jī)房總體制冷量為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)和配置，但未考慮到制冷的均衡性和針對(duì)性。

（3）機(jī)房?jī)?nèi)部各種類型設(shè)備散熱具有風(fēng)向、熱量等差異，風(fēng)冷空調(diào)難以實(shí)現(xiàn)熱集中地區(qū)的散熱需求，易導(dǎo)致設(shè)備過(guò)熱停止運(yùn)行。

3 液冷技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

液冷技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用主要包括配套端和設(shè)備端兩部分。其中，配套端包括冷卻系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)指通過(guò)冷卻液流速和溫度的動(dòng)態(tài)控制，將配套傳導(dǎo)的熱量傳遞到冷卻液并帶出數(shù)據(jù)中心，將升溫后的冷卻液與室外空氣進(jìn)行熱交換，根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)蒸發(fā)或自然冷卻的方式將冷卻液降溫，再帶至數(shù)據(jù)中心內(nèi)部開始循環(huán)降溫。但實(shí)際情況中，因冷卻液系統(tǒng)的路由長(zhǎng)度較長(zhǎng)，且部分?jǐn)?shù)據(jù)中心所處地域的氣候可能溫度較高，升溫后的冷卻液降溫過(guò)程需結(jié)合人工冷卻等模式，對(duì)數(shù)據(jù)中心的能耗指標(biāo)（PUE值）影響則較大。全套液冷系統(tǒng)配置監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)全流程進(jìn)行集中管理。設(shè)備端包括冷卻系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)多為浸入式液冷系統(tǒng)，通過(guò)冷卻液與設(shè)備的充分接觸，利用液體比熱容進(jìn)行散熱。散熱系統(tǒng)則指設(shè)備冷卻系統(tǒng)與配套冷卻系統(tǒng)間的熱交換系統(tǒng)。設(shè)備端冷卻系統(tǒng)包括全浸入式、局部浸入式和設(shè)備外圍冷卻系統(tǒng)，分別對(duì)應(yīng)差異化的設(shè)備安裝模式。

4 液冷技術(shù)在通信機(jī)房的效率評(píng)估

4.1 能耗評(píng)估

對(duì)通信機(jī)房的能耗評(píng)估主要參照PUE值，其計(jì)算公式如下：

PUE=（P1+P2+P3+P4）/P1

其中，P1為設(shè)備總功耗，P2為配套總功耗（配套總功耗包括外電引入、照明系統(tǒng)等功耗），P3為制冷總功耗，P4為建筑結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷功耗。

根據(jù)當(dāng)前通信機(jī)房的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)備總功耗將根據(jù)機(jī)房所承載的設(shè)備類型和數(shù)量進(jìn)行變化，配套總功耗在外單容量和配套配置保持不變的情況下較為穩(wěn)定，制冷總功耗則根據(jù)散熱模式和散熱效率具有一定的可變性。因此，在設(shè)備總功耗保持不變的情況下，配套總功耗較為穩(wěn)定，降低能耗的主要模式是降低制冷總功耗。

（1）風(fēng)冷情景

在采取風(fēng)冷散熱模式的情況下，風(fēng)冷型空調(diào)按制冷量進(jìn)行計(jì)算。

Q=K*（P1*T+P4）

其中，Q為機(jī)房總冷負(fù)荷需求量，K為分區(qū)域制冷系數(shù)（各地區(qū)為固定值，如廣東地區(qū)取值為1.1），T為開關(guān)電源熱效率補(bǔ)償系數(shù)（一般取1.06）。

P4=A*Z

其中，A為機(jī)房面積，Z為單位面積熱負(fù)荷（一般取150 W/m2）。

根據(jù)目前通信機(jī)房的設(shè)備配置情況，按平均面積30平方米、平均配置BBU6-12組及相應(yīng)OLT等傳輸設(shè)備進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)測(cè)算，P1=12-20 kW，P4=0.45 kW，Q=18.95-23.82 kW。

按照每臺(tái)3P空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)制冷量7.2 kW計(jì)算，至少需3-4臺(tái)空調(diào)以保障現(xiàn)場(chǎng)使用需求。根據(jù)通信機(jī)房建設(shè)指導(dǎo)規(guī)范，實(shí)際風(fēng)冷型空調(diào)需按N+1進(jìn)行配置，即需考慮冗余情況，單個(gè)通信機(jī)房需配置4～5臺(tái)空調(diào)以供制冷。

（2）液冷場(chǎng)景

因水冷場(chǎng)景需根據(jù)實(shí)際所處地域氣象區(qū)采用差異化處理模式。當(dāng)機(jī)房處于貴州等寒冷地區(qū)，自然蒸發(fā)換熱已能滿足主要液冷散熱需求，不需新增戶外液冷換熱設(shè)備 。液冷通道使用液冷型熱管將高熱流密度設(shè)備發(fā)熱量導(dǎo)出至設(shè)備外并進(jìn)入水冷板，通過(guò)環(huán)路水循環(huán)將此部分熱量排至大氣環(huán)境，即不需另外配置壓縮機(jī)并精準(zhǔn)消除熱量。當(dāng)機(jī)房處于廣東等地，自然蒸發(fā)換熱無(wú)法完全滿足主要液冷散熱需求，則需提高熱管導(dǎo)熱性能，并結(jié)合雙面微流道水冷板，形成低熱阻液冷熱管散熱器，確保循環(huán)無(wú)污染。因此在理想狀態(tài)下，對(duì)部分地域而言，液冷散熱不需產(chǎn)生制冷能耗，這也是液冷散熱的研究和努力方向，是能耗比例降低的核心模式。

4.2 空間利用率評(píng)估

（1）風(fēng)冷場(chǎng)景

風(fēng)冷場(chǎng)景下，單個(gè)通信機(jī)房需配置4～5臺(tái)空調(diào)。按每臺(tái)空調(diào)約800*600（單位：mm）的占地面積計(jì)算，4～5臺(tái)空調(diào)的凈占地面積達(dá)到2～2.5 m2。同時(shí)空調(diào)周邊需預(yù)留操作空間，且空調(diào)風(fēng)道要求空調(diào)不能密集布置，需配置經(jīng)占地面積的1倍作為配套空間，即單個(gè)通信機(jī)房30平方米則需配置4～5m2作為制冷空間。按照國(guó)內(nèi)一線城市平均2 000元/m2*月的租金標(biāo)準(zhǔn)，單個(gè)通信機(jī)房用于空調(diào)配置的年租金則達(dá)到0.8～1萬(wàn)元，對(duì)通信機(jī)房帶來(lái)沉重的租金成本負(fù)擔(dān)。

（2）液冷場(chǎng)景

液冷包括板冷和浸入式液冷兩種類型。板冷方式的重點(diǎn)為對(duì)通信機(jī)房配套降溫，即將設(shè)備的熱量引導(dǎo)至配套環(huán)境后在配套中進(jìn)行散熱。液冷管線和板件可通過(guò)墻面走線、天花走線和地下走線等模式安裝，極大地降低空調(diào)制冷的空間需求。浸入式液冷的性質(zhì)是通過(guò)設(shè)備端直接散熱，不將設(shè)備熱量引入配套環(huán)境，不需對(duì)配套環(huán)境進(jìn)行降溫。同時(shí)液冷可采取蒸發(fā)冷卻模式，無(wú)散熱器等配件，容易回收，無(wú)噪聲，但冷卻介質(zhì)重量重、成本高、因需與空氣隔離需考慮密封和設(shè)計(jì)架構(gòu)。在理想情況下，液冷不需占據(jù)地面空間。

4.3 成本評(píng)估

（1）風(fēng)冷場(chǎng)景

風(fēng)冷場(chǎng)景的主要成本在于空調(diào)施工安裝費(fèi)用和平時(shí)圍護(hù)成本。按照單個(gè)空調(diào)3 000元的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，投資投入則需1.2～1.5萬(wàn)元。每臺(tái)空調(diào)平均每月用電1 584度電，按0.70元/度計(jì)算，平均每個(gè)機(jī)房每年需電費(fèi)5.3～6.7萬(wàn)元，即風(fēng)冷場(chǎng)景需一次性投資投入1.2～1.5萬(wàn)元，每年散熱電費(fèi)需5.3～6.7萬(wàn)元。

（2）液冷場(chǎng)景

液冷場(chǎng)景的主要成本在于液冷設(shè)施的安裝費(fèi)用和潛在產(chǎn)生的其他費(fèi)用。因采取液冷模式的差異，液冷設(shè)備的成本存在較大的差異。經(jīng)測(cè)算，液冷設(shè)施主要為管材安裝費(fèi)用低于空調(diào)采購(gòu)安裝費(fèi)用，且在氣候適宜地區(qū)不需散熱電費(fèi)。但雖然液冷不需單獨(dú)配置冷機(jī)制冷，不需末端空調(diào)和設(shè)備風(fēng)扇，根據(jù)液冷模式差異需增加部分承重需求。對(duì)非底層通信機(jī)房而言，需適度考慮結(jié)構(gòu)加固的費(fèi)用。

5 液冷技術(shù)在通信機(jī)房的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)?；\(yùn)用前景

通信機(jī)房液冷技術(shù)應(yīng)用具有能耗、空間利用率和成本三方面優(yōu)勢(shì)。在目前通信機(jī)房需求量大規(guī)模增加的背景下，可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)通信機(jī)房的精細(xì)化管理效率需求也將同步提高。因此規(guī)模化對(duì)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用具有重要的支撐作用，在設(shè)計(jì)整套液冷技術(shù)裝置后，可在大規(guī)模通信機(jī)房進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施，大幅度提高制冷配置效率，提高機(jī)房建設(shè)效率。通信機(jī)房的本質(zhì)是將電力轉(zhuǎn)化為算力，服務(wù)于具體業(yè)務(wù)需求。在當(dāng)前社會(huì)發(fā)展需求的影響下，通信機(jī)房的數(shù)量將呈現(xiàn)大規(guī)模增加的趨勢(shì)。為應(yīng)對(duì)通信機(jī)房的租金和電費(fèi)等成本的增加趨勢(shì)，通信機(jī)房需提升機(jī)房?jī)?nèi)部使用效率，降低相應(yīng)建設(shè)和運(yùn)維成本。在相應(yīng)成本中，制冷成本的降低空間較大，可通過(guò)轉(zhuǎn)變制冷方式的模式實(shí)現(xiàn)能耗和成本大幅度降低和空間利用率大幅度提高，推動(dòng)通信機(jī)房精細(xì)化管理發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)分析目前機(jī)房的主流散熱技術(shù)和液冷技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用情況，從能耗、空間利用率和成本三個(gè)角度評(píng)估液冷技術(shù)在通信機(jī)房的效率作用，研判標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)?；l(fā)展趨勢(shì)，有助于降低通信機(jī)房的建維成本，從點(diǎn)至面提升電力轉(zhuǎn)化為算力的效率。