摘要：介绍了在通信机房内出现“热岛”现象后，如何科学有效地解决“热岛”问题，而又不增加新购空调的投资以及运行电费成本的应用，即采取“冷源优化”的措施。
关键词：热岛现象;节能改造;冷源优化送风
1背景介绍
通信运营商机房(非新建的IDC机房)内的设备对运行环境要求较为苛刻。为了满足设备运行的温、湿度要求，机房专用空调消耗了大量的电能。从总耗电统计数据显示，设备用电约占45%，空调用电约占45%，照明及其他用电的占10%。主设备的电能节约主要是依靠设备生产商应用新技术、提高工艺来完成，作为运营商来讲，可做文章的空间几乎没有;照明的电能节约，运营商已基本进行了LED灯管的更换、声控开关改造等;只有空调的电能节约工作大有文章可做，运营商可以选择新型节能空调、进行冷热通道分离、引入新风、精确送风、空调自适应等等方式进行节电。笔者以运营商通信机房节能改造、消除“热岛”现象为实例，详细论述了“空调冷源优化送风”的实际应用。
2案例分析
众所周知，传统通信机房的专用空调机组的运行方式是采用“先冷环境、再冷设备”的方式。但进入数据时代后，服务器的单位功耗、散热量都急剧上升，机柜的散热在相对于大的机房空间内不能立即形成有效的冷热循环，造成局部热量聚集，形成“热岛现象”。而在此情况下，传统的制冷方式即使将环境温度降到17℃也不能消除局部热点的现象，而且还浪费了大量的电能。鉴于以上原因，我们采用“先冷设备、再冷环境”的工作方式，根据不同机柜发热量的需求，采用封闭冷气流的方式，实现根据机架发热“按需分配冷量”的可变风量的精确送风，既实现机房冷量的合理分配、消除了机房“热岛”带来的安全隐患，又能大大地提高空调的利用率，节省了电能。
2.1机房基础信息
该机房总面积400m2、12列设备(背对背、头对头排列)、使用中央水冷机组制冷、送风方式为上送风。
2.1.1机房制冷系统现状。额定制冷量53.2kW的水冷机组终端6台;额定制冷量80kW的风冷1台;额定制冷量7.5kW的舒适性柜机空调1台。空调实际总冷量为：53.2*6+80*1+7.5*1=406.7kW。
2.1.2空调消耗的有功功率。水冷空调机组大约为53.2kW(以能效比6估算);精密空调实测功率为26.3kW(现场测量三相电流为47A，未加湿状态);舒适型空调有功功率3.60kW(视在功率4.092kW*功率因素0.88)。空调消耗有功功率83.1kW。
2.1.3机房主设备负荷(含建筑热负荷)。通信主设备110kW;照明用电2.76kW;建筑围护结构热负荷为40kW。以上合计152.76kW。
2.2从2个国际通用的关键指标来说明该机房存在的问题
2.2.1机房的空调总制冷量利用率偏低。目前冷源利用率为152.76/406.7*100%=37.56%，也就是说机房的空调总制冷量利用率偏低(一般不超过70%)。
2.2.2机房PUE值偏高，属于高耗能机房。根据PUE公式，可知PUE=机房设备总能耗/IT设备能耗=(83.1+152.76)/110=2.14，属于高能耗机房(传统机房一般不高于2，IDC机房不高于1.5)。
2.2.3机房存在严重的热岛区域。根据现场仪器勘测，第7列第01、02号机架为最热的两个机架。采用热成像仪扫描机柜温度：后侧最高温度43.9℃，平均温度32.8℃。如图1所示。由柜内PDU显示的电流计算该柜的功率约9.3kW，高出普通机柜满载负荷近1倍(通常机柜满载约4kW～5kW，通常为2kW～3kW)。
2.2.4产生热岛的原因分析。机房送风方式为风管上送风，6台冷水机组终端均接入静压箱，再通过10条主送风管道延伸至设备列间，送风口高度为2.8m，设备柜高度为2m，空调送出的冷风首先与机柜顶部热空气混合来降低环境温度，功率较大的机柜明显出现热岛现象。水冷机组送风口平均温度为15.7℃，空调回风温度22℃。以上两者的送回风温差为22-15.7=6.3℃，造成送回风温差偏低的原因是制冷系统送出的冷风，没有充分与机柜散发的热量进行交换就回到了空调的回风口，造成回风温度偏低。根据制冷系统风管末端送风温度15.7℃，后侧的目标温度为30℃，则该机柜的前侧进风冷量至少需要约10kW，折合为送风量约：2000m/h。要满足机柜出风口与进风口的温度差要求≤15℃，机柜最小送风量按下式计算。Q=P/(Cp×ρ×Δt)m3/h如果不做任何的局部气流组织改善优化，纯靠机柜内服务器自身风扇的引流，已经不足以对机柜设备降温了。
2.2.5解决方案。依据“先冷设备、后冷环境”的制冷思路，第一要彻底解决机房当前的热岛问题，减少高温宕机隐患;第二要达到一定的节能目的;第三要考虑机房后期建设的扩容性。“优化冷源的气流组织”方案如下：①依托静压箱、风管系统、送风仓，将机房冷热气流进行隔离，将冷源直接送至机柜，提升冷源利用率。②针对超高密度机柜，定制气流组织优化装置，加强冷热气流热量交换，彻底消除局部过热隐患。③为机柜加装风量调节装置，根据机柜负荷情况，可手动/自动调节送风量，使冷量、热量交换达到最佳配比，实现“按需供冷”。如图2所示。图2系统示意
2.2.6系统组成。机房冷源优化系统由管道系统、送风装置及监测与控制系统组成。管道系统：静压箱、主风管、送风管、柔性风管、止回阀等。送风装置：风量调节阀、送风器与机架固定安装。监测与控制系统包括：机房空调控制系统、机房环境温湿度、机柜温度监控系统。在改造项目勘测设计前，为确保空调送风管道系统的设计能够满足设备供冷要求，需要针对机房空调、通信设备、走线架以及消防系统等对建筑内部空间进行测量，得出需要设计的送风管道系统进行3D仿真建模，将设计的送风管道加入到CFD仿真分析，利用前期采集的设备功率数据，结合仿真分析得出的机柜设计送风量，然后采用专业流体仿真分析软件FlowSimulation进行几百次迭代分析计算，可确保设计达到预定要求。如图3所示。
2.2.7机房剩余装机容量。改造后机房只采用6台水冷机组终端供冷。根据现场空调配置冷量和现有设备热量，冗余冷量=空调总冷量-(主设备功率110+照明功率2.76+建筑围护结构冷负荷40)*1.4=319.2-(110+2.76+40)*1.4=105.3kW(建议冷量与设备功率配比系数不应低于1.4)。机房剩余功率负荷=机房冗余冷量/配比系数=105.3/1.4=75.2kW机房剩余机架容量(按照600*1100*2000规格标准机架计算)：机房剩余功率负荷/单柜功率=75.2/3=25架(单独3kW)，75.2/5=15架(单独5kW)，75.2/9=7架(单独9kW)。通过精确送风技术改造后，设备环境改善明显，有效解决局部热岛问题，减少运行成本;空调制冷效率提高，机房装机容量提升，机房1台舒适性柜机空调、1台80kW精密空调均可下电。
3可供参考推广的经验
综上以上机房改造案例，我们对通信机房实施“冷源优化”的关键环节总结如下：①机房基础信息的收集，包括机房面积、总冷量、设备负荷、送风方式、热岛探测等。②对数据进行分析，例如空调冷量利用率、PUE值计算，综合判断机房的空调利用和能耗指标。③利用3D仿真建模和流量迭代测算，科学客观地计算改造前后的冷量需求，从而制定气流风道的改造方案。④按照冷量分配的建模结果，对机房空调和送风风道进行实体改造。运营商在现网机房中很多都存在这样的“热岛”现象，严重威胁设备的安全运行，同时也消耗大量的电能，加速空调的折旧。按照以上步骤，我们基本就可以对一个出现“热岛”的通信机房进行节能降耗的改造工作了。
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