基于前进风前出风机柜的高效冷却系统_杨超.pdf

SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023ENERGY SAVING TECHNOLOGYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018收稿日期：2022-07-21作者简介：杨超（1979-09-），男，本科，高级工程师，研究方向为通信网络供电安全、机房制冷和节能减排基于前进风前出风机柜的高效冷却系统杨超中国电信股份有限公司徐州分公司摘要：通过分析前进风前出风机柜在空调冷却过程中存在的问题，提出将空调换热器部署到机柜前门板的高效冷却解决方案，介绍该冷却方案的原理、组成和特点，并结合实际应用案例分析运行效果。关键词：前进风前出风机柜；热管背板空调；机柜换热器；节能DOI:10.13770/ki.issn2095-705x.2023.04.015Efficient Cooling System Based on Forward Air OutletCabinetYANG ChaoChina Telecom Xuzhou BranchAbstract:By analyzing the problems existing in the air conditioner cooling process of the forward airoutlet cabinet,an efficient cooling solution is proposed to deploy the air conditioner heat exchanger tothe front door panel of the cabinet.The principle,composition,and characteristics of this cooling solu-tion are introduced,and the operation effect is analyzed based on practical application cases.Key words:Forward Air Outlet Cabinet;Heat Pipe Back Panel Air Conditioner;Cabinet Heat Exchang-er;Energy Saving488SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 04 期SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能ENERGY SAVING TECHNOLOGYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 08 期 ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术0 背景通信机房一般采用前进风后出风的设备机柜，该类型机柜上下左右封闭，前后相通，容易实现冷热气流隔离，但是由于使用习惯的原因，存在部分传输设备机柜采用前进风前出风的方式，该类型机柜上下左右及后侧均封闭，设备进风和出风都在机柜前侧，此类气流组织方式造成冷热气流在机柜内部短路，使设备排出的热风窜回到其它设备的进风口处，导致设备极易高温故障，必须加大空调制冷量同时降低设置温度才能满足设备运行要求，从而造成空调能耗显著增加，机房用电效能低下。随着传输设备单机柜功率密度的不断提升，停电后设备进风温度快速升高，机房环境温度保障难度增加，设备运行安全受到威胁，因此迫切需要一种针对前进风前出风机柜的高效制冷解决方案。1 前进风前出风机柜制冷解决方案比较目前针对前进风前出风机柜的冷却方案一般有三种：1)采用房间级空调制冷方案。在房间两侧部署精密机房空调，通过风帽、风管、地板等方式将冷风送到设备列间，此方案需要加大空调制冷量和设备列间送风量，同时降低空调制冷设置温度，否则难以满足设备运行要求。2)采用行间空调制冷方案。将行间空调部署到各机架之间使制冷更贴近热源，但是由于行间空调采用后回风前出风方式且空调尺寸与机柜不匹配，造成机房平面浪费和气流组织混乱的情况，此方案必须与设备安装同步施工，无法使用在存量设备。3)采用改造设备机架进回风通道方案。使用定制机柜替代设备原有机柜，将前进风前出风气流组织引导为前进风后出风的气流组织，提高空调换热效率，此方案必须与设备安装同步施工，且需要设备厂家同意改造，对于设备使用、维护、售后等存在一定风险，且对存量机柜无法应用。基于前进风前出风机柜的高效冷却系统将换热终端部署在机柜前面板，在机柜设备进风口和出风口处精准部署风机，使设备的进出风气流均流过换热器，实现强化换热和热气流冷却最短路径，最大程度降低冷热气流混合，提升冷却效果。该方案不需对原机柜进行改造，新建和存量机柜均适用，较好地解决了前进风前出风机柜的高效冷却难题。2 热管背板空调技术概述热管背板空调系统由制冷主机、冷却塔或风冷冷凝器、水泵、供回水管路、水氟换热器、热管背板末端换热器（包含外壳、风机、换热盘管、控制器）、管道、阀件、末端配电系统及自控系统等组成，其中制冷主机、冷却塔或风冷冷凝器、水泵、供回水管路用于制取冷冻水，水氟换热器利用冷冻水实现对热管制冷工质的冷凝，热管背板末端换热器用于冷却设备出风和机房环境。热管背板末端换热器采用热管原理，依靠自身内部工质相变来实现热量交换，工质的流动依靠制冷剂自身的压差、重力来实现，无需其它动力。热管背板的冷源可以采用冷冻水或者风冷。热管背板末端换热器安装在上下左右封闭的机架后门板，其与通信机架紧密结合。通信设备进风口处于机架前侧，出风口处于机架后侧，冷空气从设备进风口进入，热空气从机架后侧排出，排出的热空气经过背板末端换热器冷却后送到机架外面，从而保障环境温度符合机架进风要求，实现制冷降温。3 基于前进风前出风机柜的高效冷却系统概述基于前进风前出风机柜的高效冷却系统在热管背板空调系统基础上针对机柜末端换热器进行优化，适用于上下左右以及背面均封闭的机柜，通过将末端换热器部署在机柜前门板，有针对性地解决该类型机柜的制冷问题。3.1 系统原理针对前进风前出风机柜气流组织不畅以及局部热点问题突出的痛点，将机柜换热器部署到前进风前出风机柜的前面板，吸收机柜设备进风和出风基于前进风前出风机柜的高效冷却系统489SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023ENERGY SAVING TECHNOLOGYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018的热量，通过重力热管驱动将热量通过水氟换热单元（CDU）传导给冷冻水或其它媒介，最后通过冷源设备释放至外部环境。该系统重点对机柜换热器进行优化和改造，根据机柜内通信设备的进风口和出风口位置，在机柜换热器上精准部署进、排风机实现双向送风，强化传热并调节机柜内部冷热气流组织，解决冷热气流在机柜内部的短路问题，有效提升换热效率。前进风前出风机柜高效冷却系统组成示意图见图1。图1 前进风前出风机柜高效冷却系统组成示意图如图1所示，前进风前出风机柜高效冷却系统由机柜换热器、冷量分配单元（CDU）、冷源设备等组成。机柜换热器安装在机柜的前面板，液态制冷工质进入机柜换热器吸收设备排出的热量转变成气态制冷工质。冷源设备主要基于制冷循环原理，机柜换热器和冷源设备通过水氟换热单元（CDU）进行热量交换。3.2 机柜换热器设计前进风前出风机柜及机柜换热器的结构示意图见图2。由图2所示，前进风前出风机柜可安装两个或多个通信设备机框，上部机框进风口靠近下部机框出风口，造成机柜中部气流组织极其不合理，局部热点问题十分突出。针对这一痛点，在机柜前门板安装机柜换热器，在机框进风口和出风口对应位置精准部署进排风机，通过控制风机风向，达到双向送风的目的，同时在机柜中部、机柜与机柜换热器之间加装导风条，进一步改善局部气流组织，强化换热。运行过程中，机柜换热器内的制冷工质通过翅片式换热器将冷量直接输送至设备进风口和出风口处，对机框的进出空气同时进行冷却，极大地改善了设备运行环境和空调运行工况。机柜换热器具有监测显示单元，可实时监测制冷系统和机柜的各项运行参数，协助运维人员查看设备运行状态，图2 前进风前出风机柜及机柜换热器结构示意图490SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 04 期SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能ENERGY SAVING TECHNOLOGYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 08 期 ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术提高运维效率。为保障系统运行可靠性，机柜换热器可提供主备用方案，管路采用独立双回路，冷源侧可采用主备用制冷主机和供水回路，主备用设备自动切换。机柜换热器的风机采用不间断电源供电并接入动环监测系统，在市电停电时可有效保障机柜内部热量排出，提高系统可靠性和安全性。3.3 系统特点通过将双向送风的机柜换热器部署到机架进出风口，实现热气流的最短路径冷却，大幅提升冷却效果，有效改善通信设备运行环境温度，空调电能利用效率明显提升，具有安全、可靠、高效的特点。系统解决了前进风前出风机柜气流组织混乱和冷热气流短路问题，解决了房间级精密空调“先冷环境、后冷设备”带来的运行效率低的问题，以及热源与空调距离较远带来的局部高温问题。基于前进风前出风机柜的高效冷却系统具有如下特点：1)机柜换热器部署在机柜前门板，贴近热源，其与机柜的其它五个面构成相对密闭空间，换热效率高，节能效果明显。2)机柜换热器具有双向送风和控制功能，由一块换热器实现设备进风和出风冷却。3)依托机柜换热器进出风口位置的精准部署，将机柜内部转换为冷通道空间，使设备进风口处于冷通道内，解决机柜内部冷热气流短路循环问题。4)不需对机柜和设备进行改造，施工安装便捷，存量和新建机柜均适用，拓展了热管背板空调的应用场景。5)机柜换热器的风机在市电停电时能够不间断运行，保障热风的排出，避免机柜内部短时间内温度快速升高。6)当室外气温低于15 时，系统可以利用自然冷源替代制冷主机运行，大幅降低能耗。7)每个机柜内部均部署温度传感器，制冷主机和每台背板换热终端均接入动环监控系统。8)安全性和可靠性方面，系统利用温差和工质自然相变传热，无冷冻水进入机房，全显热换热，无冷凝水。4 应用测试分析4.1 应用场景和节电率测试方法某机房共16架设备，均采用前进风前出风机柜，机架背靠背、面对面安装，设备总功率40 kW，单机架最大功率 4 kW，最小功率 1.1 kW，平均功率2.5 kW。配置1台72 kW制冷量的房间级风冷精密空调，采用风管上送风，冷风送入机架之间通道。改造后，每个机架配置一块机柜换热器，共16块，每块额定制冷量5 kW，配置75 kW风冷冷冻水主机1台，60 kW水氟换热器2个。测试期间机房通信设备总功率保持恒定，能效测试过程共分两个阶段：第一阶段，测量原机房空调每日耗电量；第二阶段，测量改造后的系统每日耗电量。4.2 节电率分析节电率测试结果见表1。空调负载率=（围护结构传热量+通信设备发热量）/空调制冷量，围护结构传热量按照100 W/m2计算。节电率=(改造前空调用电量-改造后空调用电量)/改造前空调用电量100%=(349-239)/349100%=31.52%表1 改造前后空调用电量场景改造前改造后面积（）8080机架数（架）1616通信设备实测功率（kW）4040空调/主机数量（台）11空调总制冷量（kW）7275空调负载率66.67%64%送风方式风管上送风背板送风室外气温30.53124 h空调用电量（kWh）349239基于前进风前出风机