传统机房气流组织优化实践

邢晓晔，陈翰功，张 旭

（中国移动通信集团北京有限公司，北京 100027）

0 引 言

世界经济高度发展，我国现代化进程逐步推进，通信网络进入每个人的生活，通信行业所带来的能源消耗问题也进入人们的视野[1]。能源气候问题作为当今人类面临的重大挑战，积极应对能源问题是我国实现可持续发展的内在要求。2021年政府工作报告指出要在2030年前碳排放达峰，中国将以实际行动作出贡献。

随着网络云化和5G技术的快速发展，网络设备功耗提升，而制冷设计还停留在低功耗时代，造成机房能耗利用率低下，热岛效应普遍出现的情况。对于老牌运营商企业，现有的核心机楼中存在大量传统机房，普遍具有气流组织较为混乱的特点，冷热通道不隔离，冷热混风导致空调制冷效率不高，使得额外消耗的电力资源较多。因此，对此类存量传统机房的节能改造探索迫在眉睫[2]。

本研究对一典型传统机房进行气流组织优化改造，旨在通过冷通道封闭优化机房内气流组织，并同步实现更细颗粒度的区域门禁和安防管理，帮助运维人员实现远程实时环境监控和U位级资产监控，降低运维工作量，提高运维工作效率，为其他传统机房的节能改造工作提供参考。

1 典型传统机房改造方案

1.1 改造前机房基本情况

本次改造选用的机房采用开放式制冷架构,即采用房间级精密空调通过通风地板下送风至每列机柜的前门处进行设备制冷，冷热风混合，制冷效率低下。

同时，该机房在精细化管理方面也不够完善，比如对机房内部不同区域的准入授权、消防和漏水状态的监控，对不同机柜的温湿度监控及柜门开关状态的监控，都无法做到准确和精细的监控，安全上留有一定的监控死角[3]。

1.2 改造目标

本次节能改造的项目及目标见表1。

表1 节能改造目标表

1.3 冷通道封闭改造方案

将对置的两排机柜通道端门和天窗进行封闭，将空调的冷量保留在封闭区域，形成冷池供给柜内IT设备制冷，提高空调制冷效率。

1.3.1 端门

通道端门采用平开玻璃门，支持端门屏幕密码、刷卡器刷卡进行权限审核后手动打开门。

端门内侧还装有出门按钮和应急按钮，前者用于正常出门使用，后者用于门禁系统故障后的紧急开门，为一次性使用。

端门内外装有灯控开关，可以控制通道内的LED灯。

一侧端门外立柱装有天窗紧急按钮，供通道内出现紧急情况时手动打开天窗供消防灭火气体喷入使用，也可以作为日常消防跳窗开启测试使用。

一侧端门外顶部还装有一个声光告警器，以便通道内出现火灾等极端状况时，可以迅速进行告警。

一侧端门安装有一块12英寸显示屏，除可以输入密码控制端门开启和启停端门微波感应功能外，还可以实时查看通道及机柜内的微环境状态和机柜内的资产信息。

1.3.2 通道

通道上配置有设备天窗、消防天窗、固定天窗等3种天窗类型，并使用两侧的抬高组件安装固定于对向的两排机柜前端顶部。其中设备天窗用于安装通道内的监控设备，如温湿度传感器、烟雾传感器、摄像头等，如图1所示；消防天窗用于通道内起火时的紧急开启，便于通道外顶部的灭火气体喷入通道内；固定天窗主要用于在天窗顶部高度不足时使用[4]。

图1 通道内设备示意图

在本次改造中，需要在部分位置采用固定天窗并降低两端抬高组件高度以避让部分位置较低的走线架，整个封闭通道会形成一个异形通道。在通道顶部，每两个天窗之间的结构件下安装一根1 m长的LED灯，通过端门灯控开关控制，提供通道内部照明。在通道底部两侧，安装一组水浸探测器+非定位的水浸探测绳，检测通道漏水情况。

1.3.3 机房地板改造

改造区域冷通道内的7块通风地板仍使用，并将靠墙一侧的热通道有6块通风地板移至冷通道内替换原有的普通地板，将被替换的普通地板移至热通道，使冷通道内的通风地板数量倍增，大大提高了冷通道内的通风量，从而进一步改善通道制冷效果。

1.4 精细化管理改造方案

1.4.1 机柜微环境监控改造

每台机柜内均在前门安装2个温湿度传感器以实现机柜级温湿度探测，在前后门内侧的门梁上各安装1个门磁传感器实时检测柜门开关状态。机柜内底部无机柜底板，机柜底部与地下空调送风静压箱相通，影响冷通道冷池制冷效果，需要进行封堵。机柜具体安装设备如图2所示。

图2 柜内设备安装图

机柜内在IT设备安装空间顶部占用1U安装EMS300-E监控主机或E80扩展模块，其中每列机柜各选择一台机柜安装EMS300-E微环境监控主机，本机柜内的温湿度传感器和门磁传感器均接入到EMS300-E主机。其余机柜每台都安装1台E80扩展模块，所有机柜将其温湿度传感器和门磁传感器接入到本柜内的E80中。E80控制模块则通过手拉手成环的方式连接到本列机柜的EMS300-E监控主机。

1.4.2 机柜U位资产管理改造

每台机柜内需在柜门或前立柱位置安装资产定位条以实现机柜U位资产管理功能。由于各机柜均为42U标准机柜，因此单台机柜需要安装7条设备定位条（单条对应6U），资产定位条串接后接入到E80扩展模块中，以实现资产条的每一个标签粘贴位置与机架U位的一一对应。资产定位条安装位置详见“柜内设备安装图”。

资产条安装完成后，对机柜内设备前部位置通过强力不干胶粘贴U位电子标签，电子标签另一端通过磁吸方式连接到资产定位条上的对应U位，从而实现设备—电子标签—电子ID—机架U位的一一对应。

U位资产管理系统涵盖了设备从入库、使用至报废等全生命周期信息的管理，配合IT设备定位，可以方便地查找设备、查询设备信息，进行维保提醒，以及对低值易耗品进行管理[5]。

2 改造效果分析

2.1 外观提升

改造整体完成后，该通道的外观效果有了较大的变化，首先将原有不同样式和外观的机柜封闭在一个通道内部，从外部来看机柜差异较小。从外部看通道内部，由于通道端门的分隔，显得较为简洁；从通道内看顶部，由于加了天窗隔开了机房顶部较为混乱的走线系统，因此整体也比较规整。而对于机柜内部，所有空余位置均增加了盲板遮挡，使冷量可以更好地用在给设备降热上面。另外，通道内部原来布放散乱的通风地板，本次也重新进行了更换和排布调整，既提升了通风量，也显得更为有序，具体如图3所示。

图3 改造前后机房实景

2.2 温度降低

2.2.1 冷通道降温

冷通道于2021年3月6日完成搭建工作，3月6日起冷通道正式运行。3月6日至3月22日，冷通道试运行期间，通道内机柜温度有明显下降，具体如图4所示。3月22日至3月30日，冷通道停止运行，打开通道端门及天窗，恢复至冷通道安装之前的环境状态，通道内机柜温度明显上升，温度变化由图4所示。冷通道封闭后，温度基本稳定在前门21 ℃、后门22 ℃。冷通道前后门打开、天窗打开后，温度基本稳定在前门24 ℃、后门25 ℃。冷通道可以有效降低环境温度3 ℃左右。

图4 后台监控通道温度变化

由此确认冷通道可以有效地形成冷池供给柜内IT设备制冷，提高空调制冷效率。

2.2.2 机柜降温

随机抽取机柜查看机柜温度曲线，首先选择A13机柜，图5为A13柜内温度，从2021年3月6日正式运行，柜内温度有明显下降，可协助降低PUE，达到节能减排的效果。

图5 A13机柜内温度变化曲线

3月6日前，安装过程中试运行过一段时间，3月6日打开通道端门及通道天窗，温度上升至：前门30.86 ℃，后门36.37 ℃。3月6日至3月22日试运行期间，温度稳定在：前门24.46 ℃，后门29.04 ℃左右。该机柜的平均温度下降6℃左右。

为进一步验证柜内温度的降温效果，再次随机选择A4机柜进行温度曲线分析。图6为A4机柜的柜内温度，从3月6日正式运行开始，柜内温度有明显下降，可协助降低PUE，达到节能减排效果。

图6 A4机柜内温度变化曲线

3月6日前，安装过程中试运行过一段时间，3月6日打开通道端门及通道天窗，温度上升至：前门31.04 ℃，后门38.36 ℃。3月6日至3月22日试运行期间，温度稳定在：前门21.52 ℃，后门30.33 ℃左右。该机柜的平均温度下降10 ℃左右。

综上，封闭冷通道后，通道和机柜内的温度都呈现明显的下降趋势，表明封闭冷通道后，更为优化的气流组织对降低环境总体温度具有较好的作用。

2.3 监控管理提升

2.3.1 冷通道及机柜微环境

如图7所示，冷通道的总体监控可以显示冷通道及机柜布局、各机柜开门状态、通道告警状态（蓝色为正常）、机柜告警状态（红色为异常），显示冷通道的实时温湿度、各机柜前后门的实时温度、湿度和露点温度，并在超限时展示告警标识。

图7 冷通道总体监控

通过通道和机柜内的传感器及后台监控系统，实现了对机房内环境状态的远程监控和实时告警，节约了大量的人力投入，还提升了管理的及时性和有效性。

2.3.2 U位级IT资产管理

通过U位资产管理系统，可以实现对机房内IT设备位置的实时跟踪，建立电子台账，满足IT资产的全生命周期管理需求，有助于提高了机架的使用效率，提高单位产出，如图8所示。

图8 冷通道机柜空间容量监控

3 结 论

对运维工作来说，本次节能改造实现了以下功能：

（1）实时监控机柜和冷通道两级温度、湿度和烟雾等微环境状态；

（2）实时监控机柜和冷通道开门状态，避免常开门造成的安全风险；

（3）U位级精确定位设备物理位置，快速找到设备或空位；

（4）合理调整机架密度，辅助优化机房制冷效果；

（5）掌握设备生命周期状态，防止设备过保或成为“僵尸”设备。

对运维管理部门来说，本次节能改造达到了以下目的：

（1）提升设备运行可靠性，延长设备使用寿命，减少运维成本；

（2）提高资产盘点的效率和准确性，防止不必要的扩容和设备遗失；

（3）发现并剔除无用设备，降低能耗，提高机柜利用率，提升资产投资回报；

（4）规范管理流程，提高工作效率，减少人员成本。

因此，本次改造有助于提升运维效率、提高运维质量、辅助降低PUE，同时帮助提高管理便捷性、节约成本和费用、降低管理风险，为其他普遍性较高的传统的气流组织差的机房提供有效参考。