Telecom Power Technology
空调及杋房环境
BBU堆叠机柜散热方案的研究
郑骏文，宋嘉皓
（中国移动通信集团设计院有限公司浙江分公司，浙江
堆叠机柜面临的局部高温问题，文中分析了多种机柜散热解决思路，并对目前工
程应用中采用的典型改造方案进行研究和对比分析。通过改造条件、方案经济性、散热效果及空调能效比等维度来
堆叠部署的散热方案选取提出指导意见和参考思路。
堆叠部署；散热方案；空调能耗
Research on the Cooling Scheme of BBU Stack Cabinet In CRAN
Telecommunication Room
ZHENG Jun-Wen，SONG Jia-Hao
Zhejiang Branch of China Mobile Group Design Institute Co.
temperature problems faced
this paper analyzes a variety of cabinet heat dissipation solutions
currently used in engineering
 2020年9月第37卷增刊1
Telecom Power Technology
Ｓｅｐ．　２０２０，Ｖｏｌ．　３７　Ｎｏ．　Ｓ１　
郑骏文，等：关于CRAN 机房BBU
堆叠机柜散热方案的研究
下降明显，导致远端设备的散热问题无法很好解决，容易引起局部热点问题。
（3）机房没有合理的冷热风道设置及合理的气流组织疏导，整个区域冷热气流混杂，制冷效率不高。1.2 BBU 堆叠机柜散热分析
目前，华为、中兴等主流厂商基于BBU 设备安装和维护的考虑，采用了“侧进侧出”的通风方式，机柜侧板与BBU 之间的间距偏小，同时，大量的尾纤和电源线分布与BBU 前侧及左右两侧，造成左右两侧进风和出风风量不足，没法形成有效的气流组织，严重影响散热效率。BBU 水平及垂直方向热风回流示意图如图1所示。
当BBU 集中部署时，单机柜平均运行功耗可达3～5 kW ，甚至更高，柜内温度过高，缺乏有效的解决手段，极易引起局部热点问题，给设备正常运行带来巨大的风险。
局部区域存在冷热混流
垂直方向存在热风回流
后门
BBU
进风侧
出风侧
机柜附件区域整体过热
图1 BBU 水平及垂直方向热风回流示意图
总体来说，由于目前“侧进侧出”的BBU 进出
风方式存在局部区域冷热混流、水平方向热风回流、垂直方向热风回流等气流组织未完全隔离的问题，BBU 堆叠机柜的散热无法有效解决，高热量和高能耗的两大问题日益凸显。且由于热空气往上流动的特性，BBU 堆叠机柜存在机柜后侧温度随高度逐步上升的分布规律，对上层设备造成更大的风险。BBU 堆叠单机柜热量分布示意图如图2所示。
单个BBU
5个BBU
3个BBU
Teaperture（degC）
60
51.2
42.433.624.816
10个BBU
图2 BBU 堆叠单机柜热量分布示意图
主设备厂家也逐渐意识到此项问题，在BBU 设备下方配置了1U 的导风隔板，对前侧进风进行简单的引导至设备进风口。该方法虽然做到了简单的冷热风道分隔，具有一定的效果，但是无法解决垂直方向热风回流问题，所以不能做到完全的冷热风道隔离。
机柜散热能力无法匹配BBU 堆叠的散热要求，单机柜BBU 堆叠的数量受到限制，从而导致机柜的装机率低下，机房空间资源造成较大的浪费。1.3 BBU 堆叠机柜散热解决思路
为了解决BBU 堆叠机柜的散热问题，需要从增加机房空调配置、增加风道隔离装置、改变BBU 安装方式、增加风扇配置、配置柜级空调等方面进行考虑。
（1）增加空调配置。传统的改造方案需要增加机房空调的配置，以满足整体机房的制冷需求。对于局部机柜热点问题，在增加机房空调配置的同时，空调需要更低的送风温度和更大的送风量。增加空调配置对于BBU 堆叠机柜的散热情况改善效果并不是特别明显。
（2）增加风道隔离装置。为了彻底解决机柜冷热风道混乱和普通导风板隔离效果不明显的问题，可以通过定制机柜的方法将冷热风道完全隔离，对于“左进右出”或者是“右进左出”的BBU 进出风方式，采用灵活的隔离装置可以现场调整，做到更好的适配性。
（3）改变BBU 安装方式。目前机房BBU 一直沿用水平安装的布局方式，水平安装的好处是安装维护操作，且方便安装走线槽进行大量尾纤的走线。但是，BBU 水平安装导致机柜侧板与BBU 之间的间距偏小，造成左右两侧进风和出风风量不足，难以形成有效的气流组织，影响散热效率。
将BBU 竖装，可以利用“热空气向上流动、冷空气向下流动”的热力学原理，在垂直方向形成下送风上出风的冷热风道隔离，有着一定的散热优势。
（4）增加风扇配置。对机柜散热影响加大的另一个重要影响因素是空气流动速度，送回风风速的提升可以加快冷热交换速度，也可以减少热量的积累，缓解热量堆积造成的高温现象。通常的做法是在机柜后侧BBU 设备出风侧增加直流风扇，增加排风风量
的同时也会增加进风的风量。
（5）增加柜门空调、模块化空调配置。上面的解决措施，设备热量直接在机房内部进行热交换，对机房空调的整体能效并不能带来本质上的提升。增加柜门及模块化空调可以实现局部精确制冷，并且实现热量通过空调外机进行交换，将机柜内部的发热量直接交换至室外，实现高效的热交换，大幅提升原有机房空调的能效比。
2 BBU 堆叠机柜散热典型改造方案
基于上述解决思路，结合实际5G 工程的试点改造应用情况，通过几种典型改造方案的原理及效果分
Telecom Power Technology
析，为类似场景下机柜散热问题的解决提供实际工程
的方式，竖装BBU可以利用热空气自下而上的动力学原理，并且通过垂直方向的冷热风道隔离，有助于解决堆叠机柜的散热
散热子框根据机架的特点采用五合一机框设计，可整体嵌入标准综合柜中，子框的适配性较好。子框下方进风口配置可调节的导风件，提高设备进风量，子框上方出风口可配置风扇组件，增加
BBU竖装散
竖装嵌入安装在散热子框中，将侧进侧出的进出风方式调整为下进上出的进出风方式，改变了气流组织。集中气流于下侧进风口，避免过多的气对风道进行隔离，若散热子框未满配则增加挡板进行相应位置的封堵，保证冷量完全经过
做到充分的热交换。
1#
BBU
2#
BBU
3#
BBU
4#
BBU
5#
BBU BBU
出风
走线空间
进风空间
进
风
图3 BBU竖装散热子框及其气流组织示意图
2.2 BBU堆叠专用机柜（整体风道隔离）
整体风道隔离的BBU堆叠专用机柜，采用800×800 mm的外形尺寸，拓展了原有600×600 mm 机柜存在的机柜侧板与BBU之间的间距偏小，造成左右两侧进风和出风风量不足的问题。机柜配置前进风风扇和后排风风扇，并利用挡风板进行冷热风道隔离，如图4所示。
顶部封板
机柜框架
19支架
右密闭板
前网孔门
底部封板
挡风板
挡风板BBU
左进右出风
冷气进风
冷气进风
热气出风
进风风扇*N
竖向均匀排布
出风风扇*N
竖向均匀排布
风扇
风扇
BBU
后密封门
左密闭板
图4 BBU堆叠专用机柜（整体风道隔离）结构及其原理示意图
模块化机房解决方案
本方案通过增加机柜尺寸，安装前后进出风风扇的措施实现整体风道的隔离和风量的提升，能够较好地解决BBU堆叠的热量堆积问题。同时，风扇的位置可以根据BBU设备进出风的方向进行灵活调整，很好地适配“侧进侧出”进出风方式的BBU。
BBU堆叠专用机柜（单个BBU风道隔离）
单个BBU风道隔离的专用堆叠机柜采用独特的设计，将BBU整体内嵌于4U的导风装置，将单个BBU进出风进行冷热风道完全隔离，前进风截面相比于普通1U导风槽拓展为2U进风截面。机柜尺寸600×600×2000 mm，与机房普通综合柜的尺寸相同，保持了机柜部署的一致性。机柜正面与侧面完全封闭，且预留了更多的走线空间，方便正面走线和后期维护，如图5所示。
本方案中的BBU堆叠专用机柜整体布局简洁，机柜前后柜门开孔率明显高于普通综合柜，机柜安装灵活，在满足6~8个BBU堆叠安装局部散热要求的同时还考虑了波分设备、ODF尾纤盒以及直流分配单元的统一安装部署，较好地满足了BBU堆叠部署的多方面要求。
图5 BBU堆叠专用机柜（单个BBU风道隔离）结构及现场安装图
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堆叠机柜散热方案的研究
2.4 柜级空调制冷方案
考虑局部热量的交换效率以及机房的整体能效情况，运用柜机空调解决BBU 堆叠机柜高温问题属于较为理想的方案。柜级空调制冷方案类似于数据中心对高功耗单机柜采用封闭冷通道、列间空调等措施，通过将冷量高效送至热源端或者尽量接近热源端的方式来满足高功耗机柜的散热需求。同时，应用柜门空调实现精确制冷后，还可以适当提高机房原有空调设
置温度，提升空调能效。
柜级空调制冷方案主要分为两大类：一种是配置模块化空调安装在机柜下方，机架空调冷风上吹，形成垂直方向的冷热气流交换；另一种是配置柜门空调，形成水平方向的冷热气流交换。柜级空调均需配置室外机，采用该方案时需考虑管道路由及室外机的安装空间和位置，如图6所示。
热管柜门
多运行模式：
模式1：炎热月份压缩制冷模式2：过渡月份混合制冷摸式3：低温月份热管换热模式4：市电中断应急换热
置于室内
管路连接
室外机
置于室外
柜门
设备空间
柜内热量
环境冷量
送风口
回风口
柜体
图6 热管柜门空调制冷原理图表1 机柜局部热点典型解决方案对比表
序号机柜局部热点典型解决方案改造满足条件改造成本散热效果空调能效比单机柜BBU 建议堆叠数量
1增加机房空调配置——室内及室外机安装空间一般较差低2~3个2BBU 竖装散热子框——综合柜20 U 空间较低一般低4~5个3BBU 堆叠专用机柜整体风道隔离800*800 mm 机柜位一般较好低6~8个4单个BBU 风道隔离
600*600 mm 机柜位一般较好低6~8个5柜级空调制冷方案
压缩机制冷机架空调安装空间较高好高8~10个6
热管柜门
柜门空调安装空间
较高
好
高
8~10个
普通的柜级制冷空调采用压缩机制冷方式，无法做到自然冷源的利用，本方案采用的热管柜门空调是针对此类场景的理想解决方案。通过压缩机与热管换热互补的制冷方式，可以实现炎热月份压缩制冷、过渡月份混合制冷、低温月份热管换热的工作 模式。
同时，使用直流风机当市电中断时通过蓄电池供电，制冷模式切换为散热模式，高风量运行将柜内热量排出柜外，可以实现市电中断应急换热，保障设备高可靠运行。
3 典型改造方案对比
通过上述典型改造方案的研究分析，基本熟悉了目前5G 工程应用中针对BBU 堆叠场景局部高温问题的解决方案和应对策略。表1将从改造便利性、改造成本、散热效果、机房能效等角度进行对比。
通过上述对比可知，传统的增加机房空调的方案无法有效解决机柜局部高温问题，采用BBU 竖装散热子框及BBU 堆叠专用机柜的改造方式可以获得较好的散热效果，但是热量依旧存在于机房内部，无
法提升空调的能效比。而采用柜机空调制冷方案可以获得很好的散热效果，并且将高热机柜中的热量直接交换至室外，空调能效比大幅提升。同时，如果采用柜门热管空调等节能模式，可以利用自然冷源，节能性更佳，是此类单机柜高密度堆叠场景长远的解决措施。
4 结论及建议
5G CRAN 建设模式下，CRAN 机房BBU 堆叠机柜散热功耗大，局部高温问题严重，对其制冷方案提出了更高的要求。为解决堆叠机柜的局部热点问题，通过分析目前实际工程中典型的改造方案可知，采用竖装BBU 散热子框、BBU 堆叠专用机柜以及柜级空调制冷方案可以较为有效解决高热机柜的局部热点问题，并且可以提升单机柜BBU 的堆叠数量，提高机柜的利用率。
当然，机柜的良好散热能力也离不开机柜位置合理布局靠近冷源、提高柜门开孔率增加进风量等基本的措施，在实际工程中需要考虑机房的现有条件，综合选择合适的机柜散热解决方案。