2021年2月
集中机房局部散热问题研究
模块化机房建设方案周斌，于黎明，付斐，杨韬
（中国联通江苏省分公司，江苏南京210019）
【摘要】5G启动规模建设，运营商普遍采用C-RAN组网,BBU集中部署。由于5G BBU功耗较大，导致部分机房局部区域温度过高。本文从实际应用角度出发，对机房局部过热问题进行深入分析，从气流组织、机柜布局、设备布局、新型产品等方面提出解决方案，规范5G BBU规划、设计和安装。
【关键词】5G;BBU集中；局部散热；解决方案
【中图分类号】TN929【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2021）02-0001-02
1概述
5G网络需要支持多种业务和应用场景，包括增强移动宽带eMBB业务、超低时延uRLLC业务和海量连接mMTC业务。5G能力的实现，需要满足灵活的无线资源管理、空口协调、站点协作、边缘计算、增强网络
自动化管理的需求，因此5G网络普遍采用C-RAN方案，BBU集中部署。C-RAN方案满足实时功能与非实时资源的灵活部署、功能模块化、协同弹性化、RAN切片化的部署要求。
随着5G网络规模建设，BBU集中机房内的5G BBU规模快速扩大。受到机房条件的限制，大部分机柜内的BBU间距在1U以下，单机柜配置BBU数量大于10个。由于5G BBU 功耗较大，对机房散热要求更高，导致部分机房局部区域温度过高，长此以往将影响设备性能，缩短设备运行寿命。
2BBU机房空调配置规范
空调系统应充分考虑气流组织合理性，合理设置运行温度，最大限度发挥空调能力。根据BBU集中机房属性，汇聚机房空调按N+1配置，综合业务接入机房和普通BBU集中机房按N配置。
N=机房热负荷/单台空调标称制冷量×空调效率调整系数，向上取整。
其中：机房热负荷=设备热负荷+建筑热负荷；设备热负荷=设备功耗；建筑热负荷=建筑面积×0.1（kW）。
空调效率调整系数：考虑地区夏季室外温度、新风系统、空调效率降低等因素，考虑空调效率调整系数，一般取1.1~ 1.25；如不使用机房专用空调，取1.3~1.5。
以某20m2的综合业务接入机房举例：5G BBU为9台，功率为800W/台，传输设备为3台，功率为600W/台，空调效率调整系数取1.2。机房制冷量需求=（7.65+2）×1.2=11.58kW，按照3匹空调单台空调7.2kW制冷量测算，该综合业务机房需配置2台3匹空调。3局部温度过高原因分析
通过对X运营商5G BBU集中机房现场查勘，5G BBU主要采用横装方式，单机架安装BBU数量在10个以上。BBU间距在1U以下，部分BBU间无间隔。每个BBU安装5G基带板1~2块。通过温度计实测，机房温度在30℃以下，但BBU集中机柜内温度达到50℃左右，接近设备运行温度上限。
从查勘情况看，BBU集中机柜内温度过高的主要原因包括以下几个方面：
（1）5G BBU功率密度太大。5G BBU设备满配功率800W 左右，是4G的3~4倍，但设备尺寸与4G大小一样，导致5G BBU设备功率密度是4G的3~4倍。
（2）5G BBU满柜发热量大。5G仍沿用4G BBU安装规范，机柜满配时单机柜BBU数量通常在10台以上，机柜总发热量将达8~10kW，对机柜散热能力要求更高。
（3）气流组织不合理。5G BBU产品采用左进右出（或右进左出）气流组织，而机柜本身前后侧开孔，适合前进后出气流组织。
（4）机房布局不合理。部分BBU集中机房空间小、机柜多，影响空调通风，不利于BBU集中机柜散热；
部分并列安装的机柜侧板热量聚集，机柜间隔小，相互影响。
4局部散热解决方案
4.1优化机柜气流组织
4.1.1机柜间增加挡板避免相互影响
对于并排安装的两列BBU机架，机柜左右侧必须安装挡板，且左右侧挡板不能开孔，避免左侧机柜的出风口气流进入右侧机柜，造成右侧机柜进气口温度过高。
4.1.2BBU间安装导风板避免气流回流
BBU常规安装无导风板时，气流不可避免地会通过BBU 间的间隔空隙回流，提高BBU进风口温度，导致机柜内气温上升。在BBU中间加装导风板（1U空间）后，由于导风板的存
通信设计与应用1
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在避免了气流回流，可有效降低机柜内温度。
4.1.3BBU横装改为竖装
通过在19英寸标准机架内加装BBU竖装插框，可以将BBU由横装改为竖装，从而使BBU气流由从左到右（或从右到左）改为从下到上，实现冷热通道隔离。
采用竖装方式时，每个机柜可配置1~2个竖装插框，最多可安装5~10个BBU。竖装方式使气流从下向上，避免了机柜间互相干扰；机柜内通过矿体及导风板，可以实现冷热通道隔离，降低机柜内温度。
4.2优化机柜空间布局
BBU尽量采用共框方式放置，减少BBU数量。考虑共建共享因素，当BBU回传接口采用10GE光模块时，单BBU框最高配置2块基带板；BBU回传接口采用25GE光模块时，单BBU框最高配置3块基带板。
当BBU横装时，在机房条件较好、空间不受限的机房内，不安装导风板，单机柜安装BBU最大不超过5个，BBU安装间隔4U；当机房空间受限需要扩容时，在原预留的4U间隔内，利用中间2U安装BBU，并在上下安装导风板，单机柜安装BBU最大不超过9个，确保散热效果。
如果机房空间受限，5G BBU必须和3G/4G BBU共柜时，横装BBU总数量不大于9个，需分区域集中放置，5G BBU必须安装在3G/4G BBU上方，以减小对3G/4G BBU温度影响。
4.3优化机房设备布局
当机房内安装多排机柜时，建议机柜背对背安装，形成冷热风道，且两排机柜的距离不小于800mm；距墙最近的机柜侧面与墙的距离不小于800mm；空调出风口应吹向冷通道，避免向热通道吹冷风；BBU机柜的后方优选跳线架、墙等热不敏感设施。
机柜必须为前后风道，且前方留有800mm的维护通道；机柜前后门选装，如果安装前后门，则门的通风率大于50%。左侧挡板选装；机柜右侧挡板必须安装且选择无孔门，或将机柜间至少保持一个机柜的空间，避免热串联。机柜后部不支持靠墙安装，与墙的距离建议不小于800mm。
当机房中使用开放式机柜且较少时，可以考虑将BBU机柜横置于机柜一头，散热方向与整排机柜保持一致，解决左右进风BBU热风串联问题，同时提高散热效率。
4.4新型机柜散热方案
4.4.1新型一体化智能机柜
针对机柜散热难问题，可采用新型一体化智能机柜，在机柜下方配置有一台机柜式空调，由下向上送风对5G BBU集中机柜进行降温冷却，可有效控制机柜温度。缺点是这种机柜单机柜造价较高，批量部署将大幅增加5G投资，建议优先在机房空间有限、空调无法扩容、机柜温度超高、存在安全隐患的机房内使用。
4.4.2新型喷淋式液冷降温方案
喷淋式液冷降温的原理是5G BBU竖放时，利用竖放的板卡与板卡之间的缝隙，喷淋冷却液喷淋在电路板表面向下流，通过喷淋冷液实现BBU降温。
采用喷淋式液冷系统时，最佳BBU设备布局是采用2个竖装BBU机框、每个机框并排5个BBU插槽，共10台BBU 插槽。喷淋式液冷系统主要包括安全可靠的进液主管和分支管路、密封无漏BBU机框外壳、机柜底部有贴保温层的回液储液箱以及室内外冷却单元（如图1所示）。
对热负荷较高的BBU集中机柜而言，液冷散热的进出液体温差比风冷散热的进出空气温差小得多，因此在保证电路板元器件温度不超标前提下，可采用温度较高的冷却液体进设备（采用常温水冷却），无须机械制冷，极大节约机房能耗。
目前喷淋夜冷技术已经在数据中心批量使用，也通过严格的安全检测。但该技术在小型BBU机房部署成本较高，适合在大型数据中心或BBU模块局部署。
5结语
5G BBU集中机柜局部散热问题隐形影响5G设备寿命，传统的4G BBU集中部署方式并不能完全适用于5G。在5G BBU集中部署时必须要优先考虑BBU集中机柜散热问题，规范空调配置的同时，规划好机房
机柜空间布局，空间不足时可引入导风板、一体化智能机柜或喷淋式液冷机柜，确保机柜散热效果，延长设备使用寿命。
参考文献
[1]黄小光，汪伟，赵品勇.面向5G规模演进的C-RAN架构部署方案[J].邮电设计技术，2019（11）：39-43.
[2]林铁力，谭路加，董冰.5G站点建设动力配套解决方案探讨[J].邮
电设计技术，2020（4）：89-92.
[3]纪辰，刘鑫，李方林.5G CRAN机房机柜热管理研究[J].通信电源
技术，2019（增刊1）：173-175.
[4]潘洋洋，向军，肖玮.基于喷淋液冷系统的数据中心节能降耗研究[J].通信电源技术，2019（增刊1）：192-194.
收稿日期:2021-01-27
作者简介：周斌（1967—），男，汉族，江苏南京人，高级工程师，本科，现从事江苏联通创新业务发展与网络运营管理工作。
于黎明（1980—），男，汉族，浙江杭州人，高级工程师，本科，现从事江苏联通移动网规划与设计工作。
付斐（1976—），男，汉族，江苏南京人，高级工程师，本科，现从事江苏联通移动网规划与管理工作。
杨韬（1978—），男，汉族，江苏南京人，高级工程师，本科，现从事江苏联通网络投资规划与管理工
作。
图1喷淋式液冷系统原理
通信设计与应用2