近年来液冷技术作为服务器级的制冷手段已经逐渐崛起。贴近热源，就近制冷以及服务器液冷替代风冷成为技术发展趋势。因此，有必要开展液冷技术应用性研究。一、目前机房难点和液冷系统优势据统计，三大运营商与铁塔公司于年度投建的基站数量已超过万个，预计在将来，随着5G的不断深入布局，其密度将超过现有规模的4倍以上。其中，相当大的一部分基站是采用家用空调和自然通风的方式，环境质量较差。即使采用专用基站空调，大部分的PUE值也超过2.0。同时，电价上浮，电力扩容较难，如何合理利用现有的电力资源将是一个新的课题。1.1传统风冷机柜散热局限性鉴于5G基站选址难，5GBBU普遍采用集中化部署方案，几十个BBU在接入机房或者通信机楼集中部署，单个风冷BBU机柜满配可配置10台BBU，单柜总功耗超过10kw，BBU设备消耗的电能几乎全部转化为热能，BBU集中后，热量也全部集中在BBU机柜中。然而，5GBBU风冷机柜的最佳散热功率为单柜6kw，因为当单柜功率超过6kw时，风冷散热能力不足。目前在C-RAN建设中，单机柜最多配备7个BBU，BBU之间需要预留风道。在5GBBU未满配时，风冷BBU机柜已到达其散热瓶颈，这样在未来将无法满足5G建设的散热需求。现有的通信机房空调系统的风冷冷却方式中存在以下问题：（1）冷却效率低，能耗大。目前的机房空调系统的能效比不高。根据机房维护人员多年的经验，机房中要消除W的机房热量需要W的电量，其能效比约为2.6左右。同时在年，据IT行业各大研究机构对数据中心机房的能耗统计表明：IT设备及网络通信设备耗能占34%，空调制冷系统耗能占52%，照明耗能占1%，其他损耗占13%。由此可见，数据中心的散热系统占据了通信机房能耗的很大一部分。（2）出现局部过热现象。传统的架空地板送风形式具有很大的局限性，采用该方法时必须考虑合理的气流组织：送风距离过长导致远端服务器没有足够的散热量，机柜高度方向的冷热分布不均匀，容易出现局部过热现象。（3）散热能力低。与散热系统耗费巨大电量形成反差的是，其散热能力仍然不足以满足高密度数据中心的需求。采用传统机房空调制冷，当单机柜发热量达到4kW以上，仅仅采用空调制冷的方式已难以解决散热问题，必须采取其他辅助制冷手段，来解决高热密度制冷问题。1.25GBBU液冷技术的优势虽然风冷冷却技术成本较低，但其散热能力有限，随着高密度IT设备的发展，单个刀片式服务器机柜的功率能耗达到10KW以上，有点甚至达到了30KW，传统的机房空调制冷已经满足不了现有高热密度服务器机柜的散热要求，而具有更高散热能力的液冷机柜制冷方式能满足高热密度机柜的散热要求，成为业界研究和运用的热点。液冷解决方案中，冷却液直接和发热单元接触，带走BBU运行中产生的热量。而同体积液体带走的热量是同体积空气的倍；且液体的导热能力是空气的25倍，因此特别适合高密度设备和元器件的降温。采用液冷系统具有以下优点：（1）采用冷却液作为制冷剂，节能环保；（2）可靠性高，能有效地解决传统的空调集中送风所存在的散热不均匀等问题；（3）制冷量大，能解决普通空调散热系统所无法实现的高热密度散热问题；（4）制冷效率高。液冷液体热容量比风冷空气大得多，因此特别适合高密度设备和元器件的降温。BBU功率密度比服务器还高，更需要液冷。（5）节能效果显著。对高密度ICT设备而言，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（即完全采用常温水对液冷系统件进行冷却，有极大节能效果）。（6）节省机柜。5GBBU采用液冷技术，整个机柜可放10台BBU，最大可以实现8kW散热降温能力，这意味着即使10台BBU板卡全插满，也没有散热困难、温度超标等问题，而传统风冷BBU机柜即使有10个槽位也只能实装5-6台BBU，因此采用液冷可节省机柜数量。可见，液冷技术不仅能带走更多的热量，而且节能效果显著。下面介绍两种液冷系统的主要架构和运行模式。二、5GBBU液冷系统5GBBU液冷系统一般分为两种，喷淋式液冷系统和浸没式液冷系统。两种液冷系统均由室内液冷5GBBU池化柜、室外冷却单元（室外冷却单元包括CDU（冷量分配单元）、液体冷却单元）、管路、阀门、冷却液、监测控制系统等组成。2.1喷淋式液冷系统工作原理接通电源，系统开始工作，冷却液被泵入喷淋液冷机柜内的主进液管路，之后通过分液管路分配到上下两层BBU机框的喷淋板。液体通过喷淋板上的小孔喷出，通过竖直摆放的BBU上侧蜂窝孔，进入BBU机箱内；BBU机箱内置一块分液板，按配置和负载二次分配冷却液，使适量冷却液从板卡表面流过，带走热量。加热之后的冷却液汇集于机框底部，并通过重力作用汇聚至机柜下部的储液箱。冷却液循环：单机柜下部有储液箱，储液箱的热冷却液经冷却液泵直接与外界空气进行换热，降温后的冷却液再经过双筒过滤器后进入BBU双机柜对BBU设备进行喷淋液冷，每个机柜的冷却液汇集至分体式油箱，形成冷却液工作循环。2.2浸没式液冷系统工作原理浸没式液冷技术采用绝缘油作为冷却介质，室外冷源使用风机的自然冷却。BBU等设备浸没在一定冷却液体积的设备柜中，由泵为冷却液循环提供动力。额定工作状态下冷却液：进45℃/出50℃，最高进回液温度，进50℃/出55℃，油类强制对流换热系数在50~W/㎡*K之间，是空气冷却的对流换热系数的几倍至几十倍。当冷却液吸收BBU发热元件产生的热量后，从机柜流出至室外机，最终经由室外风机的转动将热量转移至大气环境中。系统采用恒温控制，循环泵配有变频器可以进行转速调节，室外冷源风机也可进行转速调节，在设定目标值后，室外冷源风机转速的变化可以对机柜进液温度进行实时调节，变频器控制泵的转速以对冷却液流量进行实时调节，进一步的由流量的调节来控制机柜供回液温差，在控制能效、提升经济性的同时对系统进行恒温控制。2.35GBBU液冷系统主要架构2.3.1室内机柜5GBBU液冷室内机柜是整个系统中实现液冷过程的核心部件，用于安装5GBBU，为5GBBU提供液冷环境，解决C-Ran场景下5GBBU大量集中、高功率密度场景下的散热问题。一般室内机柜支持安装5台以上5GBBU,具备DCDU（直流配电单元）安装环境，且支持不断电维护，在线维护时，单BBU框拆卸不影响其他同框BBU运行。2.3.2室外冷却单元5GBBU液冷系统室外冷却单元，一般安装与机房外，通过冷却液循环管道，向室内机柜输送经冷却后的冷却液，并对通过室内机柜循环的冷却液进行制冷。室外冷却单元一般包括：冷却液分配单元、换热器、过滤阀、传感器等。室外冷却单元有智能控制系统对冷却液进行智能的流量控制，根据负载的大小可以自动调节冷量输出，且散热能力不小于5kw。2.3.3监控单元监控系统由监控设备、监控主机、客户监控主机、云主机和终端（web/app）组成。其中监控主机部署在液冷机架内，负责采集监控数据并存储；云主机存储所有客户设备的监控数据；根据客户需求，可配置客户监控主机，此时客户端应从客户监控主机获取数据。监控系统用于监控和记录整个液冷系统的运行状态，可通过其实现现场数据查看和管理，同时也可远程监控和管理。监控系统能够监控冷却液循环系统的进液、出液压力，同时能监控进液温度、出液温度、环境温度等参数，并将数据形成日志。另外，监控系统还大容量存储故障报警记录以及历史告警信息，更易于操作和参考。2.3.4冷却液液冷系统技术的冷却液直接与电子设备接触并进行热交换，冷却液的性质直接影响系统的传热效率以及运行的可靠性。冷却液作为传热介质具备良好的热力学性能，同时由于冷却液直接与电子设备接触，冷却液不应对电子信息设备上所使用的主要材料造成不良影响，在设定的运行环境下必须具备良好的稳定性。冷却液应具有一定的绝缘性且不易溶解其它导热物质，通常冷却液在实际使用的状况下击穿电压不低于15kV/2.5mm。所以，冷却液必须是无*性、不可燃、不爆炸、高绝缘、少挥发、难分解的液体。2.3.5设备工作环境三、设备改造及具体节电对比通过以上对比不难发现，喷淋式液冷系统的节能效果优于浸没式液冷系统，但两者全年的用电量均小于传统的风冷系统。虽然，在经济性方面，5GBBU液冷池化柜装置相较于传统的风冷通信机柜有着更高的初投资，但在3年内可回收初投资成本，而且两种液冷装置对通信机柜都有着良好的改造价值。同时，5GBBU液冷池化柜能够更好的解决5GBBU的功耗大，设备密集，散热效率低等问题，并且相对于风冷设备，液冷技术中液体带走的热量更多，温度传递更快，导热能力更强，节能降耗效果更加显著，同时，能节约机柜的数量，降低建设成本。
来源：中国移动通信集团河南有限公司、电动学堂作者：王飞等
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