新建機(jī)房節(jié)能設(shè)計(jì)需建立能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

中國(guó)電信股份有限公司上海研究院移動(dòng)寬帶互聯(lián)網(wǎng)部沈世錦 方劍

建立完善有效的能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)掌握總體能耗數(shù)據(jù)，為能源預(yù)算管理提供參考，從而逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房能耗的精確化管理。

運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)量和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模快速擴(kuò)張，導(dǎo)致能源的消耗持續(xù)增加。能耗增長(zhǎng)高于收入增長(zhǎng)幅度，運(yùn)營(yíng)成本不斷增加，亟待得到嚴(yán)格控制，節(jié)能減排任務(wù)艱巨。

核心設(shè)備動(dòng)力系統(tǒng)成倍增長(zhǎng)和通信機(jī)房耗能巨大已成為節(jié)能降耗的中心問(wèn)題。根據(jù)對(duì)機(jī)房能耗結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，空調(diào)系統(tǒng)用電占40%，通信設(shè)備用電占45%，電源系統(tǒng)占10%，照明及其他用電占5%。因此，規(guī)模推廣節(jié)能效果明顯的機(jī)房建筑、空調(diào)、電源等配套基礎(chǔ)設(shè)施的節(jié)能技術(shù)改造，將是未來(lái)幾年電信業(yè)節(jié)能減排的工作重點(diǎn)，綠色機(jī)房的建設(shè)將成為節(jié)能減排技術(shù)創(chuàng)新的重要驅(qū)動(dòng)力。

綜合考慮空調(diào)節(jié)能

空調(diào)系統(tǒng)是機(jī)房能耗大戶，空調(diào)制冷系統(tǒng)是由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器組成。從空調(diào)的工作循環(huán)來(lái)看，只有運(yùn)行在最佳的工況和條件，才能發(fā)揮空調(diào)的最大制冷量，達(dá)到空調(diào)節(jié)能的目的。空調(diào)冷源應(yīng)根據(jù)建筑物空氣調(diào)節(jié)規(guī)模、用途、冷熱負(fù)荷、以及地區(qū)氣象條件、能源結(jié)構(gòu)、政策、價(jià)格及環(huán)保規(guī)定等，通過(guò)綜合論證確定，達(dá)到節(jié)約能源，降低運(yùn)行費(fèi)用的目的。

根據(jù)傳統(tǒng)空調(diào)冷源實(shí)際能耗分析表明，小型系統(tǒng)（總冷負(fù)荷小于1200kW）采用風(fēng)冷系統(tǒng)的總能耗較低；大型系統(tǒng)（總冷負(fù)荷大于1200kW）采用水冷系統(tǒng)的總能耗較低。不同冷負(fù)荷的機(jī)房推薦選用的空調(diào)冷源形式（如表1），選用時(shí)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件和建設(shè)、運(yùn)行成本的經(jīng)濟(jì)性綜合考慮。

對(duì)于空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)未端形式，選擇適用于不同密度機(jī)房的空調(diào)系統(tǒng)常見(jiàn)末端形式（如表3）。根據(jù)不同的機(jī)房熱密度，分別采用全室空調(diào)、冷/熱通道封閉、水冷背板、液體冷卻等方式。對(duì)于高密度機(jī)房，整體式空調(diào)系統(tǒng)的冷卻能效低，個(gè)性化冷卻或選用附帶冷卻功能的電子信息設(shè)備是有效的解決方案。

利用空調(diào)自然冷源

過(guò)渡季節(jié)和冬季利用室外冷空氣作為自然冷源具有節(jié)能意義。自然冷源的利用形式主要有直接引用室外新風(fēng)、間接式換熱、熱管/蒸汽壓縮復(fù)合制冷、冷卻塔供冷等。采用自然冷源能夠減少電制冷的耗電量，應(yīng)充分利用自然冷量為機(jī)房空調(diào)提供冷源。

表1 機(jī)房常用空調(diào)冷源比較

表2 空調(diào)冷源選用推薦

表3 各類(lèi)機(jī)房適用的空調(diào)系統(tǒng)末端形式

在長(zhǎng)江中下游地區(qū)，由于其新風(fēng)有大量時(shí)間處在0~18℃的最佳利用段里，且相對(duì)濕度較高，比較適合直接引入室內(nèi)。新風(fēng)經(jīng)過(guò)處理直接引入機(jī)房，雖然會(huì)有除塵和加濕量大等問(wèn)題，但由于系統(tǒng)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)，且冷量隨風(fēng)量增大而增大，有很大的可用價(jià)值，是效率最高的方法。

例如某運(yùn)營(yíng)商數(shù)據(jù)機(jī)房，主機(jī)房面積不到400平方米，梁下凈高約為3.5米。針對(duì)機(jī)房采用新風(fēng)節(jié)能方式進(jìn)行空調(diào)設(shè)計(jì)，以滿足100架機(jī)柜，每機(jī)架發(fā)熱量2KW，總發(fā)熱量（冷負(fù)荷）為200KW的要求?？紤]到該機(jī)房空間寬敞，便于安裝新風(fēng)節(jié)能設(shè)備，故采用兩臺(tái)新風(fēng)機(jī)組（內(nèi)置加濕器），提供2×25000m3/h風(fēng)量。經(jīng)測(cè)算，該設(shè)備啟用后，同比節(jié)能達(dá)到30%左右。

此外，某運(yùn)營(yíng)商IDC機(jī)房進(jìn)行空調(diào)改造試驗(yàn)，采取將室外新風(fēng)冷源直接引入機(jī)房的方式，在機(jī)房?jī)?nèi)安裝5臺(tái)新風(fēng)混風(fēng)型節(jié)能系統(tǒng)，同時(shí)安裝3臺(tái)大風(fēng)量高余壓濕膜加濕機(jī)組。對(duì)引入的新風(fēng)統(tǒng)一進(jìn)行凈化處理，保證引入機(jī)房新風(fēng)灰塵粒子濃度達(dá)到A級(jí)。利用室外環(huán)境天然低溫冷源的新風(fēng)空氣與機(jī)房?jī)?nèi)回風(fēng)空氣混合，然后再送到機(jī)房達(dá)到消除室內(nèi)余熱的目的，并根據(jù)機(jī)房發(fā)熱負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量，保證機(jī)房?jī)?nèi)的溫度在要求的范圍內(nèi)；在室外環(huán)境溫度較低時(shí)，可以部分或全部取代傳統(tǒng)機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)工作，從而降低了能源的消耗，有效實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目標(biāo)。

高壓直流供電高效節(jié)能

合理計(jì)算、選擇變壓器容量及配置數(shù)量。變壓器容量和數(shù)量應(yīng)根據(jù)負(fù)荷情況，綜合考慮投資和年運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)負(fù)荷合理分配。負(fù)載率過(guò)低或過(guò)高，都將使變壓器損耗明顯增大。根據(jù)調(diào)研，由于在通信電源設(shè)計(jì)時(shí)，變壓器一般都是按主備用互為冗余的形式成對(duì)配置，正常運(yùn)行時(shí)，單臺(tái)變壓器的負(fù)載率一般不會(huì)超過(guò)50%，因此變壓器的經(jīng)常性負(fù)載宜達(dá)到變壓器額定容量的60%。同時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)可考慮變壓器容量分期由小而大逐步投入，并根據(jù)負(fù)荷的分布和容量、供電距離、用電設(shè)備特點(diǎn)、機(jī)房環(huán)境等因素，合理明確負(fù)荷等級(jí)，確定供電形式。

采取高壓直流供電。采用高壓直流供電技術(shù)，對(duì)于直流電源系統(tǒng)而言，因其采用模塊化結(jié)構(gòu)，可根據(jù)輸出負(fù)載的大小，由監(jiān)控模塊、監(jiān)控系統(tǒng)或現(xiàn)場(chǎng)值守人員靈活控制模塊的開(kāi)機(jī)運(yùn)行數(shù)量，使整流器模塊的負(fù)載率始終保持在較高的水平，從而使系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率保持在較高的水平，比傳統(tǒng)UPS能耗下降約20%。

高壓直流系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

1.系統(tǒng)可靠性高。

傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)僅依靠UPS主機(jī)間冗余備份來(lái)提高系統(tǒng)可靠性。而高壓直流系統(tǒng)內(nèi)部含有多個(gè)高頻開(kāi)關(guān)整流模塊，模塊與模塊之間形成冗余備份外，由于系統(tǒng)采用直流為后級(jí)設(shè)備供電，故系統(tǒng)后備蓄電池組可直接為負(fù)載供電，即系統(tǒng)整流模塊與電池也形成冗余備份。同時(shí)高壓直流系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)的逆變回路，使得供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)潔，不僅節(jié)約了建設(shè)成本，更減少了傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)逆變回路、STS切換開(kāi)關(guān)等單點(diǎn)故障隱患。

根據(jù)對(duì)機(jī)房能耗結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，空調(diào)系統(tǒng)用電占40%，通信設(shè)備用電占45%，電源系統(tǒng)占10%，照明及其他用電占5%。

2.系統(tǒng)維護(hù)改造更簡(jiǎn)易。

傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)擴(kuò)容改造時(shí)涉及到電源的頻率、電壓、相位等問(wèn)題，所以改造風(fēng)險(xiǎn)較大。而高壓直流系統(tǒng)的擴(kuò)容改造較之就簡(jiǎn)便很多。首先高壓直流系統(tǒng)采用高頻整流模塊，模塊支持熱插拔，當(dāng)部分模塊發(fā)生故障時(shí)，可簡(jiǎn)便的更換整流模塊不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。同時(shí)整套系統(tǒng)改造割接時(shí)，只需注意電壓等級(jí)、電壓極性相同即可，系統(tǒng)改造擴(kuò)容更簡(jiǎn)易。

3.系統(tǒng)效率高，節(jié)能效果顯著。

根據(jù)現(xiàn)行《通信用240V直流供電系統(tǒng)技術(shù)要求》，高壓直流系統(tǒng)效率可達(dá)92%。而根據(jù)近階段高壓直流系統(tǒng)設(shè)備使用結(jié)果，多數(shù)設(shè)備交流進(jìn)線端功率因數(shù)不小于99%。同時(shí)高壓直流系統(tǒng)采用高頻整流模塊，隨著機(jī)房負(fù)荷逐步增加，可適時(shí)增加整流模塊。而且高壓直流系統(tǒng)整流模塊如傳統(tǒng)-48V直流系統(tǒng)整流模塊一樣均擁有“休眠”功能，系統(tǒng)可時(shí)刻偵測(cè)后級(jí)負(fù)載用電情況。在后級(jí)負(fù)載用電量變化不大的情況下，系統(tǒng)監(jiān)控模塊可適當(dāng)?shù)厥共糠珠e置整流模塊進(jìn)入“休眠”狀態(tài)，有效提高系統(tǒng)負(fù)載率。

對(duì)于機(jī)房照度和照明設(shè)備選擇，機(jī)房?jī)?nèi)可根據(jù)視覺(jué)作業(yè)要求，確定合理的照度標(biāo)準(zhǔn)值，宜采用整體通行照明與局部工作照明相結(jié)合的方式。根據(jù)規(guī)范機(jī)房照明照度標(biāo)準(zhǔn)500lx，LPD目標(biāo)值15W/m2，通行照明照度標(biāo)準(zhǔn)50lx，LPD目標(biāo)值4W/m2。燈具宜選用熒光燈、節(jié)能燈、金鹵燈、LED燈等高效節(jié)能的設(shè)備。

建立完善能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

分析機(jī)房能耗的組成，除了機(jī)房?jī)?nèi)的主要能耗來(lái)源空調(diào)、電源，還有建筑節(jié)能，要合理選址布局節(jié)能。通過(guò)規(guī)劃階段對(duì)建筑的合理選址布局，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能。首先，按照相關(guān)規(guī)定對(duì)通信建筑進(jìn)行合理選址，避免因復(fù)雜地形條件帶來(lái)的基礎(chǔ)施工費(fèi)用大幅提高；其次，選擇最佳朝向或接近最佳朝向，避開(kāi)夏季最大日照朝向、充分利用冬季日照和夏季自然通風(fēng)，并避開(kāi)冬季主導(dǎo)風(fēng)向，有利于建筑冬季保溫、夏季隔熱和自然通風(fēng)，可大幅節(jié)約建筑采暖、制冷和機(jī)械通風(fēng)帶來(lái)的能耗；最后選擇交通便利，電力管線引入方便、傳輸纜線出入方便，周邊無(wú)高大密集建筑的區(qū)域，可節(jié)約維護(hù)成本，并使其周邊具有良好的綠化和通風(fēng)條件。

此外，還有圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括屋面、墻體、門(mén)窗、地面等，通過(guò)合理設(shè)計(jì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，降低建筑的體形系數(shù)，可有效提升熱工性能，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。首先，根據(jù) GB50189-2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，通信建筑設(shè)計(jì)應(yīng)控制其體形系數(shù)，較小的體形系數(shù)有利于建筑實(shí)現(xiàn)保溫隔熱。其次目前節(jié)能效果較好的屋面形式包括架空型屋面、種植屋面和節(jié)能型保溫材料屋面等，其中架空型屋面主要應(yīng)用在夏熱冬暖或炎熱地區(qū)，種植屋面具備保溫和綠化等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊，但不適合在嚴(yán)寒地區(qū)采用。第三墻體保溫形式包括外保溫、內(nèi)保溫、自保溫等，目前節(jié)能效果最好的保溫形式是外墻外保溫形式。最后通過(guò)合適的窗墻比、在規(guī)定限制下設(shè)置門(mén)窗玻璃遮陽(yáng)系數(shù)、確保門(mén)窗的透光率，提高門(mén)窗的氣密性等手段，做好建筑外門(mén)窗的保溫隔熱設(shè)計(jì)。

同時(shí)，考慮到熱反射涂料上，可將熱反射涂料集反射、輻射與空心微珠隔熱于一體，經(jīng)初步測(cè)算，熱反射涂料隔熱效率約 70%；另外，熱反射涂料還具有高效降溫、防水防潮、防紫外線老化、耐酸堿、防腐等優(yōu)點(diǎn)。熱反射涂料可以涂刷于屋頂、墻體表面。建議在夏熱冬冷(暖)地區(qū)中需夏季放熱、通風(fēng)降溫的通信建筑中積極推進(jìn)熱反射涂料的應(yīng)用。在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)不建議采用。

最后，為了進(jìn)一步正確地評(píng)估機(jī)房能耗的使用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，有必要建立一套完善有效的能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)分散計(jì)量裝置采集原始電力能耗數(shù)據(jù)后進(jìn)行匯總，并根據(jù)不同類(lèi)型機(jī)房、不同業(yè)務(wù)、不同設(shè)備的能耗情況，構(gòu)建電力能耗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，在分析能耗特征和現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合業(yè)務(wù)發(fā)展和區(qū)域特征，形成各類(lèi)能耗統(tǒng)計(jì)報(bào)表。通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)掌握總體能耗數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)節(jié)能技術(shù)的有效性和實(shí)用性，為能源預(yù)算管理提供參考，從而逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房能耗的精確化管理。