某A 級(jí)信息樞紐機(jī)樓能效提升技術(shù)方案

［慕家驍 宗凌 林顯達(dá) 劉登明 劉翔］

1 引言

我國(guó)在2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和是習(xí)近平總書記代表全中國(guó)人民向全世界做出的莊嚴(yán)承諾和宣言。能耗“雙控”和碳排放“雙控”是各個(gè)運(yùn)營(yíng)商，乃至全社會(huì)所面臨的重大課題。發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)、綠色環(huán)保經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)已經(jīng)是我國(guó)的大戰(zhàn)略和發(fā)展方向，青山綠水就是金山銀山的發(fā)展理念已經(jīng)深入人心。IDC 數(shù)據(jù)中心和通信網(wǎng)絡(luò)，作為發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)的最基礎(chǔ)的物質(zhì)基礎(chǔ)，已經(jīng)上升到國(guó)家重點(diǎn)新基建發(fā)展的大戰(zhàn)略高度上。然而由于各電信運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)存的大量老舊傳統(tǒng)的通信機(jī)樓、機(jī)房則耗電量大，能耗高，PUE 高，對(duì)我們實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)影響較大，為此對(duì)傳統(tǒng)耗電量大的老舊通信機(jī)樓、機(jī)房，尤其是傳統(tǒng)的大型樞紐通信機(jī)樓、老舊傳統(tǒng)的IDC數(shù)據(jù)中心的節(jié)能技術(shù)改造就顯得十分緊迫和重要。

2 某A 級(jí)信息樞紐機(jī)樓耗電的現(xiàn)狀

2.1 總用電情況

本A 級(jí)信息樞紐機(jī)樓在高壓配電房測(cè)量機(jī)樓總用電情況如表1 所示。

表1 在高壓配電房測(cè)量機(jī)樓總用電情況

在高壓配電房測(cè)量機(jī)樓總用電為2 105.67 kW，功率因數(shù)平均按0.97 計(jì)算。

2.2 機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)通信主設(shè)備用電情況

本A 級(jí)信息樞紐機(jī)樓通信主設(shè)備用電情況如表2 所示。

表2 通信主設(shè)備用電情況

本A 級(jí)信息樞紐大樓共有UPS15 套，開關(guān)電源共2 套。功率因數(shù)為0.96，通信主設(shè)備用電為：816.51 kW。

2.3 空調(diào)用電情況

本A 級(jí)信息樞紐大樓采用中央空調(diào)系統(tǒng)制冷，水冷主機(jī)共4 臺(tái)。其中X 品牌600 冷凍大功率空調(diào)主機(jī)3 臺(tái)，投入使用時(shí)間為2004 年；Y 品牌300 冷凍小功率主機(jī)1 臺(tái)，空調(diào)投入使用時(shí)間2012 年。目前空調(diào)主機(jī)運(yùn)行分為1 臺(tái)大功率和1 臺(tái)小功率并行運(yùn)行；高溫季節(jié)同時(shí)運(yùn)行2 臺(tái)大功率主機(jī)。

水泵曾更換過，共5 套水泵系統(tǒng)共10 個(gè)水泵，目前運(yùn)行狀況良好。其中冷凍泵功率為75 kW，冷卻泵功率為55 kW。水泵系統(tǒng)已有變頻，但水泵變頻系統(tǒng)由于是2005年的產(chǎn)品，運(yùn)行性能指標(biāo)不是很穩(wěn)定，于是廠家工程師就把程序設(shè)定鎖死最高頻率為40 Hz，因此無法達(dá)到全工況運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)際是不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變頻功能，只有軟啟動(dòng)變頻，變頻效果不理想。

機(jī)房在運(yùn)行主機(jī)2 臺(tái)，水泵系統(tǒng)2 套共4 個(gè)水泵，冷卻水塔2 個(gè)。中央空調(diào)設(shè)備實(shí)測(cè)總用電功率如表3 所示。

表3 中央空調(diào)設(shè)備實(shí)測(cè)總用電功率

2.4 辦公和營(yíng)業(yè)用電情況

某A 級(jí)信息樞紐機(jī)樓綜合辦公用電約為：2 105.67－706.96－816.51=582.2（kW）。無營(yíng)業(yè)用電。

2.5 用電分析

由上面測(cè)試數(shù)據(jù)可以得到某A 級(jí)信息樞紐機(jī)樓用電電量見如表4 所示，用電功率比例結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 某A 級(jí)信息樞紐機(jī)樓用電功率比例結(jié)構(gòu)

表4 某A 級(jí)信息樞紐機(jī)樓用電構(gòu)成情況

由上分析可以知，2021 年11 月11 日，本A 級(jí)信息樞紐機(jī)樓用電瞬時(shí)PUE 值為2.58，扣除綜合辦公后的PUE 則為1.86，根據(jù)相關(guān)規(guī)定和要求，該機(jī)樓還有能效提升的空間。

3 存在問題分析

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，本A 級(jí)樞紐機(jī)樓存在如下的問題。

3.1 中央空調(diào)主機(jī)、水泵、冷卻塔使用年限久、嚴(yán)重逾齡、能耗高，且實(shí)際無變頻功能

由于3 臺(tái)大功率中央空調(diào)主機(jī)設(shè)備使用年限較長(zhǎng)，已運(yùn)行超過18 年年，逾齡超過3 年，且主機(jī)和水泵實(shí)際都無變頻能力，雖然5 套中央空調(diào)冷凍水泵和冷卻水泵是2012 年安裝，且已外加裝變頻節(jié)能系統(tǒng)，但由于水泵變頻器程序鎖死無法達(dá)到全工頻率狀況，只能最大實(shí)現(xiàn)40 HZ的工作頻率，變頻器調(diào)節(jié)水泵效果不顯著，需人工調(diào)整水泵運(yùn)行數(shù)量來保持水泵在85%左右最佳工作效率狀態(tài)。水泵雖然有變頻系統(tǒng)，但是由于是2005 年就已經(jīng)投入的產(chǎn)品，已經(jīng)逾齡7 年，性能不穩(wěn)定，且廠家工程師都已經(jīng)設(shè)定為40 Hz 的定頻，不但沒有起到變頻的目的，而且還極大地壓縮了水泵的額定功率，使水泵長(zhǎng)期運(yùn)行在40 Hz定頻的功率工況。中央空調(diào)主機(jī)、冷卻塔均無變頻功能。這是本A 級(jí)樞紐機(jī)樓耗電量大的最主要原因。

3.2 制冷機(jī)房無群控系統(tǒng)

由于本A 級(jí)樞紐機(jī)樓無群控系統(tǒng)，因此無法對(duì)冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔有效進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控和控制，造成較大的能源浪費(fèi)。

3.3 無各系統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)

不能精確地管控機(jī)樓的能耗情況，如冷站主設(shè)備-冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔、空調(diào)末端能耗分項(xiàng)計(jì)量。

3.4 無AI 控制系統(tǒng)

冷水機(jī)組側(cè)數(shù)據(jù)只有部分采集；動(dòng)環(huán)中末端空調(diào)采集點(diǎn)不足，只有部分?jǐn)?shù)據(jù)采集，冷水機(jī)組側(cè)電量數(shù)據(jù)未做分項(xiàng)計(jì)量；機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部溫濕度傳感器較少，無法滿足AI 數(shù)據(jù)建模和分析的需要，因此需要增補(bǔ)溫濕度感應(yīng)器全面反映機(jī)房?jī)?nèi)部溫濕度情況?；A(chǔ)數(shù)據(jù)整體比較欠缺。

3.5 機(jī)房風(fēng)機(jī)末端無變頻功能

機(jī)房風(fēng)機(jī)末端無變頻功能，需要進(jìn)行改造，增加變頻器以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能，或更換為EC 風(fēng)機(jī)；樓頂冷卻塔風(fēng)扇也無變頻功能。

3.6 機(jī)房?jī)?nèi)氣流組織混亂，造成冷風(fēng)短路，制冷效果差

本信息樞紐機(jī)樓7 層IDC 機(jī)房01、8 層IDC 機(jī)房 02、9 層IDC 機(jī)房01 數(shù)據(jù)機(jī)房氣流組織混亂，下送風(fēng)出口設(shè)在敞開的一邊是設(shè)備進(jìn)風(fēng)口，一邊是設(shè)備出風(fēng)口，如圖2所示?；驒C(jī)房空間敞開，沒有冷熱通道，如圖3 所示，造成極大的冷源浪費(fèi)。

圖2 下送風(fēng)，出口設(shè)置在前排設(shè)備的出風(fēng)口、后排設(shè)備的進(jìn)風(fēng)口位置

圖3 上送風(fēng)，無冷熱通道，氣流組織混亂

3.7 八樓機(jī)房上架率僅為20%，存在管理節(jié)能空間

3.8 機(jī)房玻璃外墻存在冷熱源散射現(xiàn)象

機(jī)房墻壁靠外是玻璃幕墻，雖在玻璃窗上貼有隔熱膜，有一定的隔熱效果，但效果不夠理想，存在機(jī)房?jī)?nèi)外冷熱源相互散射現(xiàn)象。如圖4 所示。

圖4 機(jī)房?jī)?nèi)玻璃幕墻上貼隔熱膜，隔熱效果不理想

4 節(jié)能策略實(shí)施建議

4.1 中央空調(diào)方面節(jié)能策略

4.1.1 新增加一套600 冷凍的大功率自帶變頻功能的高效中央空調(diào)系統(tǒng)，作為一年四季主要的制冷系統(tǒng)，同時(shí)再根據(jù)季節(jié)的不同，隨時(shí)增加一臺(tái)小或大的中央空調(diào)主機(jī)系統(tǒng)，以科學(xué)合理的滿足整個(gè)通信機(jī)樓和機(jī)房的供冷和節(jié)能的需求。

4.1.2 對(duì)其它四套冷凍水泵和冷卻水泵以及冷水塔加裝新的高效變頻器，提高變頻靈敏度，科學(xué)合理地改善水流量和水泵數(shù)量，降低水泵、水塔的功耗。

4.1.3 中央空調(diào)系統(tǒng)投產(chǎn)已近20 年，冷卻水塔填料中有污垢，管路中水垢影響水流量和水流速度，需要用藥劑清理管路以降低冷卻水泵的能耗。同時(shí)以使冷卻器的水循環(huán)系統(tǒng)熱轉(zhuǎn)換效率得到提升。

4.1.4 中央空調(diào)的冷凍水溫度可適當(dāng)提高，標(biāo)準(zhǔn)溫度為7 度出水，12 度回水，如果設(shè)置為10 度出水，15 度回水，優(yōu)化冷卻水溫度差，中央空調(diào)的制冷效率會(huì)提高，主機(jī)的功耗會(huì)下降。

4.1.5 利用雙水塔或多水塔來提高冷卻系統(tǒng)的散熱效率，或采用多個(gè)小功率水塔分擔(dān)冷卻塔的散熱能效。

4.2 加裝精確送風(fēng)裝置

優(yōu)化機(jī)房氣流組織，精確送風(fēng)，減少冷量損失，保障冷風(fēng)直接到達(dá)機(jī)柜內(nèi)冷卻通信主設(shè)備。建議將7 層IDC 機(jī)房01、8 層IDC 機(jī)房02、9 層IDC 機(jī)房01 機(jī)房全部改造成為精確送風(fēng)，以提高冷量轉(zhuǎn)換效率。如圖5 所示。

圖5 精確送風(fēng)改造示意圖

4.3 在負(fù)荷較大的機(jī)房，更換末端風(fēng)柜為EC 風(fēng)機(jī)，減少空調(diào)末端的功耗

EC 風(fēng)機(jī)是利用脈寬調(diào)制的方式調(diào)速，可以實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，內(nèi)部控制器可以根據(jù)周圍環(huán)境溫度調(diào)整轉(zhuǎn)速，使其調(diào)速效率更高。如圖6 所示。

圖6 EC 風(fēng)機(jī)=EC 電機(jī)+后傾式風(fēng)機(jī)

EC 電機(jī)不同于三相異步電機(jī)，EC 風(fēng)機(jī)采用永磁同步電機(jī)，直流無刷技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能、調(diào)速的目的，與傳統(tǒng)的電機(jī)相比，效率和可靠性都大幅度提高。EC 風(fēng)機(jī)優(yōu)勢(shì)：EC風(fēng)機(jī)節(jié)能效率更高；適應(yīng)電壓范圍更寬；散熱好；電機(jī)噪音低；低振動(dòng)；軟啟動(dòng)；啟動(dòng)電流小。

4.4 將末端風(fēng)柜風(fēng)機(jī)改造成群控或AI 控制。

為了保證AI 技術(shù)策略可以更準(zhǔn)確、更有效的實(shí)施，建議增加分項(xiàng)計(jì)量電表，以便了解各部分系統(tǒng)的能耗情況；需要增加制冷機(jī)房各個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位，改造冷站自控系統(tǒng)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)接入，通過自控系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)水冷系統(tǒng)的節(jié)能。AI 能效管理系統(tǒng)改造在冷站、水系統(tǒng)、空調(diào)末端風(fēng)機(jī)等環(huán)節(jié)通過群控系統(tǒng)接入動(dòng)環(huán)后，通過動(dòng)環(huán)讀取數(shù)據(jù)和進(jìn)行通信的AI 平臺(tái)進(jìn)行綜合節(jié)能，優(yōu)化機(jī)房在良好可靠的節(jié)能狀態(tài)下運(yùn)行。AI 采用節(jié)能一體機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房能耗進(jìn)行管理和優(yōu)化，通過統(tǒng)一界面展現(xiàn)機(jī)房和設(shè)備能耗狀態(tài)及工況?；谌繖C(jī)房中所有溫濕感應(yīng)和空調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過IT 設(shè)備發(fā)熱量的預(yù)測(cè)模型和機(jī)房溫場(chǎng)分析，動(dòng)態(tài)輸出節(jié)能方案，并且由軟件控制實(shí)現(xiàn)空調(diào)末端運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整。針對(duì)冷站和數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)置AI 能耗控制系統(tǒng)，分別為整棟大樓（安裝一套）和3 個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)房（安裝3 套），最終可實(shí)現(xiàn)接入省節(jié)能平臺(tái)。

4.5 機(jī)房玻璃幕墻改造

將機(jī)房?jī)?nèi)玻璃幕墻用磚塊從內(nèi)部封堵，可以大大減少機(jī)房?jī)?nèi)外冷熱源的相互散射。

5 效益評(píng)估分析

5.1 投入成本

5.1.1 新增加一套600 冷凍的大功率自帶變頻功能的高效中央空調(diào)系統(tǒng)需要投入的成本：更新主機(jī)大約需要100 萬+更新2 套水泵系統(tǒng)（4 個(gè)高效自帶變頻的水泵）40 萬+清洗水塔及管路5 萬=145 萬；

5.1.2 更新安裝精確送風(fēng)需要投入的成本：

本機(jī)樓七、八、九樓的IDC 數(shù)據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)的末端空調(diào)更換為末端EC 風(fēng)機(jī)共35 臺(tái)，每個(gè)按5 萬估列，則需要175 萬；

5.1.3 末端風(fēng)柜風(fēng)機(jī)改造成群控或AI 控制所需要投入需要的成本：

本機(jī)樓七、八、九樓的3 個(gè)IDC 機(jī)房?jī)?nèi)每個(gè)按20 萬估算，整個(gè)大樓按30 萬計(jì)算，則：

60 萬+30 萬=90 萬

5.1.4 封堵機(jī)房?jī)?nèi)玻璃幕墻需要增加的成本，每個(gè)機(jī)房按2 萬元估列，則3 個(gè)機(jī)房需要6 萬元。

5.1.5 本大樓整個(gè)需要投入：

145 萬+175 萬+90 萬+6 萬=416 萬

5.2 節(jié)電效率

5.2.1 中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效率

本大樓中央空調(diào)已經(jīng)運(yùn)行近20 年，其整個(gè)系統(tǒng)更新成高效節(jié)能變頻型空調(diào)后，其節(jié)電效率按30%計(jì)算，更新變頻水泵的節(jié)電效率也按30%估列，則每年的節(jié)電量為：

（338 kW（主機(jī)標(biāo)稱功率）+（75 kW+65 kW）*2（2套水泵變頻））*30%*8 760 h/10 000=162.41 萬kWh

冷卻塔清洗后，節(jié)電率按10%估列，則：

4*65 kW*10%*8760 h/kWh/10 000=22.78（萬kWh）

5.2.2 精確送風(fēng)節(jié)電量

每個(gè)末端空調(diào)精確送風(fēng)節(jié)電效率按25%估列，則35個(gè)末端空調(diào)的節(jié)電量則為：

35*4 kW*25%*8 760 h/10 000=30.66 萬kWh

5.2.3 空調(diào)末端換裝EC 風(fēng)機(jī)節(jié)電量

空調(diào)末端換裝EC 風(fēng)機(jī)節(jié)電產(chǎn)生的效率按減少空調(diào)末端的功耗的10%計(jì)算，則為：

35*4 kW *10%*8 760 h/10 000=12.27（萬kWh）

5.2.4 空調(diào)末端群控降低能耗

空調(diào)末端加裝群控系統(tǒng)的節(jié)電產(chǎn)生的效率按減少空調(diào)末端的功耗的5%估列，則為：

則為：35*4 kW *5%*8760/10 000=6.13（萬kWh）

5.2.5 機(jī)房玻璃幕墻封堵隔熱降低能耗

機(jī)房玻璃幕墻封堵隔熱降低能耗按空調(diào)主機(jī)的0.5%估列，則：

162.41*0.5%=0.8 萬kWh）

5.3 投資回收期

通過采取以上節(jié)能措施后，每度電若按現(xiàn)在0.7 元計(jì)算，則每年可節(jié)省的電費(fèi)為：

（162.41+22.78+30.66+12.27+6.13+0.8）*0.7=235.02*0.72=164.53（萬元）

416 萬÷164.54 萬≈2.53 年

5.4 改造后本大樓PUE 值

本大樓PUE（扣除辦公）=本大樓總用電量（扣除辦公營(yíng)業(yè)）÷通信主設(shè)備=（（（706.96+816.51）－235.02萬）÷8760）÷816.51≈1.53

本A 級(jí)信息樞紐機(jī)樓實(shí)時(shí)節(jié)能技術(shù)改造后降低PUE=1.86－1.53=0.33

6 結(jié)語

由本A 級(jí)信息樞紐大樓的節(jié)能改造項(xiàng)目的效果可以知，運(yùn)營(yíng)商傳統(tǒng)老舊信息樞紐大樓和傳統(tǒng)老舊IDC 機(jī)樓都有很大的節(jié)能空間，僅每年節(jié)省的電費(fèi)就可以在很短的時(shí)間內(nèi)收回更新改造的所有投資費(fèi)用，而每個(gè)運(yùn)營(yíng)商都有數(shù)千個(gè)這樣的樞紐機(jī)樓，如果都能進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造的話，尤其是對(duì)運(yùn)行嚴(yán)重逾齡的中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改造，就可以收到良好的節(jié)能效果，這對(duì)我國(guó)的能耗“雙控”和碳排放“雙控”及有效降低PUE 值，實(shí)現(xiàn)我國(guó)的“雙碳”目標(biāo)都具有很重要的意義。