通信機(jī)房和數(shù)據(jù)中心的節(jié)能改造方法研究

胡松華

（中國電信股份有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

隨著我國2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和目標(biāo)的提出，節(jié)能減排已從單純的企業(yè)降本增效上升到了企業(yè)的社會責(zé)任。對于電信運營商來說，通信機(jī)房和數(shù)據(jù)中心一直是用能主體。隨著大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等數(shù)字經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)，大量提供算力的服務(wù)器、支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)某笕萘抗鈧魉途W(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）設(shè)備以及超寬帶集群路由器設(shè)備進(jìn)入通信機(jī)房數(shù)據(jù)中心，耗電量呈持續(xù)快速增長趨勢，受到社會普遍關(guān)注。近年來，國家也發(fā)布了《數(shù)據(jù)中心能效限定值及能效等級》（GB 40879—2021）等標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步強化了基礎(chǔ)設(shè)施的能效管理要求。

通信機(jī)房和數(shù)據(jù)中心的建設(shè)投產(chǎn)跨越時間較長，既有電信網(wǎng)絡(luò)初建時期的樞紐樓、核心機(jī)樓、一般機(jī)樓以及接入局所，也有后期建設(shè)的專業(yè)數(shù)據(jù)中心、大數(shù)據(jù)園區(qū)，同時還有局部改造后混合使用的機(jī)樓，所采用的制冷方式和節(jié)能技術(shù)千差萬別，給節(jié)能改造工作帶來了較大的挑戰(zhàn)[1]。結(jié)合中國電信股份有限公司安徽分公司在通信機(jī)房和數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造方面的實踐經(jīng)驗，重點研究了不同場景下進(jìn)行節(jié)能改造的主要挑戰(zhàn)、可行路徑，給出了各種改造方案的應(yīng)用推廣建議。

1 節(jié)能改造目標(biāo)

1.1 提升能效，降低能耗

業(yè)界通常使用電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）指標(biāo)來衡量數(shù)據(jù)中心和通信機(jī)房的能效，降低PUE是節(jié)能改造的主要目標(biāo)之一[2]。目前，將傳統(tǒng)以通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為主要載體的機(jī)房PUE目標(biāo)設(shè)定為1.5及以下，以服務(wù)器為主要載體的數(shù)據(jù)中心機(jī)房的PUE目標(biāo)設(shè)定為1.3左右。具體實踐中，PUE指標(biāo)優(yōu)化的重點是機(jī)房空調(diào)相關(guān)的能效，在提供同等信息處理和傳輸能力的情況下，將機(jī)房整體耗電量降至最小，典型的措施包括老舊設(shè)備的關(guān)停并轉(zhuǎn)、提升在用業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的使用效率、采用更高轉(zhuǎn)換效率的電源設(shè)備以及機(jī)房節(jié)能燈具更換為LED燈具等[3]。

1.2 保持云網(wǎng)平穩(wěn)運行，保障通信暢通

根據(jù)業(yè)內(nèi)經(jīng)驗，網(wǎng)絡(luò)割接或變更中的人為誤操作是網(wǎng)絡(luò)中斷的主要原因之一。在用通信機(jī)房和數(shù)據(jù)中心承載有大量的電信業(yè)務(wù)，而節(jié)能改造通常涉及現(xiàn)場施工、設(shè)備和空調(diào)的搬遷調(diào)整，牽一發(fā)而動全身，稍有不慎便會引發(fā)網(wǎng)絡(luò)通信中斷?；诖耍瑧?yīng)當(dāng)將保障通信暢通作為節(jié)能改造的目標(biāo)之一，統(tǒng)籌兼顧通信網(wǎng)絡(luò)安全運行隱患消除與節(jié)能改造。

2 節(jié)能改造方法

2.1 機(jī)房搬遷歸并

早期建設(shè)的通信機(jī)房及互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）機(jī)房更強調(diào)的是供冷安全，對節(jié)能考慮的相對較少，通常采用房間級制冷方式、設(shè)備統(tǒng)一朝向。此類機(jī)房的優(yōu)點是適應(yīng)不同類型通信設(shè)備部署，缺點是機(jī)房整體氣流組織紊亂、制冷效率低、局部熱點較難處理。采用微模塊/DC艙的方式，由房間級制冷改成行間制冷，但是割接改造難度較大、微模塊建設(shè)成本也相對較高，不僅牽涉到大量設(shè)備的騰挪搬遷和DC艙現(xiàn)場建設(shè)施工，而且現(xiàn)有線纜的拆除、重新布放的工作量和安全風(fēng)險較大。因此，通常采用局部調(diào)整改造方案。

隨著通信網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)層級日趨簡化，設(shè)備容量及承載能力逐漸增強。網(wǎng)絡(luò)從N級到1級、設(shè)備從N臺到1臺、占用機(jī)柜從N架到1架，以專業(yè)網(wǎng)絡(luò)為主要載體的傳統(tǒng)專業(yè)機(jī)房內(nèi)設(shè)備不斷減少，形成一些空心區(qū)域，具備從獨立設(shè)置的專業(yè)機(jī)房向綜合機(jī)房歸并的條件。基于此，結(jié)合機(jī)樓、機(jī)房整體規(guī)劃，對具備條件的機(jī)房采取部分設(shè)備搬遷歸攏、調(diào)整機(jī)房平面布局的改造方案。

2.1.1 有源和無源分離

使用集中部署的光纖總配線架（Opticalfiber Main Distribution Frame，MODF）替代原來分散部署的光纖配線架（Optical Distribution Frame，ODF），所有通信設(shè)備端口通過分支光纜（尾纜）在MODF橫列側(cè)（設(shè)備側(cè)）成端，外部引入光纜或樓層間光纜也在MODF直列側(cè)（線路側(cè)）成端，網(wǎng)絡(luò)連接只需要在MODF上跳纖即可，打造出一個獨立的無源區(qū)域。對于具備條件的機(jī)房，在MODF區(qū)域與有源設(shè)備區(qū)域之間安裝防火隔斷進(jìn)行單獨隔離，既降低了人員在設(shè)備區(qū)誤操作的風(fēng)險，也在一定程度上減少了有源設(shè)備區(qū)域的供冷面積，提升了空調(diào)能效。

2.1.2 機(jī)房合理定位和分區(qū)

搬遷歸并的前提是做好機(jī)樓、機(jī)房規(guī)劃，匯聚機(jī)房以本地網(wǎng)出口、關(guān)口局、本地云資源池等重要設(shè)備為主，接入機(jī)房以匯聚交換機(jī)、無線或?qū)拵Ы尤刖W(wǎng)設(shè)備為主。省級樞紐機(jī)房按不同的專業(yè)網(wǎng)絡(luò)類型來設(shè)置。市級機(jī)房通常根據(jù)專業(yè)網(wǎng)絡(luò)類型+網(wǎng)絡(luò)層級來設(shè)置?？h級機(jī)房則以集中設(shè)置1個綜合機(jī)房為主，在機(jī)房內(nèi)劃分不同的設(shè)備功能區(qū)。功能區(qū)的劃分既要結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備情況，也要為網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)預(yù)留發(fā)展空間，一般分為動力區(qū)（開關(guān)電源等）、業(yè)務(wù)設(shè)備區(qū)。根據(jù)設(shè)備專業(yè)類型，業(yè)務(wù)設(shè)備區(qū)再劃分不同的專業(yè)子區(qū)域。一是無線區(qū)，以4G/5G基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）為主；二是接入?yún)^(qū)，以光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）、多住戶單元（Multiple Dwelling Unit，MDU）、接入交換機(jī)等為主；三是傳輸區(qū)，以O(shè)TN為主；四是數(shù)據(jù)區(qū)，以無線接入網(wǎng)IP化（IP- Radio Access Network，IP-RAN）、寬帶接入服務(wù)器（Broadband Remote Access Server，BRAS）、匯聚交換機(jī)等為主。與此同時，對于一些待退網(wǎng)設(shè)備（如2G設(shè)備），可以保持原地待自然退網(wǎng)或者搬遷到單獨設(shè)立的待退網(wǎng)區(qū)域。

改造中，針對機(jī)柜統(tǒng)一朝向場景下存在的前一列設(shè)備出風(fēng)口的熱風(fēng)直吹后一列設(shè)備進(jìn)風(fēng)口的問題，增大列間距，一般不小于80 cm。同一列的機(jī)柜深度盡量保持統(tǒng)一，結(jié)合專業(yè)設(shè)備特點通常設(shè)置60 cm、80 cm、100 cm以及120 cm等不同的深度。在走線部分，上方走線架的直流電線纜、信號線（分支光纜）、交流電引入、外線光纜引入分層分向，盡量避免三線交越。

對于不同的區(qū)域，結(jié)合設(shè)備熱量及分布適當(dāng)調(diào)整空調(diào)數(shù)量和制冷量、空調(diào)布局及送風(fēng)方式，以提升能效。例如，4G/5G BBU區(qū)域，由于設(shè)備安裝通常較為密集，因此要將空調(diào)送風(fēng)口直接對準(zhǔn)其正面通道，并配合將BBU進(jìn)行豎裝改造。類似地，OTN等區(qū)域熱量也較為集中，需要靠近空調(diào)送風(fēng)口。對具備改造條件的區(qū)域，輔以精確送風(fēng)改造，以進(jìn)一步提升能效。實施改造后，年均PUE可接近1.5。

2.2 冷通道封閉改造

為了進(jìn)一步提升機(jī)房能效，在上述搬遷歸并的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)房現(xiàn)場條件可以疊加冷通道封閉改造[4]。

（1）調(diào)整設(shè)備朝向。調(diào)整每兩列機(jī)架中的一列設(shè)備朝向，調(diào)整后兩列設(shè)備面對面，進(jìn)風(fēng)口朝內(nèi)，散熱口朝外。

（2）加裝封閉設(shè)施。在調(diào)整后的兩列機(jī)架通道上方加裝頂蓋、空調(diào)送風(fēng)口，兩端加裝玻璃推拉門，每兩列組成一個封閉冷通道。

（3）安裝盲板。改造后的冷通道內(nèi)，空閑機(jī)架位置安裝盲板，使冷通道完全封閉，最大程度保證冷氣不外溢。

進(jìn)行封閉冷通道改造后的機(jī)房如圖1所示。

圖1 進(jìn)行封閉冷通道改造后的機(jī)房

經(jīng)過封閉冷通道改造后，機(jī)房年均PUE由1.59下降到1.42，年節(jié)約電量約106 000 kW·h，節(jié)約電費67 000元，投入產(chǎn)出較為可觀。

2.3 多聯(lián)熱管改造

較早期建設(shè)的通信機(jī)房及IDC機(jī)房一般以機(jī)房為單位按需分批建設(shè)，空調(diào)室外機(jī)預(yù)留空間不足，新增室外機(jī)時密集擺放，散熱環(huán)境較差。以中國電信股份有限公司安徽分公司蕪湖市城東數(shù)據(jù)中心一期為例，2017年8月一期建成，業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)機(jī)房均采用風(fēng)冷精密空調(diào)，機(jī)房內(nèi)按照封閉冷通道布局。其中，2～5層空調(diào)室外機(jī)放置于同層平臺，柵格通風(fēng)率低、散熱效果差，高溫時易出現(xiàn)氣流短路，運行能效低且易高壓保護(hù)停機(jī)，存在較大的安全風(fēng)險隱患。

結(jié)合制冷技術(shù)的發(fā)展，為了消除空調(diào)保護(hù)停機(jī)隱患，采用多聯(lián)熱管改造方案。采用多聯(lián)熱管房間級機(jī)房專用空調(diào)替換現(xiàn)有的主用單元式風(fēng)冷精密空調(diào)，屋頂放置蒸發(fā)冷卻型熱管制冷復(fù)合空調(diào)主機(jī)，新增的熱管系統(tǒng)通過屋頂排放，部分風(fēng)冷型機(jī)房空調(diào)用作冷量補充及安全備份。通過應(yīng)用該方案，可以減少風(fēng)冷冷凝器風(fēng)機(jī)帶來的噪聲問題，消除風(fēng)冷冷凝器集中布局在高溫情況下的高壓告警現(xiàn)象。充分利用自然冷時長，減少壓縮機(jī)開啟時間，達(dá)到節(jié)能、節(jié)電效果。機(jī)房內(nèi)的氣流組織形式為架空地板下送風(fēng)、機(jī)組上部回風(fēng)，通過冷通道封閉將冷、熱氣流完全隔離。通信機(jī)房區(qū)空調(diào)選用下沉式EC風(fēng)機(jī)，實現(xiàn)變風(fēng)量控制。3層傳輸機(jī)房增設(shè)熱管雙循環(huán)套機(jī)，氣流組織形式為風(fēng)帽送風(fēng)、機(jī)組側(cè)回風(fēng)。電力電池室、高低壓配電室機(jī)房末端空調(diào)采用多聯(lián)熱管房間級機(jī)房專用空調(diào)，氣流組織形式為風(fēng)帽上送風(fēng)、機(jī)組側(cè)回風(fēng)。與此同時，實施配套的空調(diào)配電改造、結(jié)構(gòu)加固。多聯(lián)熱管改造構(gòu)成如圖2所示。

圖2 多聯(lián)熱管改造

2.4 其他改造方案

目前，對通信機(jī)房和數(shù)據(jù)中心的節(jié)能改造沒有固定程式，一般要根據(jù)不同機(jī)房的特點來實施[5]。例如，在安徽省合肥市五里墩樞紐改造方案中，原制冷系統(tǒng)為水冷冷水主機(jī)+末端空調(diào)、風(fēng)冷精密空調(diào)兩種，其中機(jī)房以風(fēng)冷精密空調(diào)為主、以水冷機(jī)組為輔，辦公樓層以水源熱泵為主。水冷系統(tǒng)已經(jīng)運行近24年，歷經(jīng)數(shù)次改造，存在部件老化、運行噪聲較大、法蘭腐蝕嚴(yán)重、功耗大以及制冷效果較差等問題。辦公用機(jī)組性能下降，同時配置的機(jī)房風(fēng)冷精密空調(diào)散熱環(huán)境較差、管線較長，空調(diào)運行效率低。

基于此，將通信機(jī)房改為集中式風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)+多聯(lián)熱管空調(diào)耦合供冷，兩種空調(diào)末端交叉布置在通信機(jī)房中，采用自然冷卻型風(fēng)冷冷水機(jī)組。辦公機(jī)房采用集中式風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)，風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)采用四管制風(fēng)冷熱泵機(jī)組，平時作為辦公冷源，同步作為通信機(jī)房的備用冷源。改造后，機(jī)房PUE預(yù)計從1.79下降到1.30，投資回收期約7.4年。

3 結(jié) 論

通信機(jī)房和數(shù)據(jù)中心的節(jié)能改造不是簡單的應(yīng)用節(jié)能新技術(shù)，而是要綜合考慮網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)、機(jī)房現(xiàn)狀和規(guī)劃定位、設(shè)備的重要性、割接改造的難度與潛在風(fēng)險以及投入與預(yù)期收益等因素，采用“一樓一案”“一室一案”的方式來實施。實施過程中，除了考慮節(jié)能技術(shù)本身的先進(jìn)性外，還要分析節(jié)能技術(shù)與機(jī)房現(xiàn)有設(shè)備的匹配度，通過合理應(yīng)用真正實現(xiàn)能效提升、能耗降低的目標(biāo)。