通信機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造研究

王紅江，米勝凱

（中通服咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著當(dāng)前經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)的信息技術(shù)領(lǐng)域也取得了巨大的進(jìn)步，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等新興技術(shù)不斷涌現(xiàn)，這些技術(shù)的普及和應(yīng)用導(dǎo)致通信業(yè)務(wù)量的快速增長(zhǎng)，其中對(duì)于通信領(lǐng)域影響最大的莫過(guò)于5G技術(shù)。5G網(wǎng)絡(luò)的高速傳輸和低時(shí)延特性將帶來(lái)更多的應(yīng)用場(chǎng)景，需要更多的通信設(shè)施來(lái)支持。這包括更多的基站、邊緣計(jì)算設(shè)備以及相關(guān)的數(shù)據(jù)中心和機(jī)房。但隨著數(shù)據(jù)中心和通信網(wǎng)絡(luò)機(jī)房的快速增加，它們的能耗問(wèn)題也日益突出。在面對(duì)高能耗問(wèn)題時(shí)，尋求管理和節(jié)能技術(shù)的解決方案變得至關(guān)重要[1]。

1 節(jié)能改造前某通信機(jī)房的空調(diào)系統(tǒng)概況

1.1 冷熱源基本信息

某機(jī)房隸屬于大型通信公司，因?yàn)榻ǔ蓵r(shí)間較早使其遺存了不少問(wèn)題。該通信機(jī)房的冷熱源主要由空調(diào)系統(tǒng)提供，用于維持機(jī)房?jī)?nèi)的適宜溫度和濕度，確保IT設(shè)備的正常運(yùn)行[2]。空調(diào)系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、冷凝器以及蒸發(fā)器等組件。通信機(jī)房通常采用分體式空調(diào)系統(tǒng)，包括室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)。室外機(jī)通常位于機(jī)房外部或屋頂，用于排放熱量。此外，該機(jī)房還存在室外機(jī)安裝不規(guī)范、不合理的情況，受到室外環(huán)境的限制，導(dǎo)致其散熱效果不佳。這些問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致室外機(jī)過(guò)熱，影響空調(diào)系統(tǒng)的性能，使其消耗更多電力來(lái)維持溫度。對(duì)此，機(jī)房設(shè)置了過(guò)低的溫度，但可能導(dǎo)致機(jī)房過(guò)度冷卻。這種情況下，空調(diào)系統(tǒng)會(huì)過(guò)度運(yùn)行，浪費(fèi)能源，同時(shí)使機(jī)房?jī)?nèi)的溫度變化頻繁，對(duì)IT設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)面影響[3]。

1.2 能耗分析

根據(jù)機(jī)房管理人員提供的數(shù)據(jù)，該機(jī)房IT設(shè)備能耗占據(jù)通信機(jī)房總能耗的52%，表明IT設(shè)備的能耗在整個(gè)系統(tǒng)中占據(jù)了重要地位，但仍有潛力進(jìn)行能效改進(jìn)，例如通過(guò)更新設(shè)備、優(yōu)化工作負(fù)載等方式來(lái)減少能耗。機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的能耗占據(jù)機(jī)房總體能耗的38%，說(shuō)明了空調(diào)系統(tǒng)在能源消耗中的重要性。由于室外機(jī)安裝不當(dāng)或環(huán)境限制等，導(dǎo)致室外機(jī)的散熱效果不佳，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。機(jī)房?jī)?nèi)部溫度設(shè)定過(guò)低，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)過(guò)度運(yùn)行，浪費(fèi)能源。除了上述問(wèn)題，通信機(jī)房還存在其他能源浪費(fèi)的潛在因素，如氣流組織不合理、冷熱通道沒(méi)有封閉、局部熱點(diǎn)問(wèn)題等。這些問(wèn)題可能導(dǎo)致能源的浪費(fèi)和能效下降。

2 節(jié)能改造內(nèi)容

2.1 壓縮機(jī)節(jié)能

2.1.1 智能雙循環(huán)機(jī)房空調(diào)節(jié)能改造

（1）節(jié)能模塊整合。在現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)中整合節(jié)能模塊，包括智能溫度和濕度感應(yīng)器、自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及與天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)集成的智能控制系統(tǒng)。這些模塊協(xié)同工作，以確定最佳的運(yùn)行模式和時(shí)段，減少壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間[4]。

（2）變頻制冷劑泵。在低溫季節(jié)或低溫時(shí)段，采用高效、環(huán)保、低功率的變頻制冷劑泵代替原有的壓縮機(jī)。這些制冷劑泵可以更加靈活地調(diào)整輸出，根據(jù)實(shí)際需求來(lái)提供制冷。同時(shí)，盡可能利用室外環(huán)境冷源進(jìn)行制冷。這一舉措可以大大降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗，特別是在寒冷季節(jié)。

2.1.2 新技術(shù)應(yīng)用

引入間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，利用空氣-空氣換熱芯從室外空氣中獲取冷量。這個(gè)過(guò)程不需要直接的壓縮機(jī)制冷，因此可以在一定程度上縮短壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，對(duì)于低溫季節(jié)或低溫時(shí)段非常有效?？紤]采用液冷技術(shù)，通過(guò)液體冷卻系統(tǒng)來(lái)降低機(jī)房?jī)?nèi)的溫度。這種技術(shù)可以有效降低室內(nèi)溫度，減輕空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，從而降低壓縮機(jī)的能耗。改進(jìn)新風(fēng)系統(tǒng)，確保室內(nèi)的新鮮空氣流通，同時(shí)保持適宜的溫度和濕度。新風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化可以降低對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的依賴(lài)，縮短壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間。

2.1.3 更換高能效的變頻壓縮機(jī)

將高能效的變頻壓縮機(jī)引入空調(diào)系統(tǒng)，以替換原有的定頻壓縮機(jī)。變頻壓縮機(jī)具有冷量輸出無(wú)極調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，可以根據(jù)實(shí)際負(fù)荷需求智能調(diào)整運(yùn)行，避免定頻壓縮機(jī)在低負(fù)荷時(shí)的低能效問(wèn)題。引入智能控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)的性能和機(jī)房溫度，確保壓縮機(jī)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。

2.2 風(fēng)機(jī)節(jié)能

2.2.1 采用變頻EC風(fēng)機(jī)

將現(xiàn)有精密空調(diào)系統(tǒng)中的FC（直流）風(fēng)機(jī)改造為變頻EC（電子式交流）風(fēng)機(jī)。EC風(fēng)機(jī)相比傳統(tǒng)FC風(fēng)機(jī)具有更高的運(yùn)行效率，可根據(jù)實(shí)際需求智能調(diào)節(jié)風(fēng)速，從而降低能耗。合適的風(fēng)速設(shè)置能夠在滿足散熱需求的同時(shí)減少不必要的能耗，提高風(fēng)機(jī)的可靠性。通過(guò)設(shè)定合適的風(fēng)速來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。風(fēng)速的調(diào)整需要根據(jù)機(jī)房的實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行，以確保充分的空氣流通和散熱效果[5]。

2.2.2 OCC頂置空調(diào)盤(pán)管

引入運(yùn)行控制中心（Operation Control Center，OCC）頂置空調(diào)盤(pán)管技術(shù)，同時(shí)封閉熱通道。這個(gè)系統(tǒng)利用服務(wù)器自身風(fēng)扇來(lái)實(shí)現(xiàn)氣流循環(huán)，而無(wú)須額外的送風(fēng)風(fēng)機(jī)。這種方式有效地減少了能源消耗，特別是在機(jī)房?jī)?nèi)部溫度控制方面。

2.2.3 室外風(fēng)機(jī)的節(jié)能

取代傳統(tǒng)的風(fēng)冷平面型冷凝器，引入全新開(kāi)發(fā)的集中式冷凝器。集中式冷凝器通常包括比例-積分-微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制、變頻調(diào)速、EC風(fēng)機(jī)、V型蒸發(fā)器、模塊化設(shè)計(jì)以及獨(dú)立噴淋等先進(jìn)技術(shù)。它們解決了傳統(tǒng)冷凝器存在的散熱不良、高壓告警、占地面積大以及噪聲大等問(wèn)題，從而降低能耗。同時(shí)改善空調(diào)系統(tǒng)的安裝環(huán)境，如將風(fēng)冷系統(tǒng)改造為水冷或雙冷卻系統(tǒng)（水冷+風(fēng)冷）。

2.2.4 空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)道優(yōu)化

對(duì)通信機(jī)房的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)道設(shè)計(jì)的改進(jìn)，以確保冷風(fēng)和熱風(fēng)能夠有效流通。合理的風(fēng)道設(shè)計(jì)可以減少風(fēng)機(jī)的工作負(fù)荷，降低空氣流動(dòng)的阻力，從而減少風(fēng)機(jī)的能耗。風(fēng)道的密封也是重要的節(jié)能措施。未經(jīng)密封的風(fēng)道可能會(huì)導(dǎo)致冷風(fēng)和熱風(fēng)之間的混合，浪費(fèi)能源。因此，確保風(fēng)道的密封性對(duì)于提高風(fēng)機(jī)的能效至關(guān)重要。

2.2.5 定期維護(hù)和清潔

定期維護(hù)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)包括清潔風(fēng)機(jī)葉片、軸承潤(rùn)滑以及檢查電氣連接等，可以確保風(fēng)機(jī)保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，減少機(jī)械阻力和能源浪費(fèi)。定期清潔和更換空氣過(guò)濾器，確保通信機(jī)房的空氣流通順暢。堵塞的濾網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)需要更多的能量來(lái)推動(dòng)空氣，從而增加能源消耗。

2.3 機(jī)房空調(diào)群控

2.3.1 冗余機(jī)組自動(dòng)備份

引入智能備份策略，確保在一個(gè)機(jī)組故障或不必要的情況下，自動(dòng)啟用備份機(jī)組。當(dāng)主要機(jī)組出現(xiàn)問(wèn)題或不再需要時(shí)，群控系統(tǒng)將自動(dòng)切換到備份機(jī)組，保持機(jī)房?jī)?nèi)的穩(wěn)定環(huán)境。建立故障檢測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組故障并通知運(yùn)維人員，有助于快速響應(yīng)問(wèn)題，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3.2 避免競(jìng)爭(zhēng)運(yùn)行

群控系統(tǒng)可以確保機(jī)組之間的協(xié)同運(yùn)行。通過(guò)集中管理，系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整每個(gè)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，避免競(jìng)爭(zhēng)運(yùn)行和冷卻重疊。這可以通過(guò)智能控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)實(shí)時(shí)需求動(dòng)態(tài)分配工作負(fù)荷。群控系統(tǒng)還可以?xún)?yōu)化機(jī)組的運(yùn)行模式。例如，在低負(fù)荷時(shí)段可以選擇運(yùn)行少數(shù)機(jī)組，以降低總能耗，而在高負(fù)荷時(shí)段可以激活更多機(jī)組，以確保足夠的冷卻能力。

2.3.3 減少人為干預(yù)

群控系統(tǒng)的自動(dòng)化控制功能可以減少人為干預(yù)的需求。系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)設(shè)的條件和參數(shù)來(lái)自動(dòng)調(diào)整機(jī)組的運(yùn)行，無(wú)須手動(dòng)干預(yù)。建立遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理平臺(tái)，允許運(yùn)維人員遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)，可以提高響應(yīng)速度，降低人為控制的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.4 集中管理和控制

群控系統(tǒng)可以整合機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的主要部件，包括冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔等。運(yùn)維人員可以從一個(gè)集中的控制面板上管理和控制整個(gè)系統(tǒng)，提高操作的便捷性和效率。通過(guò)數(shù)據(jù)采集和分析，群控系統(tǒng)可以提供關(guān)于能耗、運(yùn)行效率和維護(hù)需求的實(shí)時(shí)信息，有助于運(yùn)維人員制定優(yōu)化策略，進(jìn)一步降低能耗并延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

2.4 機(jī)房氣流組織優(yōu)化

2.4.1 冷熱通道隔離

采用冷熱通道隔離的方式，將冷氣流和熱氣流分開(kāi)，以減少熱氣流對(duì)冷氣流的干擾，降低冷熱氣流之間的環(huán)流和旁流。通過(guò)設(shè)置封閉墻壁、門(mén)、頂板和地板，確保冷氣流只在冷通道中流動(dòng)，而熱氣流只在熱通道中流動(dòng)。注意冷熱通道隔離的細(xì)節(jié)，如加裝封閉盲板，以封堵任何可能存在的氣流漏洞。定期巡視和維護(hù)，查找和修復(fù)冷氣泄漏的區(qū)域，確保冷熱通道的完整性與有效性。

2.4.2 CFD分析

借助計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術(shù)，對(duì)機(jī)房的氣流組織進(jìn)行分析和模擬。CFD可以模擬冷氣流和熱氣流的流動(dòng)，幫助確定最佳的冷熱通道布局，以提高冷風(fēng)利用率和熱風(fēng)排出效率。此外，CFD分析還可用于識(shí)別機(jī)房?jī)?nèi)的熱點(diǎn)問(wèn)題，找出溫度過(guò)高的區(qū)域，然后采取措施優(yōu)化氣流組織，將冷氣流更精確地引導(dǎo)到這些熱點(diǎn)區(qū)域，以降低溫度，并減少壓縮機(jī)的使用時(shí)間。

2.4.3 群控系統(tǒng)和列間空調(diào)

引入群控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)所有空調(diào)機(jī)組的集中管理。通過(guò)群控系統(tǒng)，可以根據(jù)實(shí)時(shí)需求動(dòng)態(tài)調(diào)整各機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，確保室內(nèi)溫度和濕度的穩(wěn)定性，減少不必要的能耗。選擇列間空調(diào)更靠近發(fā)熱設(shè)備，以?xún)?yōu)化空氣流動(dòng)。

2.4.4 高熱密度解決方案

如果機(jī)房?jī)?nèi)有高熱密度的設(shè)備，如服務(wù)器集群或圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU），則需要采取專(zhuān)門(mén)的氣流組織策略。這包括增加冷氣流供應(yīng)、提高通風(fēng)效率，確保高熱密度區(qū)域得到足夠的冷卻。同時(shí)安裝熱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高熱密度區(qū)域的溫度，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果自動(dòng)調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)，以確保高熱密度設(shè)備的正常運(yùn)行。

2.5 溫濕度優(yōu)化

2.5.1 負(fù)荷均衡

為解決局部過(guò)熱問(wèn)題，采用機(jī)柜間負(fù)荷均衡策略。通過(guò)對(duì)機(jī)柜負(fù)荷的監(jiān)測(cè)和調(diào)整，確保熱量分布更加均勻。通過(guò)重新布置設(shè)備或優(yōu)化設(shè)備的散熱方式，優(yōu)化冷熱通道的隔離，以減少熱空氣對(duì)冷空氣的干擾。

2.5.2 合理的溫度設(shè)定

根據(jù)通信設(shè)備的需求和工作環(huán)境，設(shè)定合理的機(jī)房溫度。通常情況下，通信機(jī)房的溫度設(shè)置為18～27 ℃是合理的，但具體溫度設(shè)定應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。在機(jī)房條件允許的情況下，適當(dāng)提高空調(diào)系統(tǒng)的回風(fēng)溫度。根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，每升高1 ℃的蒸發(fā)溫度，能效比可提高約2%。這可以在不影響設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性的前提下實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約。

2.5.3 持續(xù)監(jiān)測(cè)與調(diào)整

建立溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，定期檢查機(jī)房?jī)?nèi)的溫度和濕度數(shù)據(jù)，有助于快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取糾正措施。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，以滿足機(jī)房?jī)?nèi)不同負(fù)荷和環(huán)境變化的需求。

2.5.4 建立節(jié)能文化

對(duì)機(jī)房管理人員和運(yùn)維人員進(jìn)行培訓(xùn)，提高其對(duì)節(jié)能的認(rèn)識(shí)和意識(shí)，促使員工積極參與能源管理。定期審查和評(píng)估溫濕度優(yōu)化改造的效果，根據(jù)實(shí)際情況持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化方案。

2.6 維護(hù)優(yōu)化

2.6.1 加濕方式調(diào)整

傳統(tǒng)的精密空調(diào)系統(tǒng)通常采用電極加濕或紅外加濕方式，然而這些方法存在一定的問(wèn)題，如加濕過(guò)程會(huì)產(chǎn)生熱輻射，導(dǎo)致周?chē)諝獾臏囟壬仙＿@不僅浪費(fèi)了能源，還可能引起機(jī)房?jī)?nèi)部溫度過(guò)高的問(wèn)題，對(duì)此可以考慮采用濕膜加濕技術(shù)替代傳統(tǒng)的電極加濕或紅外加濕方式。濕膜加濕技術(shù)利用顯熱吸收，通過(guò)濕膜使水汽化，從而提高空氣濕度，并降低空氣溫度。

2.6.2 強(qiáng)化維護(hù)

定期清洗或更換空調(diào)系統(tǒng)的過(guò)濾網(wǎng)，以保持空氣流通暢通，并減少空氣中顆粒物質(zhì)對(duì)設(shè)備的影響。臟污的過(guò)濾網(wǎng)會(huì)降低空調(diào)系統(tǒng)的效率。定期檢查制冷系統(tǒng)的壓力和溫度，確保其正常運(yùn)行。此外，維護(hù)人員應(yīng)定期檢查制冷劑的充填情況，及時(shí)補(bǔ)充或更換制冷劑，以確保系統(tǒng)的制冷效率；定期清洗冷凝器和換熱器，以確保其表面清潔，提高傳熱效率。

2.6.3 提升機(jī)房利用率

提升機(jī)房的利用率，確保機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備的充分利用。當(dāng)機(jī)房利用率較低時(shí)，可以關(guān)閉部分空調(diào)設(shè)備，提高不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）等供電設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率。充分利用能耗管理系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)并記錄機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況。通過(guò)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，確定能耗高的原因，制定節(jié)能措施的重點(diǎn)，評(píng)估節(jié)能效果。

3 結(jié) 論

通過(guò)改造和優(yōu)化措施，通信機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)顯著的能源節(jié)約和效率提升。這不僅有助于降低企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，減輕能源消耗對(duì)環(huán)境的負(fù)擔(dān)，還確保了通信設(shè)備的可靠運(yùn)行。同時(shí)，培養(yǎng)節(jié)能文化和提高員工的節(jié)能意識(shí)也是持續(xù)改進(jìn)的關(guān)鍵因素。