通信運營商核心機房節(jié)能改造技術措施研究

鄭小軍

（中電科普天科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引 言

為深入貫徹落實國家碳達峰和碳中和戰(zhàn)略，按照運營商節(jié)能減排總體部署，推進老舊核心機房節(jié)能升級改造，聚焦重構綠色低碳機房，確保改造后核心通信機房的電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）滿足相關部門的要求。老舊機房節(jié)能降碳的難點是機房種類多、用電量大、機房PUE 值高、電源設備功耗高、空調產品單一以及智能化手段缺失等。文章針對核心機房老舊機房的難點，提出符合通信機房現(xiàn)場環(huán)境的節(jié)能改造措施，降低機房PUE 值[1-4]。

1 老舊核心機樓存在的問題

由于老舊的運營商核心機樓投入使用時間早，機房內各種電源、通信設備存在布局不規(guī)范和安裝不合理等諸多問題。第一，氣流組織混亂。由于傳統(tǒng)機房互聯(lián)網技術（Internet Technology，IT）設備進排風方向不一致，且同一機房的空調存在上送風和下送風，導致氣流組織混亂，無法達到最佳制冷效果。傳統(tǒng)通信機房無冷熱通道隔離措施和盲板，冷量無法被IT 設備有效利用，降低冷量利用率，增加空調的功耗。第二，存在無效能耗設備?，F(xiàn)網通信機房內存在低效高能耗且無效的業(yè)務系統(tǒng)、網絡設備、電源空調配套設備以及配線架與線纜等，拆除難度大。第三，空調無自動調節(jié)功能。大部分機房內運行的是風冷定頻空調，能效較低，不具備變頻功能，無法根據(jù)機房內負載的變化自動調節(jié)制冷量，導致制冷過度。第四，無智能群控系統(tǒng)。傳統(tǒng)機房沒有空調群控系統(tǒng)，無法實現(xiàn)輪巡、主備、層疊、避免競爭運行以及溫濕度區(qū)域的控制，空調系統(tǒng)無法達到最佳運行狀態(tài)。第五，無利用自然冷氣的空調制冷系統(tǒng)。現(xiàn)網運行的空調系統(tǒng)大部分為壓縮機制冷的單一冷源，不具備雙冷源功能，不能充分利用低溫天氣的優(yōu)勢。第六，通信設備布局不合理。部分老舊機房通信設備未統(tǒng)一規(guī)劃安裝，機房內IT 負荷不均勻，局部熱點問題較突出。第七，單機柜設計功耗與實際功耗差距大，導致效率低下。

2 節(jié)能改造技術措施

通信運營商核心機房節(jié)能改造的最終目的是降低機房的PUE，實現(xiàn)節(jié)能減排。

2.1 氟泵雙冷源空調

現(xiàn)有老舊通信機房主要采用壓縮機制冷的定頻精密空調，空調功耗過高，導致PUE 值增大。根據(jù)通信機房所屬區(qū)域的氣候條件，可采用氟泵雙冷源空調替換現(xiàn)有高功耗的精密空調，以提升空調的能效水平，降低機房總體能耗。

氟泵雙冷源空調采用智能雙循環(huán)設計，在冬季或過渡季節(jié)室外溫度較低時，利用氟泵對制冷劑進行室外循環(huán)換熱，充分利用室外自然冷源；在夏季或過渡季室外溫度較高時，采用壓縮機對制冷劑進行壓縮循環(huán)換熱。此種智能雙循環(huán)設計使空調在特定時間段內無須開啟壓縮機制冷，降低了空調能耗。在同一套制冷系統(tǒng)中可實現(xiàn)壓縮機制冷、氟泵系統(tǒng)制冷、壓縮機和氟泵混合制冷3 套循環(huán)系統(tǒng)[5]。

當室外環(huán)境溫度較高且大于設定溫度時，開啟壓縮機制冷模式，壓縮機運行，氟泵停止工作。此模式相當于普通的精密空調，機房能耗較高。

當室外環(huán)境溫度較低且低于設定溫度時，壓縮機停止工作，開啟氟泵模式。蒸發(fā)器中的制冷劑與室內空氣換熱后直接進入風冷冷凝器與室外冷源進行換熱，冷卻成液態(tài)后的制冷劑在氟泵的作用下克服管阻回到蒸發(fā)器繼續(xù)換熱，從而達到節(jié)能效果[6]。

當室外環(huán)境溫度略低于設定溫度時，由于氟泵提供的制冷量有限，因此需壓縮機提供部分制冷量，此時開啟混合模式，使壓縮機和氟泵同時工作，達到節(jié)能效果。

2.2 自然冷新風系統(tǒng)

根據(jù)通信機房結構和機房現(xiàn)有氣流組織，配置自然冷卻新風系統(tǒng)。新風系統(tǒng)可以實時監(jiān)測機房內、外環(huán)境參數(shù)，將室外低溫空氣通過過濾、混風、加濕處理后送入機房。通過新風系統(tǒng)的冷風吸收機房內IT 設備等散發(fā)的熱量后，排出室外，實現(xiàn)機房散熱。新風系統(tǒng)利用室外低溫自然冷和機房進行換熱，在一定程度上可替代空調制冷，縮短空調的使用時間，從而降低電能消耗和營運成本，延長空調的使用壽命[7-10]。

2.3 氣流組織優(yōu)化措施

機房氣流組織優(yōu)化是一種提高機房內空氣流動和散熱效率的技術措施，其主要目的是確保機房內的IT 設備在適合的溫濕度條件下運行，提升設備的冷卻效果。

2.3.1 冷熱通道封閉

封閉冷通道指在機柜間或機柜內構建的專門用于機柜設備制冷用的通道，能與機房環(huán)境熱氣完全隔離，并將冷空氣限制在機柜中。這樣可以避免冷熱空氣混合，發(fā)揮冷氣設備散熱作用，提高冷空氣利用率、機房制冷效率和制冷效果。冷空氣從高架地板下吹出，進入密閉的冷池通道。機柜前端的設備吸入冷氣，給設備降溫后形成熱空氣，由機柜后端排出至熱通道。熱通道的氣體迅速返回到空調回風口，使熱回風與冷氣完全隔離。

封閉熱通道指機房中的機柜采用背靠背、面對面的擺放方式，在2 排機柜的正面通道中間布置冷風出口，形成一個冷空氣區(qū)（即冷通道），冷空氣流經設備后形成的熱空氣會排放到2 排機柜背面的熱通道中，通過熱通道上方布置的回風口回到空調系統(tǒng)。這種封閉熱通道可以提高機房精密空調的利用率，進一步提高制冷效果。

2.3.2 精準送風

通過風道（由靜壓箱和風管組成）把空調的冷風送到指定位置，最大限度地利用空調送出的冷量和風量，與通信設備散發(fā)的熱量進行近距離交換，避免通信設備出現(xiàn)高溫或局部過熱現(xiàn)象，減少空調無效部分的制冷功率，從而達到降耗節(jié)能。

精準送風分為上送風和下送風2 種方式。上送風是通過風管送風，將空調出風有組織地送入冷通道或其他需要制冷的區(qū)域。下送風是通過架空地板下送風，地板下形成送風靜壓箱，在冷通道內設置通風地板和送風管道，有組織且有效地為需要制冷的區(qū)域精準送風。通過精準送風，可對熱負荷近距離換熱，按照機架發(fā)熱情況分配冷量，不僅減少了機房熱區(qū)的安全隱患，且提升了空調的運行效率，降低機房能耗。

2.4 采用水噴淋的節(jié)能措施

在傳統(tǒng)的風冷空調制冷系統(tǒng)中，室外機的熱島效應使冷凝溫度升高，可以采用水噴淋的技術來降低冷凝器的溫度，從而降低室外機的溫度。根據(jù)室內機與室外機間熱量交換過程中的熱傳遞機理，建立逆卡諾循環(huán)模型。在逆卡諾循環(huán)中，當制冷機的蒸汽水溫超過冷凝溫度時，就會造成整體制冷量和功率的上升；當冷凝溫度降到規(guī)定值以下時，就會造成整體制冷量和功率的下降。壓氣機效率不變時，隨著冷凝溫度的提高，發(fā)生機組高壓故障的可能性就越小，提高整個制冷系統(tǒng)的能效比，以達到機房的節(jié)能。霧化水噴霧具有以下優(yōu)點：一是增大水和冷凝器之間的接觸區(qū)域，經過霧化的水所接觸到的空氣表面積是純風冷翅片表面積的數(shù)百倍，霧化后水更容易揮發(fā)并帶走更多熱量；二是在霧化水相變氣化過程中，溫度升高到一定程度時，會從冷凝器的進風面向冷凝器內部傳遞熱量，提高冷凝器的冷卻效率；三是隨著風機抽風的增加，負壓上升，導致霧化水在冷凝器內的散熱量降低，從而降低壓縮機模式下的機房能耗。

2.5 空調群控系統(tǒng)

要實現(xiàn)通信機房內空調制冷系統(tǒng)的節(jié)能，選擇高效節(jié)能的空調設備至關重要。因為空調設備節(jié)能并非整個系統(tǒng)節(jié)能，所以需要設計一套智能管控系統(tǒng)，即空調群控系統(tǒng)?？照{群控系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)和人工智能數(shù)據(jù)驅動自學習的方式，尋找空調最佳運行狀態(tài)和設定值，從而達到最佳節(jié)能目標?？照{群控系統(tǒng)從通信機房節(jié)能控制的安全性、成本、高效升級、穩(wěn)定運營、統(tǒng)一數(shù)據(jù)流、統(tǒng)一告警管理、節(jié)能策略可視化以及節(jié)能分析可視化等方面，實現(xiàn)人工智能（Artificial Intelligence，AI）群控節(jié)能的對比、分析和PUE 統(tǒng)計分析等目標。

3 結 論

通信運營商核心機房的PUE 問題是機房全生命周期中必須重視的問題。方案設計時不僅要考慮節(jié)能環(huán)保問題，且要加強對機房的跟蹤管理、持續(xù)優(yōu)化、動態(tài)管理。同時，應考慮如何有效利用有限的資源來降低機房能耗。對于新建機房，要根據(jù)機房特點選擇合適的空調制冷系統(tǒng)；對于已建成的機房，應從技術層面進行改造，提高其能效水平。