降低調度大樓精密空調能耗的途徑分析

王 平 傅 鵬 楊晏文 上海鐵路局信息技術所

降低調度大樓精密空調能耗的途徑分析

王 平 傅 鵬 楊晏文 上海鐵路局信息技術所

針對上海路局客專調度樓32個信息機房，依據實測的環境特點和現場調研情況。經分析研究，優化機房氣流組織；冬季過渡季利用新風冷卻；同一個機房多臺精密空調采用聯網控制；適當調低冬季過渡季精密空調冷凝壓力設定值；精密空調與舒適性空調進行熱轉移等簡單可行的方式，來有效降低精密空調運行能耗，減少運營成本，規避安全風險，實現良好的經濟和社會效益。

精密空調能耗；機房氣流組織；新風冷卻；聯網控制；熱回收

1 概述

鐵路運輸已步入信息時代，鐵路企業的業績和發展戰略規劃越來越依賴“信息”，其計算機中心機房（以后簡稱機房）不單是進行日常數據存儲和計算，還需要支撐整個鐵路業務系統包括調度、售票、旅服、辦公、通信、監控等工作。一旦機房癱瘓，整個業務系統都將面臨崩潰。同時，數據處理和信息交換量的巨大需求以及機房恒溫恒濕環境的高標準等因素，使得企業面臨電費支出大、能源成本高等新課題。

路局客專調度樓總建筑面積38 702 m2，建筑高度57.1 m，總樓層為7層。全局的列調、客調、貨調、機調、電調等客、貨運調度共172個指揮工臺都集中在此。作為保障與支持體系，整棟大樓有大大小小32個計算機機房，總面積約4 300 m2。機房內計算機內一刻不間斷地運行著TMIS(鐵路運輸管理信息系統)、CTC（調度集中控制系統）、TDCS（調度指揮管理系統）等鐵路運輸的重要應用系統，以及與之配套的票務網、旅服網、辦公網、通信網和監控等網絡系統。

2 能耗分析

機房的能耗主要由IT設備（服務器、交換機、路由器等）用電、制冷設備（精密空調、風機）用電、電源設備（UPS、SPM等）損耗及照明用電等四部分構成。據美國Lawrence Berkeley國家實驗室的調查，一個典型的機房這四部分的電耗比例分別為50%、37%、10%和3%。其中，制冷設備的耗電量僅次于IT主設備的耗電量，位于第二位。因此，提升制冷系統的效率是機房節能的關鍵。

客專調度樓內32座IT機房由101臺依米康精密空調提供恒溫、恒濕的工作環境。精密空調機組內包含了蒸發器、冷凝器、壓縮機、風機、板換、加濕器、電控等部件，可實現高精度的制冷、除濕、加濕等功能，為機房提供全年24 h不間斷的溫濕度保障。2014年客專調度樓全年總用電量近2 500萬kWh。其中，信息設備用電量及為之服務的精密空調用電、照明、損耗等總量約1 740萬kWh，占總電耗的70%左右，能耗較高(電耗分布見圖1所示)。

圖1 上海局客專調度樓2014年分項電耗

進一步拆分機房電耗，其中，信息設備總用電量約占43%，精密空調總用電量約占49%，其余為機房照明及UPS損耗、電源分配損耗等，約占8%左右(機房分項電耗見圖2所示)。

圖2 機房分項電耗

國際上通用機房總用電量和IT設備用電量的比值用PUE來反應機房的總效率。多數的機房PUE在2-3之間，節能型機房的PUE大多在1.2-1.5之間。例如，Google公司的機房PUE年平均值可以達到1.21，中國HP的新一代機房體驗中心機房夏季PUE值可以達到1.6-1.7。而路局客專調度樓機房全年的PUE值只有2.32，離節能型機房還有較大差距，降低精密空調能耗是實現機房高效節能運行的關鍵。

3 節能方案

3.1 優化機房氣流組織

客專調度樓機房存在著氣流組織差、送風效率低下的情況，機房內氣流不適當，用于冷卻的冷空氣約有60%的浪費情況。主要表現在以下幾方面：

（1）送回風短路：部分機房風口布置欠合理，地板送風口正對著吊頂回風口，吊頂負壓將大量送風直接吸回到了吊頂中，形成短路。

（2）冷熱摻混嚴重：部分機架電纜由背面接入，接口處敞開，未設置電纜密封環。冷風由接入口進入機架排熱風扇處。由于風扇處為正壓，冷風無法進入機柜起到冷卻效果，與熱風混合后直接排走。

（3）送風口位置和數量布置隨意：根據設計，機房送風口設置應根據設備位置和發熱量情況確定。但實際上客專調度樓機房后期送風口設置較為隨意。有的機柜兩旁送風口數量較多，有的較少，也有較隨意地將送風口遮擋的現象，影響了整個送風效果。還有機房增加玻璃隔斷后，未調整風口，導致玻璃隔斷內的機房只有送風口，而沒有回風口。這樣做的后果是機房形成正壓，最終冷風無法送進來。

（4）送風量與發熱量不匹配：調研發現，機房信息設備發熱量并非均等，機柜內設備布置情況也不是完全一樣。比如刀片式服務器發熱量巨大，但其只有電纜接入處開了很小的送風口，導致機柜內溫度偏高。而有些機柜內沒有設備，正下方及側面都設有送風口，冷風進入后未冷卻任何設備，最終與機房內空氣摻混后回到精密空調。由于機柜內無設備，阻力小，此處的送風量還會偏大，變相搶走了其他設備的風量。客專調度樓機房不合理氣流組織已嚴重的影響了系統的能效，大大增加了運行能耗，并造成了一定的安全隱患：①冷熱不均，局部過冷、過熱。由于氣流組織不合理，機房送風溫度降不下來，房間常常過度冷卻，如2015年4月實測的通訊機械室、運調電源室的室溫及壁面溫度，均低于機房設計要求值。但很多發熱量大的機柜內仍然得不到足夠的冷卻風量，溫度偏高，遠高于設計要求值。②送回風溫差小，風機能耗大。目前氣流摻混、短路嚴重，拉低了回風溫度，整體為大風量小溫差運行。③精密空調能耗高。送回風溫度低時，精密空調蒸發器的蒸發壓力降低，使得機組COP降低，增加了壓縮機耗電量。④易出現除濕后再加濕。蒸發壓力低導致蒸發器表面溫度低，回風被過度除濕，為了滿足室內濕度要求又需進行補償性加濕，能量浪費嚴重。⑤信息設備運行可靠性降低。不合理的氣流組織無法保障所有設備得到及時和足夠的冷卻風量，極易出現宕機和運行故障等問題。

因此，亟需對機房空調氣流組織做更精細規劃、優化和改進，以滿足機房設備安全、節能、高效運行。

精密空調風機年電耗約408萬kWh，通過氣流組織優化，預計可節省電量102萬kWh，節能率25%。

3.2 利用新風節能

自然資源是最經濟環保的資源，取之不盡，用之不竭，機房設備散熱首選利用大氣的低溫自然冷源。上海地區10月中旬到第二年4月，室外溫度基本在20℃以下，較為涼爽。考慮到機房對溫濕度均有嚴格要求，以室內23℃，55%時空氣焓值47.6 kJ/kg為標準，根據以往氣象參數，室外約有5 000 h的時間溫濕度均合適，可充分利用，比室內空氣循環更節能。客專調度樓機房設有新風系統。根據設計，空調季時提供1次換氣量，以滿足機房正壓要求；過渡季時切換至4次換氣量。實際上，由于機房內顯熱量大，冬季室外焓值低，更適合大風量的換氣，這樣才能充分利用自然冷源，降低機房能耗。以每小時4次換氣計，冬季最冷日新風可帶走0.07 kW/(m3/h)的熱量；而降低至1次/h換氣時，只能帶走0.018 kW/(m3/h)的熱量。通風機均為低能耗設備，單位風量耗功率通常小于0.0004 kW/m3/h，因此冬季4次換氣仍更合適。

據統計，客專調度樓的設備發熱量較大，單位體積散熱量都在0.08 kW/m3以上，無法通過全新風帶走全部熱量。由于管道井、設備等限制，本項目已無法進一步加大新風量。因此，在冬季、過渡季新風換氣時，機房精密空調仍需要開啟。新風應在機房內與回風充分混合，通過精密空調降溫后送入。新風風機以室內外焓差進行控制，當室外焓值低于室內焓值，風機即全部開啟。根據上海地區以往氣象參數，估算冬季、過渡季盡量利用新風制冷可帶走約72萬kWh冷量，以精密空調制冷COP為5計，折合節省電量14.4萬kWh。

3.3 機組協同優化控制

客專調度樓機房基本都設有兩個或兩個以上精密空調供冷，如果不去集中管理，就會出現兩種耗能情況：1）即使機房冷卻需求下降，仍保持多臺機組運行的狀態，單臺機組負荷率降低，效率降低；2）容易出現冷熱抵消、除濕加濕抵消情況，即部分機組在制冷，部分機組在制熱，或部分機組在加濕，部分機組在除濕，極其浪費能源。2015年4月實際調研發現部分房間即發現了這種情況，如321門牌的服務器機房精密空調2、3號均在運行狀態，前者處于加濕狀態，后者處于除濕狀態，出現了嚴重的抵消現象。

因此，需要對同一個機房多臺精密空調進行聯網能效管理(精密空調聯網監控系統拓撲結構見圖3所示)。能效管理的內容包括：①判斷機房的總冷卻需求，根據冷卻需求，判斷開啟的精密空調數量。使空調的制冷量與機房的散熱量相匹配。另外，當運行的空調發生故障時，自動啟動其他空調，確保機房安全運行。②實測機房溫濕度情況，根據設定值與實測值判斷熱濕需求，協同控制多臺機組運行，避免出現冷熱或加濕、除濕抵消的情況。熱濕控制擬采用智能預測方式，根據溫度和濕度的聯合變化情況決定是否同時動作，減少不必要的浪費。保守估計，精密空調進行聯網監控管理后，年可降低運行電耗56萬kWh。

圖 3 精密空調監控系統拓撲圖

此外，由于精密空調溫濕度設置對制冷能耗影響巨大，因此應進行合理設置優化。隨著IT設備工藝的提升，其工作溫度要求也有了較大的放寬，因此可根據實際設備的運行要求適當提升機房溫度，有效縮短壓縮機運行時間，降低制冷能耗，對IT設備影響也很小。制冷參數變化 1℃，可產生 5% ~10% 能耗變化。目前機房實測溫度基本在23℃左右，而設計溫度范圍為23±2℃，建議機房設定溫度調至24℃，預計年可節省30.9萬kWh電量，且不會對IT設備產生影響。

客專調度樓精密空調采用定冷凝壓力調節法，設定冷凝壓力18 kg，在這個基礎上，根據冷卻水供水溫度，自動調節冷卻水流量，以保證冷凝壓力不變。但根據卡諾循環原理，冷凝壓力降低可有效提高機組COP。因此，冷凝壓力應根據機組的調節能力，冬季、過渡季室外溫度低時調低冷凝壓力設定值，以提高制冷效率。此項舉措保守估計年可節省壓縮機31.8萬kWh用電量。

3.4 機房余熱回收利用

客專調度樓中共享空間、辦公用房等空調屬于舒適性空調，主要設置在外區,冬季需供暖。而機房屬于工藝性空調，主要集中在內區,有大量的設備散熱,冬季仍需供冷。目前辦公用房冬季通過風冷熱泵采暖，并沒有好好回收利用機房的余熱，形成了雙倍的浪費。

因此，可在精密空調冷卻水去閉式冷卻塔前的路由上增加板式交換器，實現熱量的回收，用于舒適性空調供熱，實現舒適空調耗熱和工藝空調排熱的能量轉移,最大限度地減少外界供給能量。當循環水溫度高于設定上限溫度時,開啟冷卻塔排出多余熱量；當水溫低于設定下限溫度時,通過空氣源熱泵向系統補充熱量。機房熱回收措施可減少熱泵耗電量約123.6萬kWh/年。

4 結論

根據機房空調系統及環境的特點，對上海鐵路局客專調度樓機房空調節能技術改造方案進行了分析研究，結論如下：

（1）機房不合理氣流組織已嚴重的影響了系統的能效，大大增加了運行能耗，并造成了一定的安全隱患。目前情況下，通過調整機架擺放來改善氣流組織，改動量小，并能有效降低能耗。

（2）上海地區10月中旬到第二年4月，室外空氣焓值合適，可充分利用自然冷源，降低機房能耗。冬季室外焓值低，更適合大風量的換氣。由于管道井、設備等限制，本項目已無法進一步加大新風量，新風可在機房內與回風充分混合，通過精密空調降溫后送入。新風風機以室內外焓差進行控制，當室外焓值低于室內焓值，風機即全部開啟。

（3）通過對同一個機房多臺精密空調聯網的監控能效管理，可有效避免冷熱抵消、除濕加濕抵消的情況，降低空調能耗。

（4）由于IT設備工藝提升，可適當提升機房溫度，有效縮短壓縮機運行時間，降低制冷能耗。

（5）精密空調冷凝壓力，應根據機組的調節能力，冬季、過渡季室外溫度低時調低冷凝壓力設定值，以提高制冷效率。

（6）在精密空調冷卻水去閉式冷卻塔前的路由上增加板式交換器，可實現舒適空調耗熱和精密空調排熱的能量轉移,最大限度地減少外界供給能量。

隨著我國鐵路的快速發展，采取有效措施，降低鐵路信息機房的空調運行能耗，減少運營成本，是鐵路行業落實科學發展觀、實現節能減排的重要技術手段。通過系統性、整體性的空調節能改造規劃，預計上海客專調度樓機房全年節電量358萬kWh以上，占機房2014年總耗電量20.6%以上，并有效的降低安全風險，實現良好的經濟和社會效益。

責任編輯：宋 飛

來稿時間：2015-8-13