通信機房空調系統節能改造研究

王紅江，米勝凱

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著當前經濟的飛速發展，我國的信息技術領域也取得了巨大的進步，云計算、大數據分析、人工智能等新興技術不斷涌現，這些技術的普及和應用導致通信業務量的快速增長，其中對于通信領域影響最大的莫過于5G技術。5G網絡的高速傳輸和低時延特性將帶來更多的應用場景，需要更多的通信設施來支持。這包括更多的基站、邊緣計算設備以及相關的數據中心和機房。但隨著數據中心和通信網絡機房的快速增加，它們的能耗問題也日益突出。在面對高能耗問題時，尋求管理和節能技術的解決方案變得至關重要[1]。

1 節能改造前某通信機房的空調系統概況

1.1 冷熱源基本信息

某機房隸屬于大型通信公司，因為建成時間較早使其遺存了不少問題。該通信機房的冷熱源主要由空調系統提供，用于維持機房內的適宜溫度和濕度，確保IT設備的正常運行[2]。空調系統包括壓縮機、風機、冷凝器以及蒸發器等組件。通信機房通常采用分體式空調系統，包括室內機和室外機。室外機通常位于機房外部或屋頂，用于排放熱量。此外，該機房還存在室外機安裝不規范、不合理的情況，受到室外環境的限制，導致其散熱效果不佳。這些問題會導致室外機過熱，影響空調系統的性能，使其消耗更多電力來維持溫度。對此，機房設置了過低的溫度，但可能導致機房過度冷卻。這種情況下，空調系統會過度運行，浪費能源，同時使機房內的溫度變化頻繁，對IT設備的穩定運行產生負面影響[3]。

1.2 能耗分析

根據機房管理人員提供的數據，該機房IT設備能耗占據通信機房總能耗的52%，表明IT設備的能耗在整個系統中占據了重要地位，但仍有潛力進行能效改進，例如通過更新設備、優化工作負載等方式來減少能耗。機房空調系統的能耗占據機房總體能耗的38%，說明了空調系統在能源消耗中的重要性。由于室外機安裝不當或環境限制等，導致室外機的散熱效果不佳，進而影響整個系統的性能。機房內部溫度設定過低，導致空調系統過度運行，浪費能源。除了上述問題，通信機房還存在其他能源浪費的潛在因素，如氣流組織不合理、冷熱通道沒有封閉、局部熱點問題等。這些問題可能導致能源的浪費和能效下降。

2 節能改造內容

2.1 壓縮機節能

2.1.1 智能雙循環機房空調節能改造

（1）節能模塊整合。在現有的空調系統中整合節能模塊，包括智能溫度和濕度感應器、自動調節系統以及與天氣預報數據集成的智能控制系統。這些模塊協同工作，以確定最佳的運行模式和時段，減少壓縮機的運行時間[4]。

（2）變頻制冷劑泵。在低溫季節或低溫時段，采用高效、環保、低功率的變頻制冷劑泵代替原有的壓縮機。這些制冷劑泵可以更加靈活地調整輸出，根據實際需求來提供制冷。同時，盡可能利用室外環境冷源進行制冷。這一舉措可以大大降低空調系統的能耗，特別是在寒冷季節。

2.1.2 新技術應用

引入間接蒸發冷卻技術，利用空氣-空氣換熱芯從室外空氣中獲取冷量。這個過程不需要直接的壓縮機制冷，因此可以在一定程度上縮短壓縮機的運行時間，對于低溫季節或低溫時段非常有效。考慮采用液冷技術，通過液體冷卻系統來降低機房內的溫度。這種技術可以有效降低室內溫度，減輕空調系統的負擔，從而降低壓縮機的能耗。改進新風系統，確保室內的新鮮空氣流通，同時保持適宜的溫度和濕度。新風系統的優化可以降低對空調系統的依賴，縮短壓縮機的運行時間。

2.1.3 更換高能效的變頻壓縮機

將高能效的變頻壓縮機引入空調系統，以替換原有的定頻壓縮機。變頻壓縮機具有冷量輸出無極調節的特點，可以根據實際負荷需求智能調整運行，避免定頻壓縮機在低負荷時的低能效問題。引入智能控制和監測系統，以實時監測壓縮機的性能和機房溫度，確保壓縮機在最佳狀態下運行。

2.2 風機節能

2.2.1 采用變頻EC風機

將現有精密空調系統中的FC（直流）風機改造為變頻EC（電子式交流）風機。EC風機相比傳統FC風機具有更高的運行效率，可根據實際需求智能調節風速，從而降低能耗。合適的風速設置能夠在滿足散熱需求的同時減少不必要的能耗，提高風機的可靠性。通過設定合適的風速來實現節能。風速的調整需要根據機房的實際情況來進行，以確保充分的空氣流通和散熱效果[5]。

2.2.2 OCC頂置空調盤管

引入運行控制中心（Operation Control Center，OCC）頂置空調盤管技術，同時封閉熱通道。這個系統利用服務器自身風扇來實現氣流循環，而無須額外的送風風機。這種方式有效地減少了能源消耗，特別是在機房內部溫度控制方面。

2.2.3 室外風機的節能

取代傳統的風冷平面型冷凝器，引入全新開發的集中式冷凝器。集中式冷凝器通常包括比例-積分-微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制、變頻調速、EC風機、V型蒸發器、模塊化設計以及獨立噴淋等先進技術。它們解決了傳統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題，從而降低能耗。同時改善空調系統的安裝環境，如將風冷系統改造為水冷或雙冷卻系統（水冷+風冷）。

2.2.4 空調系統風道優化

對通信機房的空調系統進行風道設計的改進，以確保冷風和熱風能夠有效流通。合理的風道設計可以減少風機的工作負荷，降低空氣流動的阻力，從而減少風機的能耗。風道的密封也是重要的節能措施。未經密封的風道可能會導致冷風和熱風之間的混合，浪費能源。因此，確保風道的密封性對于提高風機的能效至關重要。

2.2.5 定期維護和清潔

定期維護風機系統包括清潔風機葉片、軸承潤滑以及檢查電氣連接等，可以確保風機保持良好的運行狀態，減少機械阻力和能源浪費。定期清潔和更換空氣過濾器，確保通信機房的空氣流通順暢。堵塞的濾網會導致風機需要更多的能量來推動空氣，從而增加能源消耗。

2.3 機房空調群控

2.3.1 冗余機組自動備份

引入智能備份策略，確保在一個機組故障或不必要的情況下，自動啟用備份機組。當主要機組出現問題或不再需要時，群控系統將自動切換到備份機組，保持機房內的穩定環境。建立故障檢測和報警系統，能夠及時發現機組故障并通知運維人員，有助于快速響應問題，確保系統穩定運行。

2.3.2 避免競爭運行

群控系統可以確保機組之間的協同運行。通過集中管理，系統可以動態調整每個機組的運行狀態，避免競爭運行和冷卻重疊。這可以通過智能控制算法來實現，根據實時需求動態分配工作負荷。群控系統還可以優化機組的運行模式。例如，在低負荷時段可以選擇運行少數機組，以降低總能耗，而在高負荷時段可以激活更多機組，以確保足夠的冷卻能力。

2.3.3 減少人為干預

群控系統的自動化控制功能可以減少人為干預的需求。系統可以根據預設的條件和參數來自動調整機組的運行，無須手動干預。建立遠程監測和管理平臺，允許運維人員遠程監控和控制機房空調系統，可以提高響應速度，降低人為控制的風險。

2.3.4 集中管理和控制

群控系統可以整合機房空調系統的主要部件，包括冷水機組、水泵、冷卻塔等。運維人員可以從一個集中的控制面板上管理和控制整個系統，提高操作的便捷性和效率。通過數據采集和分析，群控系統可以提供關于能耗、運行效率和維護需求的實時信息，有助于運維人員制定優化策略，進一步降低能耗并延長設備壽命。

2.4 機房氣流組織優化

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，以減少熱氣流對冷氣流的干擾，降低冷熱氣流之間的環流和旁流。通過設置封閉墻壁、門、頂板和地板，確保冷氣流只在冷通道中流動，而熱氣流只在熱通道中流動。注意冷熱通道隔離的細節，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，查找和修復冷氣泄漏的區域，確保冷熱通道的完整性與有效性。

2.4.2 CFD分析

借助計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術，對機房的氣流組織進行分析和模擬。CFD可以模擬冷氣流和熱氣流的流動，幫助確定最佳的冷熱通道布局，以提高冷風利用率和熱風排出效率。此外，CFD分析還可用于識別機房內的熱點問題，找出溫度過高的區域，然后采取措施優化氣流組織，將冷氣流更精確地引導到這些熱點區域，以降低溫度，并減少壓縮機的使用時間。

2.4.3 群控系統和列間空調

引入群控系統，實現對機房內所有空調機組的集中管理。通過群控系統，可以根據實時需求動態調整各機組的運行狀態，確保室內溫度和濕度的穩定性，減少不必要的能耗。選擇列間空調更靠近發熱設備，以優化空氣流動。

2.4.4 高熱密度解決方案

如果機房內有高熱密度的設備，如服務器集群或圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU），則需要采取專門的氣流組織策略。這包括增加冷氣流供應、提高通風效率，確保高熱密度區域得到足夠的冷卻。同時安裝熱監測系統，實時監測高熱密度區域的溫度，并根據監測結果自動調整空調系統，以確保高熱密度設備的正常運行。

2.5 溫濕度優化

2.5.1 負荷均衡

為解決局部過熱問題，采用機柜間負荷均衡策略。通過對機柜負荷的監測和調整，確保熱量分布更加均勻。通過重新布置設備或優化設備的散熱方式，優化冷熱通道的隔離，以減少熱空氣對冷空氣的干擾。

2.5.2 合理的溫度設定

根據通信設備的需求和工作環境，設定合理的機房溫度。通常情況下，通信機房的溫度設置為18～27 ℃是合理的，但具體溫度設定應根據實際情況進行調整。在機房條件允許的情況下，適當提高空調系統的回風溫度。根據國標規定，每升高1 ℃的蒸發溫度，能效比可提高約2%。這可以在不影響設備運行穩定性的前提下實現能源節約。

2.5.3 持續監測與調整

建立溫濕度實時監測系統，定期檢查機房內的溫度和濕度數據，有助于快速發現問題并采取糾正措施。根據監測數據動態調整空調系統的運行參數，以滿足機房內不同負荷和環境變化的需求。

2.5.4 建立節能文化

對機房管理人員和運維人員進行培訓，提高其對節能的認識和意識，促使員工積極參與能源管理。定期審查和評估溫濕度優化改造的效果，根據實際情況持續改進和優化方案。

2.6 維護優化

2.6.1 加濕方式調整

傳統的精密空調系統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題，如加濕過程會產生熱輻射，導致周圍空氣的溫度上升。這不僅浪費了能源，還可能引起機房內部溫度過高的問題，對此可以考慮采用濕膜加濕技術替代傳統的電極加濕或紅外加濕方式。濕膜加濕技術利用顯熱吸收，通過濕膜使水汽化，從而提高空氣濕度，并降低空氣溫度。

2.6.2 強化維護

定期清洗或更換空調系統的過濾網，以保持空氣流通暢通，并減少空氣中顆粒物質對設備的影響。臟污的過濾網會降低空調系統的效率。定期檢查制冷系統的壓力和溫度，確保其正常運行。此外，維護人員應定期檢查制冷劑的充填情況，及時補充或更換制冷劑，以確保系統的制冷效率；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 提升機房利用率

提升機房的利用率，確保機房內設備的充分利用。當機房利用率較低時，可以關閉部分空調設備，提高不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）等供電設備的轉換效率。充分利用能耗管理系統，監測并記錄機房空調系統的能耗情況。通過數據的統計和分析，確定能耗高的原因，制定節能措施的重點，評估節能效果。

3 結 論

通過改造和優化措施，通信機房空調系統能夠實現顯著的能源節約和效率提升。這不僅有助于降低企業的運營成本，減輕能源消耗對環境的負擔，還確保了通信設備的可靠運行。同時，培養節能文化和提高員工的節能意識也是持續改進的關鍵因素。