通信機房節能改造應用及新技術研究

李祥中

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

“十四五”期間，我國數字經濟應用更加深化，通信行業能耗持續增長。能源消耗的問題已經成為了全球性的難題，為了降低能耗、節約能源，通信機房節能改造，減少通信機房的能耗成為了一個熱門話題。

1 通信機房能耗的來源

通信機房的能耗主要來自于以下幾個方面：一是設備運行的能耗，通信機房中的設備是能耗的主要來源，而且設備本身的能耗隨著設備數量和規模的增加而增加，設備運行的能耗占通信機房總能耗的70%以上；二是機房空調的能耗，為保證通信機房的穩定運行，需要對通信機房進行恒溫、恒濕的控制，機房空調的能耗占到了通信機房總能耗的20%以上；三是其他設備的能耗，如不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）、發電機、照明系統等，占到了通信機房總能耗的10%左右。

不同的電量使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值對應的能耗占比不同，具體如圖1 所示。

圖1 不同PUE 值對應的能耗占比

2 通信機房節能改造的目前應用

2.1 節能監控

節能監控系統是對通信機房的能源消耗進行實時監控和管理的系統。其主要通過傳感器采集數據，對機房內部環境進行實時監測和分析，并采用執行器或控制器等設備，對機房的空調、照明、電力等設備進行自動化控制，從而實現機房的智能化節能管理。節能監控系統主要包括空調節能控制、照明節能控制、電力管理以及數據采集和分析等。

如某C-Cooling 雙碳平臺，通過大數據、建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）等技術，借助人工智能、物聯網技術、深度融合低碳化以及數字化技術，建立能耗監測和評估管理體系，提高現有供能設備的效率，實現節能增效及高效管理目標。

2.2 空調節能

通信機房的空調系統是其能耗的重要來源，機房節能改造的重點在于空調系統的改造。改造方案包括使用高效節能的空調設備，如熱管背板空調、熱回收空調、風機盤管空調以及冷熱源分離的空調系統等。

分布式熱管背板空調是在常規機柜基礎上，機柜后門采用熱管排熱背板，背板上管路內的制冷劑蒸發吸熱，借助循環將熱量排出機房。制冷劑的循環依靠重力，無須其他動力[1]。這種分布式熱管背板空調的可靠性高、顯熱比大，廣泛適用于各種機房環境。

冷熱源分離的空調系統將制冷和制熱分開進行，避免了傳統空調系統中制冷和制熱同時進行的情況，從而能夠大幅度降低能耗。冷熱源分離的空調系統可以根據需求進行靈活調節，實現精準控制，也可以采用多機組聯合運行的方式，既提高了系統的可靠性，又實現了能耗備份和平衡。

2.3 照明節能

機房的照明系統也是其能耗的重要來源，因此采用高效節能的照明設備、合理設置照明方案，可以有效降低機房的能耗。

在通信機房照明節能改造中，不僅可以采用發光二極管（Light Emitting Diode，LED）燈具，還可以采用光感控制技術。光感控制技術通過安裝在機房內的傳感器來實現，傳感器會感應到周圍環境的人員、光線強度，并將這些信息傳輸給控制系統?？刂葡到y會根據傳感器的反饋信息，實現燈光亮度的自動調節，從而降低能耗。光感控制可以根據工作、監控、應急等不同場景細化為多種控制模式，如工作模式可以實現“人來燈亮，人走燈滅”。

2.4 設備節能

2.4.1 通信設備節能

通信設備主要需要考慮芯片能耗，特別是信息轉化芯片的耗能。可以從工藝和設計2 個方面考慮降低芯片能耗，如采用降低電路漏電功耗、關掉不使用模塊的電源等方法。

2.4.2 電源設備節能

電源系統通常都是模塊化設計，按使用需求配置，更高的容量可以通過擴展插框的方式實現。模塊化電源系統可支持多個用戶，具有智能化的電源系統還可支持疊光、錯峰、削峰等特性，滿足多種需求。

2.4.3 降低市電需求

城區內通信機房市電多采用220 V 轉供電，新增5G 基站大部分在現有存量4G 站點上共址建設。由于5G 設備功耗較大，原有市電余量無法滿足新增功率，多數需要進行市電改造。即使現有市電容量輕微不滿足，為了安全運行也需要進行市電改造。采用組合鋰電池作為循環電池，原有的鉛酸電池作為備用電池，用電低谷時蓄電池工作在充電狀態，出現用電高峰時蓄電池放電，這種方式降低了市電總容量需求，可以實現基站的免改造或少改造，節省改造投資[2]。其他方法包括錯峰充電、限流充電、備用電池削峰等，或者采用以上組合方式，都可以降低市電改造需求。

2.4.4 電池共用管理器

差異化電池共用管理器（Difference Battery Management System，DBMS）具備多路電池接入端口，鋰電和鉛酸電池可以任意并聯擴容；通過對各端口獨立控制，支持不同電池同充同放，節省充電時間，提升放電功率。差異化電池共用管理器實現了差異電池組（不同容量、不同類型、不同壽命）的共用，放電時控制鋰電優先放電，實現錯峰用電或者負載削峰功能，充電時鋰電和鉛酸分別按各自的限流設置點充電，充電電流準確可控，提高了新舊電池的有效利用率，延長了蓄電池資源的使用壽命。

3 通信機房節能改造的新技術

3.1 散熱隔熱材料

3.1.1 機房表面反射材料

某課題組研究了高效反射涂層，這種雙層納米顆粒涂層具有高反射率，理論上在直接太陽輻射下低于環境溫度5 ℃，在夜間可低于環境溫度17 ℃[3]。對于采用彩鋼材質建設的機房，可在外部噴涂隔熱涂料對太陽光進行反射隔離，內部增加隔熱材質，降低空調的運行時間，節電可達到12%左右[4]。

3.1.2 機房隔熱墻材料

隔熱墻可以采用多種材料進行制作，如巖棉板、聚苯板、玻璃棉板等。這些材料具有較好的隔熱性能，可以有效減少機房內部的熱量傳輸，降低機房的能耗。

3.2 新風系統應用

利用室外天然冷源（地下水等）進行物理降溫后，冷空氣通過新風冷氣機送入機房，降低機房溫度。新風系統與空調系統配合使用，改善機房氣流，改變空調單一制冷的工作方式，降低能源消耗。該系統可以解決機房局部高溫過熱問題，滿足制冷需求，降低空調能耗。新風系統還可以與智能控制系統聯動，實現更加智能化的控制，提高節能效果。

3.3 高效節能空調

高效節能空調技術是通信機房節能改造的重要技術之一，如多聯模塊化空調和空調人工智能（Artificial Intelligence，AI）節能技術。

多聯模塊化空調有3 種運行模式，即物理冷卻、機械制冷以及混合制冷，根據室內制冷需求和室外溫度自動切換。當室外溫度變化滿足條件時，利用自然冷源工作在物理冷卻模式，最大化利用自然冷源進行節能運行。多聯模塊化空調適合距離遠、高差大的安裝方式，自然冷源利用率高，環境適用性強，遠勝于傳統空調[5]。

空調AI 節能技術包含2 個主要功能，即溫度預測和策略生成[6]。溫度預測功能是通過分析溫度、濕度、運行參數等往期數據，結合不同空調運行參數，預測將來可能出現的溫度。策略生成功能是根據當前溫度、設備狀態等數據，生成新的控制參數以及控制策略。AI 節能技術在保障環境溫度安全的基礎上，降低空調壓縮機工作時長，有效減少耗電量，適用于大型通信機房和數據中心。

3.4 冷熱通道隔離

冷熱通道隔離技術的原理是將機房內的冷熱空氣隔離開來，使冷氣流和熱氣流不相混，從而降低機房的能耗。

設計時需考慮機房尺寸、空調位置和光纜進局方式等條件，將機房劃分為有源設備區域、無源設備區域。根據有源設備區域的平面布局，擬定不同設備的安裝位置，分離高熱量設備。高功耗、高熱量設備盡量靠近空調安裝，保證設備的散熱條件，避免部分設備出現局部高溫，提高機房使用率，降低機房內的設備故障率。

3.5 機房設備升級

機房設備升級是通信機房節能改造中的一種新技術，其主要作用是更新或替換機房中老舊的設備，通過提高設備性能和能效，降低機房能耗。

具體來說，機房設備升級技術包括以下方面：一是采用智能化監控系統，通過安裝智能化監控系統，實現機房設備的精細化管理，提高設備利用率，降低能耗；二是更換高效節能設備，減少設備能耗；三是采用云計算，將多個機房資源集中管理，提高資源利用率，降低能耗；四是將多個服務器虛擬化為一個物理服務器，提高服務器的利用率，降低能耗；五是模塊化設計可以根據實際需求靈活調整機房設備配置。

4 結 論

從通信機房的節能現狀出發，介紹了一些通信機房節能改造的新技術。這些新技術在通信機房節能改造中的應用效果顯著，能夠大幅降低通信機房的能耗和運行成本，減少對環境的影響，同時提高通信設備的運行效率和穩定性。未來，采用綠色能源、能源回收等新型節能技術，將節能與環保緊密結合，通過采用綠色能源、環保材料和環保工藝等手段，實現通信機房的低碳、可持續發展。同時，注重數據中心的智能化管理，精準控制能源消耗。