通信運(yùn)營商核心機(jī)房節(jié)能改造技術(shù)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(shí)國家碳達(dá)峰和碳中和戰(zhàn)略，按照運(yùn)營商節(jié)能減排總體部署，推進(jìn)老舊核心機(jī)房節(jié)能升級改造，聚焦重構(gòu)綠色低碳機(jī)房，確保改造后核心通信機(jī)房的電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）滿足相關(guān)部門的要求。老舊機(jī)房節(jié)能降碳的難點(diǎn)是機(jī)房種類多、用電量大、機(jī)房PUE 值高、電源設(shè)備功耗高、空調(diào)產(chǎn)品單一以及智能化手段缺失等。文章針對核心機(jī)房老舊機(jī)房的難點(diǎn)，提出符合通信機(jī)房現(xiàn)場環(huán)境的節(jié)能改造措施，降低機(jī)房PUE 值[1-4]。

1 老舊核心機(jī)樓存在的問題

由于老舊的運(yùn)營商核心機(jī)樓投入使用時間早，機(jī)房內(nèi)各種電源、通信設(shè)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(jī)房互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet Technology，IT）設(shè)備進(jìn)排風(fēng)方向不一致，且同一機(jī)房的空調(diào)存在上送風(fēng)和下送風(fēng)，導(dǎo)致氣流組織混亂，無法達(dá)到最佳制冷效果。傳統(tǒng)通信機(jī)房無冷熱通道隔離措施和盲板，冷量無法被IT 設(shè)備有效利用，降低冷量利用率，增加空調(diào)的功耗。第二，存在無效能耗設(shè)備?，F(xiàn)網(wǎng)通信機(jī)房內(nèi)存在低效高能耗且無效的業(yè)務(wù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、電源空調(diào)配套設(shè)備以及配線架與線纜等，拆除難度大。第三，空調(diào)無自動調(diào)節(jié)功能。大部分機(jī)房內(nèi)運(yùn)行的是風(fēng)冷定頻空調(diào)，能效較低，不具備變頻功能，無法根據(jù)機(jī)房內(nèi)負(fù)載的變化自動調(diào)節(jié)制冷量，導(dǎo)致制冷過度。第四，無智能群控系統(tǒng)。傳統(tǒng)機(jī)房沒有空調(diào)群控系統(tǒng)，無法實(shí)現(xiàn)輪巡、主備、層疊、避免競爭運(yùn)行以及溫濕度區(qū)域的控制，空調(diào)系統(tǒng)無法達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。第五，無利用自然冷氣的空調(diào)制冷系統(tǒng)?，F(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行的空調(diào)系統(tǒng)大部分為壓縮機(jī)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(shè)備布局不合理。部分老舊機(jī)房通信設(shè)備未統(tǒng)一規(guī)劃安裝，機(jī)房內(nèi)IT 負(fù)荷不均勻，局部熱點(diǎn)問題較突出。第七，單機(jī)柜設(shè)計(jì)功耗與實(shí)際功耗差距大，導(dǎo)致效率低下。

2 節(jié)能改造技術(shù)措施

通信運(yùn)營商核心機(jī)房節(jié)能改造的最終目的是降低機(jī)房的PUE，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

2.1 氟泵雙冷源空調(diào)

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

氟泵雙冷源空調(diào)采用智能雙循環(huán)設(shè)計(jì)，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(jìn)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(jī)對制冷劑進(jìn)行壓縮循環(huán)換熱。此種智能雙循環(huán)設(shè)計(jì)使空調(diào)在特定時間段內(nèi)無須開啟壓縮機(jī)制冷，降低了空調(diào)能耗。在同一套制冷系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)制冷、氟泵系統(tǒng)制冷、壓縮機(jī)和氟泵混合制冷3 套循環(huán)系統(tǒng)[5]。

當(dāng)室外環(huán)境溫度較高且大于設(shè)定溫度時，開啟壓縮機(jī)制冷模式，壓縮機(jī)運(yùn)行，氟泵停止工作。此模式相當(dāng)于普通的精密空調(diào)，機(jī)房能耗較高。

當(dāng)室外環(huán)境溫度較低且低于設(shè)定溫度時，壓縮機(jī)停止工作，開啟氟泵模式。蒸發(fā)器中的制冷劑與室內(nèi)空氣換熱后直接進(jìn)入風(fēng)冷冷凝器與室外冷源進(jìn)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(dá)到節(jié)能效果[6]。

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

2.2 自然冷新風(fēng)系統(tǒng)

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

2.3 氣流組織優(yōu)化措施

機(jī)房氣流組織優(yōu)化是一種提高機(jī)房內(nèi)空氣流動和散熱效率的技術(shù)措施，其主要目的是確保機(jī)房內(nèi)的IT 設(shè)備在適合的溫濕度條件下運(yùn)行，提升設(shè)備的冷卻效果。

2.3.1 冷熱通道封閉

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

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

2.3.2 精準(zhǔn)送風(fēng)

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

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

2.4 采用水噴淋的節(jié)能措施

在傳統(tǒng)的風(fēng)冷空調(diào)制冷系統(tǒng)中，室外機(jī)的熱島效應(yīng)使冷凝溫度升高，可以采用水噴淋的技術(shù)來降低冷凝器的溫度，從而降低室外機(jī)的溫度。根據(jù)室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)間熱量交換過程中的熱傳遞機(jī)理，建立逆卡諾循環(huán)模型。在逆卡諾循環(huán)中，當(dāng)制冷機(jī)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(dāng)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(jī)效率不變時，隨著冷凝溫度的提高，發(fā)生機(jī)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(dá)到機(jī)房的節(jié)能。霧化水噴霧具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是增大水和冷凝器之間的接觸區(qū)域，經(jīng)過霧化的水所接觸到的空氣表面積是純風(fēng)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(jìn)風(fēng)面向冷凝器內(nèi)部傳遞熱量，提高冷凝器的冷卻效率；三是隨著風(fēng)機(jī)抽風(fēng)的增加，負(fù)壓上升，導(dǎo)致霧化水在冷凝器內(nèi)的散熱量降低，從而降低壓縮機(jī)模式下的機(jī)房能耗。

2.5 空調(diào)群控系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)通信機(jī)房內(nèi)空調(diào)制冷系統(tǒng)的節(jié)能，選擇高效節(jié)能的空調(diào)設(shè)備至關(guān)重要。因?yàn)榭照{(diào)設(shè)備節(jié)能并非整個系統(tǒng)節(jié)能，所以需要設(shè)計(jì)一套智能管控系統(tǒng)，即空調(diào)群控系統(tǒng)?？照{(diào)群控系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)和人工智能數(shù)據(jù)驅(qū)動自學(xué)習(xí)的方式，尋找空調(diào)最佳運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)定值，從而達(dá)到最佳節(jié)能目標(biāo)?？照{(diào)群控系統(tǒng)從通信機(jī)房節(jié)能控制的安全性、成本、高效升級、穩(wěn)定運(yùn)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(shí)現(xiàn)人工智能（Artificial Intelligence，AI）群控節(jié)能的對比、分析和PUE 統(tǒng)計(jì)分析等目標(biāo)。

3 結(jié) 論

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