铁路通信信息业节能减排潜力初探

2012-07-13刘叶青

铁路通信信号工程技术 2012年1期

刘叶青

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251）

《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》明确提出“‘建设资源节约型、环境友好型社会’，‘十一五’期间单位国内生产总值能耗降低20%左右，主要污染物排放总量减少10%”的发展目标。2009年12月的哥本哈根气候大会上，中国作出了“到2020年中国单位GDP二氧化碳排放量比2005年降40%～45%”的承诺。国资委下发《中央企业节能减排监督管理暂行办法》，要求央企“十二五”万元GDP综合能耗下降20%，将节能减排纳入央企负责人任期考核指标，并将中国电信从“一般企业”转为“关注类企业”，加大监管力度。工信部节能司正在组织编制“十二五”十大行业节能规划，通信行业节能规划是其中之一。

1 铁路通信信息节能设计的现状

2007年3月，重新修订的《铁路工程节能设计规范》（TB10016-2006）正式实施，其准则就是贯彻《中华人民共和国节约能源法》和国家有关方针政策，统一铁路工程建设节能设计标准，在铁路工程建设中合理配置和高效利用能源、资源。其中，铁路通信信息在设备及线路的选型、供电方式、机房及设备布置等方面均遵循节能减排的要求制定了相关标准并在设计中执行。

但从目前节能减排的形势要求来看，还应对通信信息的节能减排要求进一步细化、量化能耗指标，研究实现节能减排的各种措施及实用新技术。

2 节能减排技术的选择原则

节能减排必须注意以下几点。

2.1 安全性

节能减排应以确保通信生产安全和设备使用寿命为前提。不能以牺牲通信信息网络的安全作为代价，更不能影响通信信息生产安全。要关注和评估各种节能减排技术可能带来的负面影响，并努力使之降到最低。

2.2 有效性

节能减排只能是把一些原来富余的能量节约下来，而不能把正常生产该消耗的能量也节省掉。

2.3 经济性

节能减排实际上有两种效果：一种是节约资源，另一种是节约金钱。从某种角度来说，节约是节约资源，但不一定可以节约金钱，不能混为一谈。

在开展节能减排工作时，所投入的成本有时会比节约的资金更多，所以单从节约资源的角度来说，节能是非常有意义的，但从经济的角度来说，不一定可以达到节省的效果。应在对节能项目是否做到既节约能源又降低运营成本进行跟踪测试，进行经济效益分析并做出综合评估之后，才最终确定节能效果。

综上所述，节能减排技术选择时应事先对技术的可靠性、节能效果及投资回报进行充分评估。

3 通信信息节能减排的重点领域

根据通信网络结构的特点和能源消耗的构成，通信信息的能源耗能主要是耗电。电能的消耗主要包括日常运作用电和通信网络用电两部分，而通信网络的节能主要在通信信息机房（数据中心）。通信信息机房的用电主要在3个方面。

3.1 通信设备用电

据电信部门的调查统计，通信设备用电大概占了总用电量的40%～50%。因此，网络规划设计时应充分考虑系统设备在节能降耗方面的需求。目前通信网络在用设备新旧交错，从耗电来看也是参差不齐，通过通信网络的规划设计，采用更新改造的方法选择有高效节能技术的产品，更换效率低下的在网设备，合理调整用电负荷，能够非常有效地达到节能的效果。但受网络发展和建设等诸多因素的制约，通过设备改造来达到节能减排的目标需要综合考虑。

3.2 电源系统用电

包括通信电源系统设备本身进行电能转换过程的损耗，接近总用电量的10%。

节能降耗有两种方法和思路。一种是“挖潜节流”,即通过一定的技术手段，提高效率，减少能耗，将原来所耗费资源的富裕量节省下来，例如采用通信电源休眠节能技术，提高通信电源的转换效率等；另一种是“开源拓流”，就是引入新的可利用能源。例如采用风力及光伏供电系统等。

3.3 机房环境用电

包括机房照明、空调制冷和制热。其中照明及其他用电占总用电量的10%左右，空调用电超过了总用电量的40%以上。

空调系统是通信机房的主要耗能设备，应重点考虑机房空调设备的节能技术，因地制宜地合理提出空调设备类型选择的要求，从而处理好机房环境保障和节能的关系。

4 通信信息机房的能耗分析

由于单台通信设备、电源设备及单台照明设备的用电一般在投入运行后基本不变,因此只有在设备采购选型时考虑选择节能型设备，从源头上最大限度地节约用电。而空调系统能耗与设备选型、环境温度、气流组织、送风方式等有很大的关系，成为节能的首要对象。以下对各类设备的用电进行分析。

4.1 通信信息设备的能耗

据某知名电源厂商公布的数据，芯片级每降低1 W的功耗，由此而带来的电源转换、配电系统、UPS、制冷系统和变压器等一系列的功耗降低，将会达到2.68～2.84 W。这种芯片级的节能降耗，将是实现绿色节能的首要措施。

据国外某研究机构对数据中心的能耗分析，数据中心每100 W的能量消耗，最终只有1.4 W用于运算过程，所以芯片级的节能是节能降耗必须关注的重点。

由于通信信息设备全年8 760 h不停运转，所以交换、传输、数据、服务器等设备的耗电量指标、通信电源设备的转换效率指标均应纳入设备选型入围的重要参考因素，从设备采购源头上把好节能关，可以节约大量宝贵的电能。通信设备能耗检测如表1、2所示。

表1 通信设备能耗检测表

表2 刀片服务器设备能耗检测表

从表1、2可以看出，同类型的设备耗电量可相差好几倍。所以说，采购时选用功耗小的通信设备，是节能降耗的首选方式。

4.2 通信电源系统转换效率

高频开关电源系统供电转换效率：不同整流模块的48 V直流供电系统分别在不同的负载率下转换效率相差最大的接近10%。因此选用供电转换效率高的通信电源系统也是一种有效的能源解决方案。如表3所示。

表3 高频开关电源系统供电转换效率

4.3 空调的能耗

1）中央空调制冷主机性能（制冷）系数：制冷量与耗电量的比值如表4所示。

表4 中央空调制冷主机性能（制冷）系数

2）单元式空调机组、恒温恒湿空调的能效比（EER）如表5所示。

表5 单元式空调机组、恒温恒湿空调的能效比

4.4 机房气流组织与能耗的关系

通信信息机房内空调气流组织是否合理，不仅直接影响空调冷却效果，而且也影响空调系统的能耗量。机房内空调的送回风方式不但关系到机柜的冷却效果，而且也关系到空调系统的经济运行。常用气流组织形式有下送风气流组织及上送风气流组织两种。

1）下送风气流组织

下送风机房活动地板的空调送风口一般布置在机柜近侧或机柜底部。冷却空气从设在机柜近侧或机柜底部的活动地板风口送出，送出的低温空气只在瞬间与机房内的热空气混合，即刻从机柜的进风口进入机柜，有效地提高了送入机柜冷却空气的质量，用较少的风量，提高了机柜的冷却效果。

2）上送风气流组织

上送风有很多种回风方式，气流组织是通常采用的全室空调送回风的基本方式。上送风还可分为机房顶送或紧靠机房顶下的上部侧送两种形式。

上送风方式是先调节机房环境，进而调节柜子内通信设备的温度，由于气流组织比较复杂，容易导致较多冷气从机柜以上空间、列间过道及机柜的空置区短路流失，导致能量损失，效率降低。

3）上送风气流组织与下送风气流组织的比较

对大型IDC机房的能耗，下送风专用空调、上送风专用空调以及上送风专用空调和普通空调间隔安装这3种机房的能耗参数进行对比如表6（同室外环境温度35～38℃的状态下）所示。

表6 几种机房的能耗对比

可以看出，不同的气流组织对空调能耗的影响是很大的。设计合理的下送风系统空调与通信设备用电能耗的比值为1∶2，而上送风系统由于难以消除机房热岛现象，导致空调配置很大，上送风系统空调与通信设备用电能耗的比值不到1∶0.9。能源浪费严重。

5 通信信息机房节能减排的措施

通信信息机房在规划设计阶段，应参照节能规范，在机房选址、建筑、机房布局、空调与通风系统、电源系统、设备选型等多方面体现节能减排。规划设计文件应以国家和企业规范为依据，提出具体的节能方案。

5.1 设备选型

交换、传输、数据、服务器等设备的耗电量指标、通信电源设备的转换效率、功率因数等指标均应纳入设备选型入围的重要参考因素，从设备采购源头上把好节能关，在设备招投标的技术规格书中应明确提出对设备的能耗及效率要求，并重点关注芯片级的能耗指标及电源设备的转换效率、功率因数等指标。

5.2 网络规划设计

在进行网络规划设计时，应充分考虑通信信息网络系统设备在节能降耗方面的需求。通过网络规划和设计，优化资源配置和网络架构，选择高效节能的高集成度设备更换性能低、能耗大的在网设备；合理预测和调整用电负荷，采用高频开关电源的休眠功能，避免不必要的电能损耗；优化机房设备布局，各种配线径路应简捷；划分冷热通道、合理优化气流组织方式，为避免前排机柜排风被后排机柜吸入，机柜宜采用面对面、背对背的布置方式；分散摆放耐热性差、散热量高的设备，降低对机房环境的压力，减少机房空调的使用，有效达到节能的效果。

5.3 设备管理

对机房设备进行清理，停用的设备、系统必须及时下电处理；合理设定机房空调温度参数，在满足规程及设备要求前提下，空调温度设定在较高值；多台空调须轮流切换使用，机房温度高时不同时开启，机房温度低时不同时关闭；淘汰发热量大、效率低的电源设备；在安全条件允许的前提下，按最节能方式合理调整电源设备工作负荷率；IDC机房建设应选择制冷效果好的下送风方式；对上送风IDC机房的气流组织也应进行合理调整。

5.4 电源系统配置

机房电源设备应根据设备耗电负荷精确、合理配置，同时较准确地预测负荷增长，既确保其扩容空间和容量可保证中、远期发展，又可避免设备利用率和转换效率过低，引起不必要的电能损耗。

5.5 空调系统的选择

空调系统作为通信机房主要能耗系统之一，是节能重点。空调系统的能耗与设备选型、环境温度、气流组织、送风方式等有很大的关系。

机房温湿度设定应根据通信信息主设备要求和机房重要性具体设置，同时根据季节不同调节温度设定值，机房温度满足18～28℃，相对湿度满足30%～75%。实现空调分区分季精确供冷，减少空调冷量浪费。

因此在设计中，通信信息专业应就空调系统向暖通专业提出明确的要求。

1）根据机房建设规模，选用合适类型高效、节能的机房专用空调。

2）合理进行机房布局，提高制冷效率。

3）组织合理的散热循环、优先考虑下送风（地板下送风）、上送精确送风和通道隔热帘等气流组织方式，实现“先冷设备，再冷环境”的目的。

4）根据当地条件，充分利用自然冷源。

5.6 机房要求、机房环境管理及照明

1）机房要求

通信信息机房除应满足《铁路运输通信设计规范》（TB10006-2005）、《铁路生产设备房屋设计暂行规定》（铁建设（2010）63号）的相关规定，还应满足国家和铁道部节能减排的要求。

通信信息机房总平面的布置和设计，宜充分利用冬季日照和夏季自然通风，并避开冬季主导风向和夏季最大日照朝向。

通信信息机房的门、窗、墙体、屋面（屋顶）、地面（楼板）等设计均应符合节能减排的要求。

2）机房环境管理

通信信息机房的门、窗、孔洞在条件允许时应使用封堵密闭，减少室内冷气外漏或室外热量入内，减少冷气泄漏。不具备条件的可增加防火窗帘，减少外界热辐射；对面积较大的机房增加隔断,对机房天面增加隔热层；严格机房管理，要求进出机房必须随手关门。

3）机房照明

通信信息主机房及辅助生产房屋均应采用绿色照明，即节能灯具，实现节能减排。

6 通信信息节能减排的实用技术

6.1 “挖潜节流”式节能技术

1）空调系统的节能技术

①机房精密空调室外机雾化喷淋和冷凝水回收节能技术

该技术是在空调室外机背面位置安装滴水雾化装置，降低冷凝器进风侧空气的温度，增加冷却侧的散热效率，提高空调的经济性能。

②乙二醇热交换技术

该技术利用自然冷源降温实现节能。乙二醇节能系统与空调系统联动，当室外温度高时，空调制冷，而当室外温度低到一定温度值（如15℃以下）时,乙二醇节能系统工作并关闭空调压缩机，将室外的自然冷源的冷量带到室内实现制冷，从而达到节能目的。

③基站用室内一体化节能型空调节能技术

该技术是当外界温度下降到能够满足室内热负荷要求时，通过微处理控制器使压缩机停止工作，并自动开启电动排气闸，引入外部冷空气进行室内环境温度的控制，以达到设计要求。此时，蒸发器风扇工作，压缩机及冷凝器风扇处于停止工作状态。因此，大大节省了能源。

该技术目前主要在中国移动有应用，节能率可以达到40%。

④新风直接引入节能技术

该技术是利用机房室外的自然环境为冷源，当机房的室外空气温度比机房室内温度低一定程度时（如冬季、春季或秋季晚间），通过新风节能装置引进符合机房空气质量要求的室外自然新风到通信机房内与机房内热空气直接进行热量交换，可以降低机房内环境温度以满足机房环境标准要求，进而达到了节省空调制冷量、节约用电的目的。

⑤变频节能技术

中央空调耗电量大，设计富裕度也大。通过变频器来改变压缩机供电频率，调节压缩机转速，依靠压缩机转速的快慢达到控制室温的目的，避免了压缩机频繁的开停对设备造成的损伤，压缩机降速运行和软启动，减少了对电网的冲击，耗电量大大下降，从而实现了高效节能。

2）电源系统的节能技术

猫科动物喜欢逗猫棒，不是因为“卖萌”，而是因为捕猎的天性，它们对快速移动的物体有极大的兴趣。对于所有猫科动物来说，尾巴除了可以探测距离，保持身体平衡之外，还是天生的逗猫棒，可以训练幼崽的捕猎能力。

①治理谐波和改善功率因素

电网中非线性负荷产生非正弦谐波电流流过导体时，由于集肤效应的作用，线路有效电阻增加，导体会发热严重，变压器附加损耗增加，电能损耗加剧；谐波还会导致浪涌冲击，在中性线上产生过电流，导致三相电压不平衡，使得功率因数下降。谐波治理可以局部重组电网结构，从而降低线路和变压器的无功电能传输损耗，提高功率因素。

②开关电源休眠节能技术

由于现有的开关电源在一定工作模式下空载损耗是固定不变的。负载增加,带载损耗增加,模块效率也随之升高。通过控制模块工作模式，让部分电源模块进入休眠状态，减小空载损耗并提高模块效率，达到节能的目的。休眠的模块会在需要供电时迅速恢复，可以确保通信安全。

该技术目前在电信及移动均有应用，节能率可以达到6%～15%。

通信保障用油机要定期检查调整气门间隙、喷油压力、供油时间等技术指标，保证油机在最佳工况下运行。一般要求使用沉淀净化后的油料，严禁使用劣质再生油，防止杂质堵塞柱塞和喷油嘴，造成供油时间不准、供油不均匀、雾化不良，导致油耗增加，油机功率下降甚至不能启动。油机超负荷运行，机器会冒黑烟增大油耗，缩短零部件的使用寿命；长时间处于低于30%的轻负荷状况下运行，油机转速较高也不节油，而且机件非常容易损坏。