降低调度大楼精密空调能耗的途径分析

王 平 傅 鹏 杨晏文 上海铁路局信息技术所

降低调度大楼精密空调能耗的途径分析

王 平 傅 鹏 杨晏文 上海铁路局信息技术所

针对上海路局客专调度楼32个信息机房，依据实测的环境特点和现场调研情况。经分析研究，优化机房气流组织；冬季过渡季利用新风冷却；同一个机房多台精密空调采用联网控制；适当调低冬季过渡季精密空调冷凝压力设定值；精密空调与舒适性空调进行热转移等简单可行的方式，来有效降低精密空调运行能耗，减少运营成本，规避安全风险，实现良好的经济和社会效益。

精密空调能耗；机房气流组织；新风冷却；联网控制；热回收

1 概述

铁路运输已步入信息时代，铁路企业的业绩和发展战略规划越来越依赖“信息”，其计算机中心机房（以后简称机房）不单是进行日常数据存储和计算，还需要支撑整个铁路业务系统包括调度、售票、旅服、办公、通信、监控等工作。一旦机房瘫痪，整个业务系统都将面临崩溃。同时，数据处理和信息交换量的巨大需求以及机房恒温恒湿环境的高标准等因素，使得企业面临电费支出大、能源成本高等新课题。

路局客专调度楼总建筑面积38 702 m2，建筑高度57.1 m，总楼层为7层。全局的列调、客调、货调、机调、电调等客、货运调度共172个指挥工台都集中在此。作为保障与支持体系，整栋大楼有大大小小32个计算机机房，总面积约4 300 m2。机房内计算机内一刻不间断地运行着TMIS(铁路运输管理信息系统)、CTC（调度集中控制系统）、TDCS（调度指挥管理系统）等铁路运输的重要应用系统，以及与之配套的票务网、旅服网、办公网、通信网和监控等网络系统。

2 能耗分析

机房的能耗主要由IT设备（服务器、交换机、路由器等）用电、制冷设备（精密空调、风机）用电、电源设备（UPS、SPM等）损耗及照明用电等四部分构成。据美国Lawrence Berkeley国家实验室的调查，一个典型的机房这四部分的电耗比例分别为50%、37%、10%和3%。其中，制冷设备的耗电量仅次于IT主设备的耗电量，位于第二位。因此，提升制冷系统的效率是机房节能的关键。

客专调度楼内32座IT机房由101台依米康精密空调提供恒温、恒湿的工作环境。精密空调机组内包含了蒸发器、冷凝器、压缩机、风机、板换、加湿器、电控等部件，可实现高精度的制冷、除湿、加湿等功能，为机房提供全年24 h不间断的温湿度保障。2014年客专调度楼全年总用电量近2 500万kWh。其中，信息设备用电量及为之服务的精密空调用电、照明、损耗等总量约1 740万kWh，占总电耗的70%左右，能耗较高(电耗分布见图1所示)。

图1 上海局客专调度楼2014年分项电耗

进一步拆分机房电耗，其中，信息设备总用电量约占43%，精密空调总用电量约占49%，其余为机房照明及UPS损耗、电源分配损耗等，约占8%左右(机房分项电耗见图2所示)。

图2 机房分项电耗

国际上通用机房总用电量和IT设备用电量的比值用PUE来反应机房的总效率。多数的机房PUE在2-3之间，节能型机房的PUE大多在1.2-1.5之间。例如，Google公司的机房PUE年平均值可以达到1.21，中国HP的新一代机房体验中心机房夏季PUE值可以达到1.6-1.7。而路局客专调度楼机房全年的PUE值只有2.32，离节能型机房还有较大差距，降低精密空调能耗是实现机房高效节能运行的关键。

3 节能方案

3.1 优化机房气流组织

客专调度楼机房存在着气流组织差、送风效率低下的情况，机房内气流不适当，用于冷却的冷空气约有60%的浪费情况。主要表现在以下几方面：

（1）送回风短路：部分机房风口布置欠合理，地板送风口正对着吊顶回风口，吊顶负压将大量送风直接吸回到了吊顶中，形成短路。

（2）冷热掺混严重：部分机架电缆由背面接入，接口处敞开，未设置电缆密封环。冷风由接入口进入机架排热风扇处。由于风扇处为正压，冷风无法进入机柜起到冷却效果，与热风混合后直接排走。

（3）送风口位置和数量布置随意：根据设计，机房送风口设置应根据设备位置和发热量情况确定。但实际上客专调度楼机房后期送风口设置较为随意。有的机柜两旁送风口数量较多，有的较少，也有较随意地将送风口遮挡的现象，影响了整个送风效果。还有机房增加玻璃隔断后，未调整风口，导致玻璃隔断内的机房只有送风口，而没有回风口。这样做的后果是机房形成正压，最终冷风无法送进来。

（4）送风量与发热量不匹配：调研发现，机房信息设备发热量并非均等，机柜内设备布置情况也不是完全一样。比如刀片式服务器发热量巨大，但其只有电缆接入处开了很小的送风口，导致机柜内温度偏高。而有些机柜内没有设备，正下方及侧面都设有送风口，冷风进入后未冷却任何设备，最终与机房内空气掺混后回到精密空调。由于机柜内无设备，阻力小，此处的送风量还会偏大，变相抢走了其他设备的风量。客专调度楼机房不合理气流组织已严重的影响了系统的能效，大大增加了运行能耗，并造成了一定的安全隐患：①冷热不均，局部过冷、过热。由于气流组织不合理，机房送风温度降不下来，房间常常过度冷却，如2015年4月实测的通讯机械室、运调电源室的室温及壁面温度，均低于机房设计要求值。但很多发热量大的机柜内仍然得不到足够的冷却风量，温度偏高，远高于设计要求值。②送回风温差小，风机能耗大。目前气流掺混、短路严重，拉低了回风温度，整体为大风量小温差运行。③精密空调能耗高。送回风温度低时，精密空调蒸发器的蒸发压力降低，使得机组COP降低，增加了压缩机耗电量。④易出现除湿后再加湿。蒸发压力低导致蒸发器表面温度低，回风被过度除湿，为了满足室内湿度要求又需进行补偿性加湿，能量浪费严重。⑤信息设备运行可靠性降低。不合理的气流组织无法保障所有设备得到及时和足够的冷却风量，极易出现宕机和运行故障等问题。

因此，亟需对机房空调气流组织做更精细规划、优化和改进，以满足机房设备安全、节能、高效运行。

精密空调风机年电耗约408万kWh，通过气流组织优化，预计可节省电量102万kWh，节能率25%。

3.2 利用新风节能

自然资源是最经济环保的资源，取之不尽，用之不竭，机房设备散热首选利用大气的低温自然冷源。上海地区10月中旬到第二年4月，室外温度基本在20℃以下，较为凉爽。考虑到机房对温湿度均有严格要求，以室内23℃，55%时空气焓值47.6 kJ/kg为标准，根据以往气象参数，室外约有5 000 h的时间温湿度均合适，可充分利用，比室内空气循环更节能。客专调度楼机房设有新风系统。根据设计，空调季时提供1次换气量，以满足机房正压要求；过渡季时切换至4次换气量。实际上，由于机房内显热量大，冬季室外焓值低，更适合大风量的换气，这样才能充分利用自然冷源，降低机房能耗。以每小时4次换气计，冬季最冷日新风可带走0.07 kW/(m3/h)的热量；而降低至1次/h换气时，只能带走0.018 kW/(m3/h)的热量。通风机均为低能耗设备，单位风量耗功率通常小于0.0004 kW/m3/h，因此冬季4次换气仍更合适。

据统计，客专调度楼的设备发热量较大，单位体积散热量都在0.08 kW/m3以上，无法通过全新风带走全部热量。由于管道井、设备等限制，本项目已无法进一步加大新风量。因此，在冬季、过渡季新风换气时，机房精密空调仍需要开启。新风应在机房内与回风充分混合，通过精密空调降温后送入。新风风机以室内外焓差进行控制，当室外焓值低于室内焓值，风机即全部开启。根据上海地区以往气象参数，估算冬季、过渡季尽量利用新风制冷可带走约72万kWh冷量，以精密空调制冷COP为5计，折合节省电量14.4万kWh。

3.3 机组协同优化控制

客专调度楼机房基本都设有两个或两个以上精密空调供冷，如果不去集中管理，就会出现两种耗能情况：1）即使机房冷却需求下降，仍保持多台机组运行的状态，单台机组负荷率降低，效率降低；2）容易出现冷热抵消、除湿加湿抵消情况，即部分机组在制冷，部分机组在制热，或部分机组在加湿，部分机组在除湿，极其浪费能源。2015年4月实际调研发现部分房间即发现了这种情况，如321门牌的服务器机房精密空调2、3号均在运行状态，前者处于加湿状态，后者处于除湿状态，出现了严重的抵消现象。

因此，需要对同一个机房多台精密空调进行联网能效管理(精密空调联网监控系统拓扑结构见图3所示)。能效管理的内容包括：①判断机房的总冷却需求，根据冷却需求，判断开启的精密空调数量。使空调的制冷量与机房的散热量相匹配。另外，当运行的空调发生故障时，自动启动其他空调，确保机房安全运行。②实测机房温湿度情况，根据设定值与实测值判断热湿需求，协同控制多台机组运行，避免出现冷热或加湿、除湿抵消的情况。热湿控制拟采用智能预测方式，根据温度和湿度的联合变化情况决定是否同时动作，减少不必要的浪费。保守估计，精密空调进行联网监控管理后，年可降低运行电耗56万kWh。

图 3 精密空调监控系统拓扑图

此外，由于精密空调温湿度设置对制冷能耗影响巨大，因此应进行合理设置优化。随着IT设备工艺的提升，其工作温度要求也有了较大的放宽，因此可根据实际设备的运行要求适当提升机房温度，有效缩短压缩机运行时间，降低制冷能耗，对IT设备影响也很小。制冷参数变化 1℃，可产生 5% ~10% 能耗变化。目前机房实测温度基本在23℃左右，而设计温度范围为23±2℃，建议机房设定温度调至24℃，预计年可节省30.9万kWh电量，且不会对IT设备产生影响。

客专调度楼精密空调采用定冷凝压力调节法，设定冷凝压力18 kg，在这个基础上，根据冷却水供水温度，自动调节冷却水流量，以保证冷凝压力不变。但根据卡诺循环原理，冷凝压力降低可有效提高机组COP。因此，冷凝压力应根据机组的调节能力，冬季、过渡季室外温度低时调低冷凝压力设定值，以提高制冷效率。此项举措保守估计年可节省压缩机31.8万kWh用电量。

3.4 机房余热回收利用

客专调度楼中共享空间、办公用房等空调属于舒适性空调，主要设置在外区,冬季需供暖。而机房属于工艺性空调，主要集中在内区,有大量的设备散热,冬季仍需供冷。目前办公用房冬季通过风冷热泵采暖，并没有好好回收利用机房的余热，形成了双倍的浪费。

因此，可在精密空调冷却水去闭式冷却塔前的路由上增加板式交换器，实现热量的回收，用于舒适性空调供热，实现舒适空调耗热和工艺空调排热的能量转移,最大限度地减少外界供给能量。当循环水温度高于设定上限温度时,开启冷却塔排出多余热量；当水温低于设定下限温度时,通过空气源热泵向系统补充热量。机房热回收措施可减少热泵耗电量约123.6万kWh/年。

4 结论

根据机房空调系统及环境的特点，对上海铁路局客专调度楼机房空调节能技术改造方案进行了分析研究，结论如下：

（1）机房不合理气流组织已严重的影响了系统的能效，大大增加了运行能耗，并造成了一定的安全隐患。目前情况下，通过调整机架摆放来改善气流组织，改动量小，并能有效降低能耗。

（2）上海地区10月中旬到第二年4月，室外空气焓值合适，可充分利用自然冷源，降低机房能耗。冬季室外焓值低，更适合大风量的换气。由于管道井、设备等限制，本项目已无法进一步加大新风量，新风可在机房内与回风充分混合，通过精密空调降温后送入。新风风机以室内外焓差进行控制，当室外焓值低于室内焓值，风机即全部开启。

（3）通过对同一个机房多台精密空调联网的监控能效管理，可有效避免冷热抵消、除湿加湿抵消的情况，降低空调能耗。

（4）由于IT设备工艺提升，可适当提升机房温度，有效缩短压缩机运行时间，降低制冷能耗。

（5）精密空调冷凝压力，应根据机组的调节能力，冬季、过渡季室外温度低时调低冷凝压力设定值，以提高制冷效率。

（6）在精密空调冷却水去闭式冷却塔前的路由上增加板式交换器，可实现舒适空调耗热和精密空调排热的能量转移,最大限度地减少外界供给能量。

随着我国铁路的快速发展，采取有效措施，降低铁路信息机房的空调运行能耗，减少运营成本，是铁路行业落实科学发展观、实现节能减排的重要技术手段。通过系统性、整体性的空调节能改造规划，预计上海客专调度楼机房全年节电量358万kWh以上，占机房2014年总耗电量20.6%以上，并有效的降低安全风险，实现良好的经济和社会效益。

责任编辑：宋 飞

来稿时间：2015-8-13