通信机楼能效模型研究及应用
2017-02-14程劲晖
◆王 文 程劲晖
（广东省电信规划设计院有限公司 广东 510630）
通信机楼能效模型研究及应用
◆王 文 程劲晖
（广东省电信规划设计院有限公司 广东 510630）
本文对国内某运营商通信机楼节能减排工作进行跟踪研究,从能耗构成、能效指标及预测模型等方面进行深入研究，并应用研究模型对典型机楼主要节能技术的能效影响进行预测分析,提出能效优化意见,为通信机楼能效规划及节能改造提供了一种有效的工具。
通信机楼; 能效指标; 预测模型
1 背景及意义
1.1 研究背景
（1）通信机楼能效水平显著提高
通过多年来的持续关注与改进，通信机楼能源利用效率得到了显著提升:
通信机楼总体平均PUE，达1.9左右，分布在1.4-3.0的较大范围内。
通信机楼能效水平相对较高,超过80%的数据中心机楼的PUE值分布在1.5～2.0范围内,近10%的数据中心机楼PUE值低于1.5。
（2）通信机楼能效提升潜力明显
通信机楼结构及用途多样，能源利用效率差异很大，水平参差不齐。
目前还存在数量可观的老旧通信机楼，送风方式不够科学，气流组织不合理，缺乏有效节能措施，机房能效状况不佳。
相关节能建设规范不断出台，各种节能技术及措施不断涌现，为进一步提高机楼能效水平提供了良好的基础。
（3）通信机楼能效研究方法待改进
预测性不够:当前各通信机楼能效数据主要来源于实测，缺乏足够的理论基础及统一测算模型，难以对机楼能效水平进行合理评估。
指导性欠缺:无法有效预估分析各项节能技术及改造措施对能效水平的影响。机楼的节能规划设计、建设改造工作缺乏明确的目标及指引。
对比分析难实现:难以在不影响网络正常运行的情况下对改造前后的机楼能效水平进行对比研究。
1.2 研究意义
（1）能效模型的建立可为通信机楼PUE的测算提供理论依据和计算方法，可用于对机楼PUE实测值的合理性进行分析及验证。
（2）可运用通信机楼能效模型对各项节能技术及改造措施对能效水平的影响进行预测，提高节能建设及改造项目决策的合理性、增强节能建设及优化改造工作的目标性。
2 研究内容及成果
2.1 能耗结构
通信机楼一般由所在地电网或专用的发电设施提供电力，经过变、配电等环节处理后，为楼内用电设备提供电源。其能耗主要分为生产能耗和非生产能耗两大部分。
2.2 能效指标
目前通信机楼能效指标主要可分为两大类，分别为能源消耗结构性指标和能源消耗效果性指标:
能源消耗结构指标中最常见的就是PUE，以此为基础，综合考虑指标的可测量性、可比较性和可优化性，可增加制冷负载系数（CLF）、供配电负载系数指标（PLF），与PUE一起作为通信机楼能源消耗结构测评指标。
从运营商的角度来看，通信机楼就像一台通信设备，输入的是电能，输出的是各种通信专业能力。能源消耗效果指标（TEer、EEer等）可以衡量通信机楼消耗的电能中究竟有多少被用于有效进行信息计算及处理。能源消耗结构指标是目前社会上广泛接受的能效衡量指标，而能源消耗效果指标则是通信运营商在衡量通信机楼能效水平是重点参考的指标之一。
图1 通信机楼能耗结构
2.3 能效模型
未来很长一段时间内，能源利用效率PUE仍将是衡量通信机楼能效水平的最主要指标。根据通信机楼能耗结构及各部分能耗计算模型，针对能效指标PUE的能效计算模型如下:
A:空调暖通设备功耗（kW）
A’:智能通风设备能耗（kW）
B:专业主设备实际功耗（kW）
C:供配电设备损耗（kW）
D:照明设备功耗（kW）
（1）不考虑节能减排措施
PUE=（A+B+C+D）/ B
其中:
A=（Q主设备+Q围护结构传热+Q供配电+Q照明+Q新风）×气流损失系数/功的热当量/空调能效比
B=规划机架数×单机架平均功率×装机率×综合系数
C= Q供配电/功的热当量
D= Q照明/照明设备热功转换系数
（2）考虑节能减排措施
PUE=（A+A’+B+C+D）/ B
其中:
A，若智能通风系统散热量＞（Q主设备+Q围护结构传热+Q供配电+Q照明+Q新风），则A=0; 否则，A=（Q主设备+Q围护结构传热+Q供配电+Q照明+Q新风+Q通风最大）×气流损失系数/功的热当量/空调能效比
A’，若（t外-t内）＞-10℃，则A’=0; 若A=0，则A‘=（Q主设备+Q围护结构传热+Q供配电+Q照明+Q新风）×气流损失系数/功的热当量/智能通风系统能效比; 否则，A’= Q通风最大×气流损失系数/功的热当量/智能通风系统能效比
B=规划机架数×单机架平均功率×装机率×综合系数
C= Q供配电/功的热当量
D= Q照明/照明设备热功转换系数
2.4 模型实测验证
为了验证通信机楼能耗及能效计算模型，本文对运营商华南地区某IDC通信机楼进行了调研及实测，验证情况如下:
表1 某通信机楼能效实测验证
3月份气候凉爽，空调仅两台大机组运行，机楼PUE水平相比炎热月份更优，实测计算值约1.85左右。实测与模型计算PUE值误差为2.4%。
8月份相比3月份，主设备规模扩容，月耗电总量增加; 且8月份气候炎热，除两台大机组空调外，另有1台小机组投入运行，机楼PUE水平相对较差，达1.95左右。实测与模型计算PUE值误差为3.5%
机楼实测验证结论:机楼实测能效水平与模型计算值变化趋势基本一致，月PUE值误差不超过4%，年均PUE误差为2%，初步验证了通信机楼能耗模型及计算方法的合理性。
3 研究成果应用
表2 智能通风技术对通信机楼PUE的影响预测
如表2所示，本文运用通信机楼能效模型对主要节能产品和技术的能效影响进行预测、分析，以下列举了三种目前通信机楼节能改造中应用较多的技术措施:
3.1 240V直流+市电直供替代传统塔式UPS
采用240V直流+市电直供系统替代传统塔式UPS后，不间断电源系统效率平均提高了约8.5%，使得供配电系统损耗和空调暖通系统能耗均有下降，而主设备、照明及其他生产能耗基本保持不变，因此，PUE值呈下降趋势，平均优化率达8%左右。
3.2 智能通风节能技术
越寒冷的地区或季节，通信机房室内外温差越大，通风系统向室外传递的热量越多，机房机械制冷负荷越低，PUE值更优。智能通风受地域及气候影响，越寒冷的地区或季节，优化效果越好，夏热冬暖地区效果甚微。
3.3 空调系统下送风改造
对于热岛现象较严重的上送风通信机楼，下送风改造对降低PUE的效果显著,要好于智能通风,尤其是改造过程着重改善机房内气流组织,受外界气候影响小,在夏热冬暖地区效果依然明显。
表3 下送风改造对通信机楼PUE的影响预测
4 结束语
本文的研究重点是建立一套适用于通信机楼能效预测分析的方法及模型，并通过对某运行商典型机楼的实测，初步验证了本文所构建的模型的正确性及合理性。下一步将针对对不同气候区域的典型通信机楼进行实测研究，对模型进行完善及修正，建立一套适用于所有气候区域的、具有良好可操作性的通信机楼能效分析及预测模型。
[1]YD/T1051-2010.通信局（站）电源系统总技术要求，2010.
[2]YDB037-2009.通信用240V直流供电系统技术要求，2009.
[3]GB 50736-2012.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范，2012.
