空调能耗与通信机房环境要素的相关性分析

2023-01-31甘顺水陈业欢

通信电源技术 2022年19期

甘顺水，唐勇，陈业欢，许彦

（1.广西移动区网络运营中心动力运行维护，广西南宁 530219；2.广西移动桂林分公司网络运营中心动力运行维护，广西桂林 541004；3.广西移动北海分公司网络运营中心动力运行维护，广西北海 536000）

0 引言

在机房耗电模型中，除了主设备之外，空调耗电占比最大（30%～45%）。基站机房空调机系统分布比较分散，难以统一集中管控，导致能耗居高不下，主要体现在空调在固定温度设定值下运行，不能根据环境温度情况进行动态调整，从而产生额外能耗[1]。基站主设备能耗特点是闲时和忙时能耗变化较大，特别是大型商场的室分站点，由于手机用户人流存在潮汐效应，因此站点无线设备能耗也存在波峰波谷变化。在此场景下，如果能对空调机进行实时启停控制，使其工作状态能够实时跟随无线设备工作状态变化，从而减少空调机有效运行时间，达到节能目的[2]。通过设定空调日常运行的不同参数和环境条件，实测空调能耗变化情况，分析空调运行能耗与机房环境条件变化之间的关联性，从而找出影响空调运行能耗最大的因素，以此来指导机房建设和节能减排工作。从智能控制空调运行系统入手，通过控制空调系统日常耗电量，在降本增效工作中发挥显著作用[3]。

1 空调系统能耗相关性分析

空调启停节能控制系统构成如图1所示。

图1 空调启停节能控制系统

机房各台空调通过红外控制模块感知，上端接入动环监控系统，下端与空调控制面板对接，实现动环系统远程控制空调启停运行、温度设定等智能化运行控制管理功能。

在进行节能方案测试前，空调综合测试系统的硬件组建准备工作如下。首先，确保动环监控系统能够对空调的启停进行实时控制，并且能够监测到空调的各种运行状态。此外，还可以利用空调自带的远程控制功能，在空调与动环之间加装继电器，实现对空调的启停控制[4]。其次，确保动环监控系统能够实时检测到站点主设备的工作状态，包括工作电流、业务流量以及工作模式（如节电模式）等。工作电流作为主设备功耗的主要评估参数，通过开关电源直流输出端子数据来监测。业务流量和工作模式通过无线网管获取，并通过云端传送到动环系统。最后，安装能够单独对各台空调、基带处理单元（Base Band Unit，BBU）设备能耗进行测量的计量电表，可以通过动环智能电表实现。

为了测试启停运行效果情况，在广西桂林市业务区挑选了几个综合配置条件较好的机房站点进行空调控制系统改造升级，同时加装了空调能耗测量电表，对空调能耗进行单独挂表测量。

2 空调能耗与昼夜温差相关性分析

在机房主设备数量基本稳定的情况下，机房空调运行能耗与环境温度变化影响相关。理论上，环境温度越高，空调运行能耗越大，例如夏季空调能耗大多比冬季高。如果环境温度昼夜比较大，则空调白天和夜晚的能耗也会有较大的偏差，偏差率大小通过实测来验证。以七星区建干路屏风山传输机房为例，设置空调运行温度为25 ℃，白天时段为06:00—18:00，夜晚时段为18:00—次日06:00，机房空调昼夜运行能耗测试数据如表1、表2所示。

表1 机房空调白天运行能耗数据

表2 机房空调夜晚运行能耗数据

空调能耗昼夜温差相关性分析结果如图2所示。

图2 空调能耗昼夜温差相关性分析结果

根据图2可知，在机房内业务设备负载不变、发热量相等、空调运行设置温度相同的情况下，机房空调白天用电量比夜晚增加约15%。两组数据趋势线公式为y=0.700 6x+67.591，说明环境温度每增加1 ℃，空调能耗相应增加0.700 6 kW·h。拟合优度R2=0.14，说明该公式能够解释14%的测试数据，解释力度并不是很强。通过进一步数据分析，两组数据的线性相关系数为0.374 2。

综上所述，机房空调昼夜能耗具有正相关性，即白天能耗增加，则夜晚能耗也相对增加，但是关联性不强。之所以关联性不强，是因为实际测试的机房属于砖砌墙混凝土楼房，墙体的隔热效果比较好，太阳辐射热量对机房内部温度变化的影响较小。为了降低机房空调综合运行能耗，对机房建筑的墙体进行隔热处理很有必要。

3 空调能耗与设定运行温度相关性分析

机房空调默认运行机制为设置温度+1 ℃时压缩机启动，设置温度-1 ℃时停止运行。如果机房空调运行数量过多或运行温度设置过低，将会导致能耗较大。在确保机房设备处于合适的运行温度范围时，适当提高空调的运行温度，以达到节电目的。空调系统启停控制流程如图3所示。

图3 空调启停控制流程

综合分析空调制冷效率及各时间段的升温速率，动态调整空调节电策略。

节电模式下，通过设定高温阈值，终端检测到机房温度达到设定值时自动启动空调。随着温度降低至稳定状态（通过内置算法确定），系统控制空调关闭。

常开模式下，控制空调启动运行2 h，当检测温度达到稳定状态后关闭空调。该模式一般在外界天气温度较高或机房设备发热量较大导致机房温度变化速率较快的情况下启用，可以避免空调频繁开关机。空调启停控制效果测试对比结果如表3所示。

表3 空调启停控制效果测试数据

在空调运行工况不变的情况下，通过提高空调运行温度，同时应用间歇性关断压缩机运行控制算法后，空调压缩机运行状态能够精确匹配机房环境温度变化情况，空调节能效果显著。

4 空调能耗与BBU设备能耗关联性分析

基站无线主设备的能耗理论上与设备运行电流正相关，而无线主设备的运行电流则与设备启用的板卡数量、当前业务流量有关。当无线设备的工作电流较大时，发热量较大。在同一个站点内，通过挂表方式同时测量空调能耗、无线主设备能耗数据，结合无线设备业务流量数据，利用线性相关分析3组数据之间的变化关系。根据机房综合条件，选取广西北海市海城区信息处理中心基站作为测试站点，站点总体环境情况如图4所示，该站点30天的空调能耗与BBU设备能耗测试结果如表4所示。

图4 海城区信息处理中心基站总体情况

表4 空调能耗与BBU设备能耗测试结果

对该信息处理中心基站各天数据流量和话务量之和与BBU设备能耗进行关联分析，结果如图5所示。

图5 BBU设备能耗与数据流量相关性分析结果

根据图5可知，基站BBU设备的能耗与业务数据流量和话务量之和具有较强的正相关性。两组数据趋势线公式为y=0.003 8x+210.04，即数据流量和话务量每增加10 000 GB，则对应空调能耗增加38 kW·h。拟合优度R2=0.752 6，说明该公式能够解释测试数据的75.26%，解释力度很强。通过进一步数据分析，两者的相关系数为0.867 5，说明设备业务流量与设备能耗具有很强的相关性。

对该信息处理中心基站各天BBU设备能耗和空调能耗进行关联分析，结果如图6所示。

图6 空调能耗与BBU设备能耗相关性分析结果

根据图6，基站空调能耗与BBU设备能耗具有一定的正相关性。两组数据趋势线公式为y=0.200 2x+4.353 5，即BBU设备能耗每增加10 000 kW·h，则对应空调能耗增加2 002 kW·h。拟合优度R2=0.290 9，说明公式能够解释测试数据的29.09%，解释力度较强。通过进一步数据分析，两者的相关系数为0.539 3，说明空调能耗与设备能耗的相关性较强。

对该信息处理中心基站各天数据流量和话务量之和与空调能耗进行关联分析，结果如图7所示。

图7 空调能耗与数据流量相关性分析结果

能耗与业务数据流量和话务量之和具有一定的正相关性。两组数据趋势线公式为y=0.200 2x+4.353 5，即数据流量和话务量总数每增加10 000 GB，则对应空调能耗增加6 kW·h。拟合优度R2=0.152 9，说明公式能够解释测试数据的15.29%，解释力度不强。通过进一步数据分析，两者的相关系数为0.390 9，说明设备业务流量与设备能耗的相关性不强。

综上所述，空调能耗与设备能耗关联性较强，而与设备流量关联性较弱，主要原因是空调能耗与机房总体热量相关，而决定机房总体热量的因素除了BBU等主设备发热量之外，还包括机房设备空间布局、环境温度、热量流场等[5]。