通信机房和数据中心的节能改造方法研究

胡松华

（中国电信股份有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

随着我国2030年碳达峰、2060年碳中和目标的提出，节能减排已从单纯的企业降本增效上升到了企业的社会责任。对于电信运营商来说，通信机房和数据中心一直是用能主体。随着大数据、云计算、人工智能等数字经济基础设施的大规模建设，大量提供算力的服务器、支持数据传输的超大容量光传送网（Optical Transport Network，OTN）设备以及超宽带集群路由器设备进入通信机房数据中心，耗电量呈持续快速增长趋势，受到社会普遍关注。近年来，国家也发布了《数据中心能效限定值及能效等级》（GB 40879—2021）等标准，进一步强化了基础设施的能效管理要求。

通信机房和数据中心的建设投产跨越时间较长，既有电信网络初建时期的枢纽楼、核心机楼、一般机楼以及接入局所，也有后期建设的专业数据中心、大数据园区，同时还有局部改造后混合使用的机楼，所采用的制冷方式和节能技术千差万别，给节能改造工作带来了较大的挑战[1]。结合中国电信股份有限公司安徽分公司在通信机房和数据中心节能改造方面的实践经验，重点研究了不同场景下进行节能改造的主要挑战、可行路径，给出了各种改造方案的应用推广建议。

1 节能改造目标

1.1 提升能效，降低能耗

业界通常使用电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）指标来衡量数据中心和通信机房的能效，降低PUE是节能改造的主要目标之一[2]。目前，将传统以通信网络设备为主要载体的机房PUE目标设定为1.5及以下，以服务器为主要载体的数据中心机房的PUE目标设定为1.3左右。具体实践中，PUE指标优化的重点是机房空调相关的能效，在提供同等信息处理和传输能力的情况下，将机房整体耗电量降至最小，典型的措施包括老旧设备的关停并转、提升在用业务网络设备的使用效率、采用更高转换效率的电源设备以及机房节能灯具更换为LED灯具等[3]。

1.2 保持云网平稳运行，保障通信畅通

根据业内经验，网络割接或变更中的人为误操作是网络中断的主要原因之一。在用通信机房和数据中心承载有大量的电信业务，而节能改造通常涉及现场施工、设备和空调的搬迁调整，牵一发而动全身，稍有不慎便会引发网络通信中断。基于此，应当将保障通信畅通作为节能改造的目标之一，统筹兼顾通信网络安全运行隐患消除与节能改造。

2 节能改造方法

2.1 机房搬迁归并

早期建设的通信机房及互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）机房更强调的是供冷安全，对节能考虑的相对较少，通常采用房间级制冷方式、设备统一朝向。此类机房的优点是适应不同类型通信设备部署，缺点是机房整体气流组织紊乱、制冷效率低、局部热点较难处理。采用微模块/DC舱的方式，由房间级制冷改成行间制冷，但是割接改造难度较大、微模块建设成本也相对较高，不仅牵涉到大量设备的腾挪搬迁和DC舱现场建设施工，而且现有线缆的拆除、重新布放的工作量和安全风险较大。因此，通常采用局部调整改造方案。

随着通信网络的演进，网络层级日趋简化，设备容量及承载能力逐渐增强。网络从N级到1级、设备从N台到1台、占用机柜从N架到1架，以专业网络为主要载体的传统专业机房内设备不断减少，形成一些空心区域，具备从独立设置的专业机房向综合机房归并的条件。基于此，结合机楼、机房整体规划，对具备条件的机房采取部分设备搬迁归拢、调整机房平面布局的改造方案。

2.1.1 有源和无源分离

使用集中部署的光纤总配线架（Opticalfiber Main Distribution Frame，MODF）替代原来分散部署的光纤配线架（Optical Distribution Frame，ODF），所有通信设备端口通过分支光缆（尾缆）在MODF横列侧（设备侧）成端，外部引入光缆或楼层间光缆也在MODF直列侧（线路侧）成端，网络连接只需要在MODF上跳纤即可，打造出一个独立的无源区域。对于具备条件的机房，在MODF区域与有源设备区域之间安装防火隔断进行单独隔离，既降低了人员在设备区误操作的风险，也在一定程度上减少了有源设备区域的供冷面积，提升了空调能效。

2.1.2 机房合理定位和分区

搬迁归并的前提是做好机楼、机房规划，汇聚机房以本地网出口、关口局、本地云资源池等重要设备为主，接入机房以汇聚交换机、无线或宽带接入网设备为主。省级枢纽机房按不同的专业网络类型来设置。市级机房通常根据专业网络类型+网络层级来设置。县级机房则以集中设置1个综合机房为主，在机房内划分不同的设备功能区。功能区的划分既要结合现有设备情况，也要为网络演进预留发展空间，一般分为动力区（开关电源等）、业务设备区。根据设备专业类型，业务设备区再划分不同的专业子区域。一是无线区，以4G/5G基带处理单元（Building Base band Unit，BBU）为主；二是接入区，以光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）、多住户单元（Multiple Dwelling Unit，MDU）、接入交换机等为主；三是传输区，以OTN为主；四是数据区，以无线接入网IP化（IP- Radio Access Network，IP-RAN）、宽带接入服务器（Broadband Remote Access Server，BRAS）、汇聚交换机等为主。与此同时，对于一些待退网设备（如2G设备），可以保持原地待自然退网或者搬迁到单独设立的待退网区域。

改造中，针对机柜统一朝向场景下存在的前一列设备出风口的热风直吹后一列设备进风口的问题，增大列间距，一般不小于80 cm。同一列的机柜深度尽量保持统一，结合专业设备特点通常设置60 cm、80 cm、100 cm以及120 cm等不同的深度。在走线部分，上方走线架的直流电线缆、信号线（分支光缆）、交流电引入、外线光缆引入分层分向，尽量避免三线交越。

对于不同的区域，结合设备热量及分布适当调整空调数量和制冷量、空调布局及送风方式，以提升能效。例如，4G/5G BBU区域，由于设备安装通常较为密集，因此要将空调送风口直接对准其正面通道，并配合将BBU进行竖装改造。类似地，OTN等区域热量也较为集中，需要靠近空调送风口。对具备改造条件的区域，辅以精确送风改造，以进一步提升能效。实施改造后，年均PUE可接近1.5。

2.2 冷通道封闭改造

为了进一步提升机房能效，在上述搬迁归并的基础上，结合机房现场条件可以叠加冷通道封闭改造[4]。

（1）调整设备朝向。调整每两列机架中的一列设备朝向，调整后两列设备面对面，进风口朝内，散热口朝外。

（2）加装封闭设施。在调整后的两列机架通道上方加装顶盖、空调送风口，两端加装玻璃推拉门，每两列组成一个封闭冷通道。

（3）安装盲板。改造后的冷通道内，空闲机架位置安装盲板，使冷通道完全封闭，最大程度保证冷气不外溢。

进行封闭冷通道改造后的机房如图1所示。

图1 进行封闭冷通道改造后的机房

经过封闭冷通道改造后，机房年均PUE由1.59下降到1.42，年节约电量约106 000 kW·h，节约电费67 000元，投入产出较为可观。

2.3 多联热管改造

较早期建设的通信机房及IDC机房一般以机房为单位按需分批建设，空调室外机预留空间不足，新增室外机时密集摆放，散热环境较差。以中国电信股份有限公司安徽分公司芜湖市城东数据中心一期为例，2017年8月一期建成，业务网络机房均采用风冷精密空调，机房内按照封闭冷通道布局。其中，2～5层空调室外机放置于同层平台，栅格通风率低、散热效果差，高温时易出现气流短路，运行能效低且易高压保护停机，存在较大的安全风险隐患。

结合制冷技术的发展，为了消除空调保护停机隐患，采用多联热管改造方案。采用多联热管房间级机房专用空调替换现有的主用单元式风冷精密空调，屋顶放置蒸发冷却型热管制冷复合空调主机，新增的热管系统通过屋顶排放，部分风冷型机房空调用作冷量补充及安全备份。通过应用该方案，可以减少风冷冷凝器风机带来的噪声问题，消除风冷冷凝器集中布局在高温情况下的高压告警现象。充分利用自然冷时长，减少压缩机开启时间，达到节能、节电效果。机房内的气流组织形式为架空地板下送风、机组上部回风，通过冷通道封闭将冷、热气流完全隔离。通信机房区空调选用下沉式EC风机，实现变风量控制。3层传输机房增设热管双循环套机，气流组织形式为风帽送风、机组侧回风。电力电池室、高低压配电室机房末端空调采用多联热管房间级机房专用空调，气流组织形式为风帽上送风、机组侧回风。与此同时，实施配套的空调配电改造、结构加固。多联热管改造构成如图2所示。

图2 多联热管改造

2.4 其他改造方案

目前，对通信机房和数据中心的节能改造没有固定程式，一般要根据不同机房的特点来实施[5]。例如，在安徽省合肥市五里墩枢纽改造方案中，原制冷系统为水冷冷水主机+末端空调、风冷精密空调两种，其中机房以风冷精密空调为主、以水冷机组为辅，办公楼层以水源热泵为主。水冷系统已经运行近24年，历经数次改造，存在部件老化、运行噪声较大、法兰腐蚀严重、功耗大以及制冷效果较差等问题。办公用机组性能下降，同时配置的机房风冷精密空调散热环境较差、管线较长，空调运行效率低。

基于此，将通信机房改为集中式风冷冷冻水系统+多联热管空调耦合供冷，两种空调末端交叉布置在通信机房中，采用自然冷却型风冷冷水机组。办公机房采用集中式风冷热泵系统，风冷热泵系统采用四管制风冷热泵机组，平时作为办公冷源，同步作为通信机房的备用冷源。改造后，机房PUE预计从1.79下降到1.30，投资回收期约7.4年。

3 结 论

通信机房和数据中心的节能改造不是简单的应用节能新技术，而是要综合考虑网络演进、机房现状和规划定位、设备的重要性、割接改造的难度与潜在风险以及投入与预期收益等因素，采用“一楼一案”“一室一案”的方式来实施。实施过程中，除了考虑节能技术本身的先进性外，还要分析节能技术与机房现有设备的匹配度，通过合理应用真正实现能效提升、能耗降低的目标。