通信运营商核心机房节能改造技术措施研究

郑小军

（中电科普天科技股份有限公司，广东 广州 510310）

0 引 言

为深入贯彻落实国家碳达峰和碳中和战略，按照运营商节能减排总体部署，推进老旧核心机房节能升级改造，聚焦重构绿色低碳机房，确保改造后核心通信机房的电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）满足相关部门的要求。老旧机房节能降碳的难点是机房种类多、用电量大、机房PUE 值高、电源设备功耗高、空调产品单一以及智能化手段缺失等。文章针对核心机房老旧机房的难点，提出符合通信机房现场环境的节能改造措施，降低机房PUE 值[1-4]。

1 老旧核心机楼存在的问题

由于老旧的运营商核心机楼投入使用时间早，机房内各种电源、通信设备存在布局不规范和安装不合理等诸多问题。第一，气流组织混乱。由于传统机房互联网技术（Internet Technology，IT）设备进排风方向不一致，且同一机房的空调存在上送风和下送风，导致气流组织混乱，无法达到最佳制冷效果。传统通信机房无冷热通道隔离措施和盲板，冷量无法被IT 设备有效利用，降低冷量利用率，增加空调的功耗。第二，存在无效能耗设备。现网通信机房内存在低效高能耗且无效的业务系统、网络设备、电源空调配套设备以及配线架与线缆等，拆除难度大。第三，空调无自动调节功能。大部分机房内运行的是风冷定频空调，能效较低，不具备变频功能，无法根据机房内负载的变化自动调节制冷量，导致制冷过度。第四，无智能群控系统。传统机房没有空调群控系统，无法实现轮巡、主备、层叠、避免竞争运行以及温湿度区域的控制，空调系统无法达到最佳运行状态。第五，无利用自然冷气的空调制冷系统。现网运行的空调系统大部分为压缩机制冷的单一冷源，不具备双冷源功能，不能充分利用低温天气的优势。第六，通信设备布局不合理。部分老旧机房通信设备未统一规划安装，机房内IT 负荷不均匀，局部热点问题较突出。第七，单机柜设计功耗与实际功耗差距大，导致效率低下。

2 节能改造技术措施

通信运营商核心机房节能改造的最终目的是降低机房的PUE，实现节能减排。

2.1 氟泵双冷源空调

现有老旧通信机房主要采用压缩机制冷的定频精密空调，空调功耗过高，导致PUE 值增大。根据通信机房所属区域的气候条件，可采用氟泵双冷源空调替换现有高功耗的精密空调，以提升空调的能效水平，降低机房总体能耗。

氟泵双冷源空调采用智能双循环设计，在冬季或过渡季节室外温度较低时，利用氟泵对制冷剂进行室外循环换热，充分利用室外自然冷源；在夏季或过渡季室外温度较高时，采用压缩机对制冷剂进行压缩循环换热。此种智能双循环设计使空调在特定时间段内无须开启压缩机制冷，降低了空调能耗。在同一套制冷系统中可实现压缩机制冷、氟泵系统制冷、压缩机和氟泵混合制冷3 套循环系统[5]。

当室外环境温度较高且大于设定温度时，开启压缩机制冷模式，压缩机运行，氟泵停止工作。此模式相当于普通的精密空调，机房能耗较高。

当室外环境温度较低且低于设定温度时，压缩机停止工作，开启氟泵模式。蒸发器中的制冷剂与室内空气换热后直接进入风冷冷凝器与室外冷源进行换热，冷却成液态后的制冷剂在氟泵的作用下克服管阻回到蒸发器继续换热，从而达到节能效果[6]。

当室外环境温度略低于设定温度时，由于氟泵提供的制冷量有限，因此需压缩机提供部分制冷量，此时开启混合模式，使压缩机和氟泵同时工作，达到节能效果。

2.2 自然冷新风系统

根据通信机房结构和机房现有气流组织，配置自然冷却新风系统。新风系统可以实时监测机房内、外环境参数，将室外低温空气通过过滤、混风、加湿处理后送入机房。通过新风系统的冷风吸收机房内IT 设备等散发的热量后，排出室外，实现机房散热。新风系统利用室外低温自然冷和机房进行换热，在一定程度上可替代空调制冷，缩短空调的使用时间，从而降低电能消耗和营运成本，延长空调的使用寿命[7-10]。

2.3 气流组织优化措施

机房气流组织优化是一种提高机房内空气流动和散热效率的技术措施，其主要目的是确保机房内的IT 设备在适合的温湿度条件下运行，提升设备的冷却效果。

2.3.1 冷热通道封闭

封闭冷通道指在机柜间或机柜内构建的专门用于机柜设备制冷用的通道，能与机房环境热气完全隔离，并将冷空气限制在机柜中。这样可以避免冷热空气混合，发挥冷气设备散热作用，提高冷空气利用率、机房制冷效率和制冷效果。冷空气从高架地板下吹出，进入密闭的冷池通道。机柜前端的设备吸入冷气，给设备降温后形成热空气，由机柜后端排出至热通道。热通道的气体迅速返回到空调回风口，使热回风与冷气完全隔离。

封闭热通道指机房中的机柜采用背靠背、面对面的摆放方式，在2 排机柜的正面通道中间布置冷风出口，形成一个冷空气区（即冷通道），冷空气流经设备后形成的热空气会排放到2 排机柜背面的热通道中，通过热通道上方布置的回风口回到空调系统。这种封闭热通道可以提高机房精密空调的利用率，进一步提高制冷效果。

2.3.2 精准送风

通过风道（由静压箱和风管组成）把空调的冷风送到指定位置，最大限度地利用空调送出的冷量和风量，与通信设备散发的热量进行近距离交换，避免通信设备出现高温或局部过热现象，减少空调无效部分的制冷功率，从而达到降耗节能。

精准送风分为上送风和下送风2 种方式。上送风是通过风管送风，将空调出风有组织地送入冷通道或其他需要制冷的区域。下送风是通过架空地板下送风，地板下形成送风静压箱，在冷通道内设置通风地板和送风管道，有组织且有效地为需要制冷的区域精准送风。通过精准送风，可对热负荷近距离换热，按照机架发热情况分配冷量，不仅减少了机房热区的安全隐患，且提升了空调的运行效率，降低机房能耗。

2.4 采用水喷淋的节能措施

在传统的风冷空调制冷系统中，室外机的热岛效应使冷凝温度升高，可以采用水喷淋的技术来降低冷凝器的温度，从而降低室外机的温度。根据室内机与室外机间热量交换过程中的热传递机理，建立逆卡诺循环模型。在逆卡诺循环中，当制冷机的蒸汽水温超过冷凝温度时，就会造成整体制冷量和功率的上升；当冷凝温度降到规定值以下时，就会造成整体制冷量和功率的下降。压气机效率不变时，随着冷凝温度的提高，发生机组高压故障的可能性就越小，提高整个制冷系统的能效比，以达到机房的节能。雾化水喷雾具有以下优点：一是增大水和冷凝器之间的接触区域，经过雾化的水所接触到的空气表面积是纯风冷翅片表面积的数百倍，雾化后水更容易挥发并带走更多热量；二是在雾化水相变气化过程中，温度升高到一定程度时，会从冷凝器的进风面向冷凝器内部传递热量，提高冷凝器的冷却效率；三是随着风机抽风的增加，负压上升，导致雾化水在冷凝器内的散热量降低，从而降低压缩机模式下的机房能耗。

2.5 空调群控系统

要实现通信机房内空调制冷系统的节能，选择高效节能的空调设备至关重要。因为空调设备节能并非整个系统节能，所以需要设计一套智能管控系统，即空调群控系统。空调群控系统通过大数据和人工智能数据驱动自学习的方式，寻找空调最佳运行状态和设定值，从而达到最佳节能目标。空调群控系统从通信机房节能控制的安全性、成本、高效升级、稳定运营、统一数据流、统一告警管理、节能策略可视化以及节能分析可视化等方面，实现人工智能（Artificial Intelligence，AI）群控节能的对比、分析和PUE 统计分析等目标。

3 结 论

通信运营商核心机房的PUE 问题是机房全生命周期中必须重视的问题。方案设计时不仅要考虑节能环保问题，且要加强对机房的跟踪管理、持续优化、动态管理。同时，应考虑如何有效利用有限的资源来降低机房能耗。对于新建机房，要根据机房特点选择合适的空调制冷系统；对于已建成的机房，应从技术层面进行改造，提高其能效水平。