通信机房的节能改造实例研究

摘 要： 通过一通信运营商老机房的现状分析，提出利用自然冷却水冷机组在春冬秋三季的运行结合精确送风的风道改造，提高机房的冷却效率，降低精密空调室外机的运行时间以达到降低能耗的目的，实现节能减排的目标，为通信机房等高密度数据中心提供可行的改造实施依据。

关键词： 通信机房改造；冷热通道隔离；自然冷却水冷机组；精确送风单元

中图分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）0110072-02

伴随未来3G业务的不断发展，通信网络核心设备、传输系统、交换系统、机房设施的能耗将越来越大。曾经的低能耗产业正跨入高能耗产业行列，节能减排已成为中国通信行业的头等大事，通信产业节能减排任务艰巨。通过调查，通信行业指数要电能消耗为：通信设备占40-50%，通信机房空调用电占40%以上，照明及其它用电占10%以下。本文通过对辽宁地区一通信机房的实例分析，来提出相应的改造方案，达到预期的节能目标。

1 现场勘查情况

场地情况：机房楼共四层，移动机房位于4层，面积约300平方；4F 机房：该机房共安装机房空调4台。机组冷量约为60KW/台；全部为上送风机组；品牌为海洛斯和艾默生；距运维人员反映，由于当地水质较硬，加湿灌不能正常使用，另外增加了湿膜加湿器。安装于机房空调之间，共3台；所有上送风机组并联进入一根主送风风道，然后送入各支路风道；机房内没有高架地板；支路风道的风口采用了民用空调的散流器形风口；机柜距离非常密集，间距不到两块标准静电地板；所有机柜的放置方式均为进出风接力型，没有区分冷热通道；机柜形式比较陈旧，柜门的孔径较小，通风率较低，对于通讯/服务器散热不利影响较大；有些机柜没有满配，机柜内无隔板。机房空调显示的回风温度在21-22℃左右。相对湿度40-50%之间。本机房内的所有通讯，服务器设备的供电均为48V直流供电，电流分别为：421A、298A、209A、220A；另外有一路供电取自一个20KVA的UPS。将以上所有电力供应转换为热能，就应该是这个房间的设备热负荷：总计约：73.4kw。精密空调为4用1备，但出风口上无风阀设备，所以，所有精密空调的风机都在运行，包括备份机组。如果现在不开启4台机组，机房温度无法维持，会造成局部热点。

从机柜摆放出现的两个问题：前一排机柜的出风对着后一排机柜的进风方向；送风（冷空气）在进入机柜之前就要与前一排的排风混合，同时，机房空调回风也要与送风混合。意味着空调制冷的空气根本无法充分运用，利用率低于40%。

2 问题提出

由于机房建设较早，当时没有采用冷热通道分离等技术，造成现在的空调配送风方式不合理，送风效率低下，进而，制冷装置配置远大于真实负荷，但还可能产生局部热点。产生标准的“大马拉小车”现象；机房目前没有使用自然冷却技术；机房南侧外墙上的外窗有8扇，阳光照射强烈；所有机房空调竞争性开机开机，即使负荷到了关机条件，备机的压缩机关闭，备机风机仍然开启，长时间不停机运行。

3 分析问题

由于设计原因，本机房中的机房空调和布风方式造成了巨大的送风浪费，空调效率低下。整个房间温度的特点是：全区域混合送风，送回风温度基本均匀。机房空调回风温度过低；而需要制冷的机柜侧进风温度却过高，但每个通道的温度又达不到热通道的温度。图1为机房气流组织模拟图，图2为理想的机房气流组织示意图。

图1 机房气流组织模拟图

图2 理想的机房气流组织示意图

通过比较图1和图2可知，机柜侧区分冷热通道；冷通道的温度应该比热通道低约10-15度；空调回风应该全部为通讯设备或服务器的出风；意味着机房空调的制冷效率被100%利用。

4 解决方案

此通信机房的空调系统需要进行优化改造，优化过程依据以下步骤进行：真实热负荷的计算；设计和解决送配风系统问题，包括风道改造；备用机组的轮询值机控制的改造；自然冷却装置的安装应用；

4.1 机房的负荷计算

设备负荷的计算：设备负荷的计算非常关键，因为对于机房，设备负荷应占到总制冷负荷的70 -90%。而计算依据则是电热转换率为1，考虑所有通讯及辅助设备的用电量全部转换为热能：本机房内的所有通讯，服务器设备的供电均为48V直流供电，根据电表读数显示电流如下：421A/298A/209A/220A/；另外有一路供电取自一个20KVA的UPS。该房间的设备热负荷：总计约：73.4kw。建筑负荷：Q=k×s/1000（kw），其中，K为建筑维护结构热负荷系数，北方地区通常选择50-80w/m2。考虑到照明和其他一些不定因素，这里按照100kw/m2考虑，如果建筑面积为300m2，则总建筑负荷为30kw；机房总计热负荷为73.4kw+30kw=103.4kw；需要说明的是：为什么机房空调在夏季需要全部运行才能满足设备要求？因为上送风是最不合理的送风方式。它将机房空调制冷后的风直接散发到机房环境中，而不是送到需要冷却的设备。送风口的出风温度即使达到14℃，首先被自下而上的热风混合，达到了20℃以上，也就是说，设备的进风温度达到20℃以上，通讯设备根本没有在最良好的空调保护环境下工作。

4.2 风管道的改造

所有支管路从新设计和安装，保证每组机柜都有支管路的送风口；同时送风口要下探到与机柜高度基本持平的位置，保证送风效果；支管路的配风风量要通过风阀系统做调整，做到送风量的多少要与机柜散热量匹配，不能像现在这样凭感觉安置风口位置和数量。目前没有安装服务器或通讯设备的机柜区域要减少甚至关闭风阀；减少送风量；风口改用要采用格栅形式。建议在目前机柜较少的列间风道上预留可以启闭的风口，充分考虑将来扩容的可能性。在有些高发热量机柜的进风口侧，采用软管引入式送风风口，将风口直接引入到机柜前方。软管风口可以避开桥架。目前负载较少的区域可以关闭送风风阀，例如，大量的配线柜区域，可以用最小风量送风。

4.3 备用机组的轮询值机控制的改造

提供一套现场的BMS系统，通过这套总控系统，控制所有机房空调的起停。统一测定回风温度，统一安排机房空调的开启和备份轮询启动，包括风阀的启停逻辑控制。目的是消除机房空调的竞争性开机，同时消除备份机风机的不必要开启。需要指出：机房空调的风机是最重要的电力消耗组件。以一台100kw机房空调为例：送风机功率大约5kw. 因为它不停机运行，每天电耗为：120度电，一年电耗为：43800度。如果能够关闭一台备份机组，仅送风机部分就要节约电费43800元（按照1元/度计算）。

4.4 自然冷却装置的原理及选择

整个系统采用风冷冷水机组作为冷源，机房部分采用冷冻水型机房空调，风冷冷水机组附加了特殊设计的空气-冷冻水换热盘管，在室外温度低于回水温度2度时，冷却盘管自动打开，利用室外冷风冷却回水。如果室外温度低于回水温度5度以上，则压缩机完全停止工作。每台自然冷却空调箱及散热单元当量冷量为50kw；每台空调箱需要2个窗户作为与室内连接的接口。一个是室内回风，另一个窗口作为送风通道，通往机房下部。原放置在室内的部分现制作室外型，外箱为防雨设计，采用IP54防水组件。共采用3套自然冷却单元，冷量共计150kw。

5 改造效果

改造后可以节约现有空调能耗的40%；风量配备更加合理，全年无局部热点；可以减少2台机房空调的用量。为将来的扩容做好准备，保证即使扩容也不会出现机柜过热现象。节能效果来自于几个方面：

自然冷却的节能：全部利用自然冷却的时间：低于6℃后，自然冷却装置的冷量可以全部替代压缩机制冷。通过查阅气象数据（参考沈阳）可知全年有3704小时，约154.3天无需开启压缩机；压缩机功耗的计算：根据1月份观察（上午11点左右），大约10分钟内有2台室外机于经常开启状态，另3台部分启停；判断为2台机房空调基本不停机运行；按照60kw机房空调估算，压缩机和室外风机功率约20kw左右，2台机房空调大约为40kw；则在154.3天的自然冷却时间内，如果采用压缩机制冷，需要消耗电力：40kw×24H×154.3天=148128kw.h；送风机的节能：BMS系统，可以让备机的风机停机。而风机是365天×24H不停机运行的设备。按照风机功率5kw/台精密空调，按照停下2台空调的风机计算：全年节约：5kw×2台×24H×365天=87600kw.h以上两项的节电总和为：235728kw.h；提升了回风温度后，所有制冷系统的效率得以提高，每提升1度回风温度，制冷效率提高约3%。预计的温度提升为2-4度。总体制冷效率提高约5-10%。外窗封闭后，夏季制冷量得以减少。自然冷却机组在6℃-9℃的时间段内进行部分自然冷却，抵消部分负载，节约了精密空调电费；考虑3，4，5项，将节能系数提升10%：总计节电为：235728kw.h×110%=259300.8kw.h，如果按照1.0元/kw.h电费计算，则每年节省的电费为：25.93万元。

6 结论

通过以上实例；可以看出在老旧通信机房中通过风道的改造及精确送风系统的实施实现了冷热通道的隔离；结合自然冷却水冷系统的应用，可以达到降低能耗的目的，实现节能减排的目标。

参与文献：

[1]庞博，通信机房远程监控管理技术的研究与实现，北京交通大学，2008年.

[2]姚跃飞、张力军，数据中心冷热通道隔离封闭式机房的设计与实践，机房技术与管理，2010年，2期.

[3]李博、王威、刘刚，空冷机组辅机水冷却系统优化探讨，黑龙江电力，2010年，01期.