新建机房节能设计需建立能耗监测管理系统

中国电信股份有限公司上海研究院移动宽带互联网部沈世锦 方剑

建立完善有效的能耗监测管理系统来实时掌握总体能耗数据，为能源预算管理提供参考，从而逐步实现对机房能耗的精确化管理。

运营商业务量和网络规模快速扩张，导致能源的消耗持续增加。能耗增长高于收入增长幅度，运营成本不断增加，亟待得到严格控制，节能减排任务艰巨。

核心设备动力系统成倍增长和通信机房耗能巨大已成为节能降耗的中心问题。根据对机房能耗结构统计，空调系统用电占40%，通信设备用电占45%，电源系统占10%，照明及其他用电占5%。因此，规模推广节能效果明显的机房建筑、空调、电源等配套基础设施的节能技术改造，将是未来几年电信业节能减排的工作重点，绿色机房的建设将成为节能减排技术创新的重要驱动力。

综合考虑空调节能

空调系统是机房能耗大户，空调制冷系统是由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成。从空调的工作循环来看，只有运行在最佳的工况和条件，才能发挥空调的最大制冷量，达到空调节能的目的。空调冷源应根据建筑物空气调节规模、用途、冷热负荷、以及地区气象条件、能源结构、政策、价格及环保规定等，通过综合论证确定，达到节约能源，降低运行费用的目的。

根据传统空调冷源实际能耗分析表明，小型系统（总冷负荷小于1200kW）采用风冷系统的总能耗较低；大型系统（总冷负荷大于1200kW）采用水冷系统的总能耗较低。不同冷负荷的机房推荐选用的空调冷源形式（如表1），选用时应结合现场条件和建设、运行成本的经济性综合考虑。

对于空调调节系统未端形式，选择适用于不同密度机房的空调系统常见末端形式（如表3）。根据不同的机房热密度，分别采用全室空调、冷/热通道封闭、水冷背板、液体冷却等方式。对于高密度机房，整体式空调系统的冷却能效低，个性化冷却或选用附带冷却功能的电子信息设备是有效的解决方案。

利用空调自然冷源

过渡季节和冬季利用室外冷空气作为自然冷源具有节能意义。自然冷源的利用形式主要有直接引用室外新风、间接式换热、热管/蒸汽压缩复合制冷、冷却塔供冷等。采用自然冷源能够减少电制冷的耗电量，应充分利用自然冷量为机房空调提供冷源。

表1 机房常用空调冷源比较

表2 空调冷源选用推荐

表3 各类机房适用的空调系统末端形式

在长江中下游地区，由于其新风有大量时间处在0~18℃的最佳利用段里，且相对湿度较高，比较适合直接引入室内。新风经过处理直接引入机房，虽然会有除尘和加湿量大等问题，但由于系统简单，便于实现，且冷量随风量增大而增大，有很大的可用价值，是效率最高的方法。

例如某运营商数据机房，主机房面积不到400平方米，梁下净高约为3.5米。针对机房采用新风节能方式进行空调设计，以满足100架机柜，每机架发热量2KW，总发热量（冷负荷）为200KW的要求。考虑到该机房空间宽敞，便于安装新风节能设备，故采用两台新风机组（内置加湿器），提供2×25000m3/h风量。经测算，该设备启用后，同比节能达到30%左右。

此外，某运营商IDC机房进行空调改造试验，采取将室外新风冷源直接引入机房的方式，在机房内安装5台新风混风型节能系统，同时安装3台大风量高余压湿膜加湿机组。对引入的新风统一进行净化处理，保证引入机房新风灰尘粒子浓度达到A级。利用室外环境天然低温冷源的新风空气与机房内回风空气混合，然后再送到机房达到消除室内余热的目的，并根据机房发热负荷的变化调节进风量，保证机房内的温度在要求的范围内；在室外环境温度较低时，可以部分或全部取代传统机房专用空调工作，从而降低了能源的消耗，有效实现了节能的目标。

高压直流供电高效节能

合理计算、选择变压器容量及配置数量。变压器容量和数量应根据负荷情况，综合考虑投资和年运行费用，对负荷合理分配。负载率过低或过高，都将使变压器损耗明显增大。根据调研，由于在通信电源设计时，变压器一般都是按主备用互为冗余的形式成对配置，正常运行时，单台变压器的负载率一般不会超过50%，因此变压器的经常性负载宜达到变压器额定容量的60%。同时，在设计时可考虑变压器容量分期由小而大逐步投入，并根据负荷的分布和容量、供电距离、用电设备特点、机房环境等因素，合理明确负荷等级，确定供电形式。

采取高压直流供电。采用高压直流供电技术，对于直流电源系统而言，因其采用模块化结构，可根据输出负载的大小，由监控模块、监控系统或现场值守人员灵活控制模块的开机运行数量，使整流器模块的负载率始终保持在较高的水平，从而使系统的转换效率保持在较高的水平，比传统UPS能耗下降约20%。

高压直流系统的优点：

1.系统可靠性高。

传统UPS系统仅依靠UPS主机间冗余备份来提高系统可靠性。而高压直流系统内部含有多个高频开关整流模块，模块与模块之间形成冗余备份外，由于系统采用直流为后级设备供电，故系统后备蓄电池组可直接为负载供电，即系统整流模块与电池也形成冗余备份。同时高压直流系统摒弃了传统UPS系统的逆变回路，使得供电系统结构变得简洁，不仅节约了建设成本，更减少了传统UPS系统逆变回路、STS切换开关等单点故障隐患。

根据对机房能耗结构统计，空调系统用电占40%，通信设备用电占45%，电源系统占10%，照明及其他用电占5%。

2.系统维护改造更简易。

传统UPS系统扩容改造时涉及到电源的频率、电压、相位等问题，所以改造风险较大。而高压直流系统的扩容改造较之就简便很多。首先高压直流系统采用高频整流模块，模块支持热插拔，当部分模块发生故障时，可简便的更换整流模块不会影响整个系统的运行。同时整套系统改造割接时，只需注意电压等级、电压极性相同即可，系统改造扩容更简易。

3.系统效率高，节能效果显著。

根据现行《通信用240V直流供电系统技术要求》，高压直流系统效率可达92%。而根据近阶段高压直流系统设备使用结果，多数设备交流进线端功率因数不小于99%。同时高压直流系统采用高频整流模块，随着机房负荷逐步增加，可适时增加整流模块。而且高压直流系统整流模块如传统-48V直流系统整流模块一样均拥有“休眠”功能，系统可时刻侦测后级负载用电情况。在后级负载用电量变化不大的情况下，系统监控模块可适当地使部分闲置整流模块进入“休眠”状态，有效提高系统负载率。

对于机房照度和照明设备选择，机房内可根据视觉作业要求，确定合理的照度标准值，宜采用整体通行照明与局部工作照明相结合的方式。根据规范机房照明照度标准500lx，LPD目标值15W/m2，通行照明照度标准50lx，LPD目标值4W/m2。灯具宜选用荧光灯、节能灯、金卤灯、LED灯等高效节能的设备。

建立完善能耗监测管理系统

分析机房能耗的组成，除了机房内的主要能耗来源空调、电源，还有建筑节能，要合理选址布局节能。通过规划阶段对建筑的合理选址布局，实现建筑节能。首先，按照相关规定对通信建筑进行合理选址，避免因复杂地形条件带来的基础施工费用大幅提高；其次，选择最佳朝向或接近最佳朝向，避开夏季最大日照朝向、充分利用冬季日照和夏季自然通风，并避开冬季主导风向，有利于建筑冬季保温、夏季隔热和自然通风，可大幅节约建筑采暖、制冷和机械通风带来的能耗；最后选择交通便利，电力管线引入方便、传输缆线出入方便，周边无高大密集建筑的区域，可节约维护成本，并使其周边具有良好的绿化和通风条件。

此外，还有围护结构节能。建筑围护结构包括屋面、墙体、门窗、地面等，通过合理设计建筑围护结构，降低建筑的体形系数，可有效提升热工性能，从而实现节能减排。首先，根据 GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》，通信建筑设计应控制其体形系数，较小的体形系数有利于建筑实现保温隔热。其次目前节能效果较好的屋面形式包括架空型屋面、种植屋面和节能型保温材料屋面等，其中架空型屋面主要应用在夏热冬暖或炎热地区，种植屋面具备保温和绿化等优点，应用前景广阔，但不适合在严寒地区采用。第三墙体保温形式包括外保温、内保温、自保温等，目前节能效果最好的保温形式是外墙外保温形式。最后通过合适的窗墙比、在规定限制下设置门窗玻璃遮阳系数、确保门窗的透光率，提高门窗的气密性等手段，做好建筑外门窗的保温隔热设计。

同时，考虑到热反射涂料上，可将热反射涂料集反射、辐射与空心微珠隔热于一体，经初步测算，热反射涂料隔热效率约 70%；另外，热反射涂料还具有高效降温、防水防潮、防紫外线老化、耐酸碱、防腐等优点。热反射涂料可以涂刷于屋顶、墙体表面。建议在夏热冬冷(暖)地区中需夏季放热、通风降温的通信建筑中积极推进热反射涂料的应用。在严寒和寒冷地区不建议采用。

最后，为了进一步正确地评估机房能耗的使用现状和发展趋势，有必要建立一套完善有效的能耗监测管理系统。系统通过分散计量装置采集原始电力能耗数据后进行汇总，并根据不同类型机房、不同业务、不同设备的能耗情况，构建电力能耗基础数据库，在分析能耗特征和现状的基础上，结合业务发展和区域特征，形成各类能耗统计报表。通过这个系统来实时掌握总体能耗数据，检验节能技术的有效性和实用性，为能源预算管理提供参考，从而逐步实现对机房能耗的精确化管理。