通信机房空调群控精确送风节能新技术研究

徐家胜，章小军，黄 杰

（中国移动通信集团浙江有限公司丽水分公司，浙江 丽水 323000）

0 引 言

近年来，通信网元不断发展，机房密度不断增大，空调功耗持续增高，但部分机房存在空置率高、冗余大机房空调空耗能较大等情况。由于种种因素，降耗困难重重。第一，常规机房空调都是各自独立运行，缺少整体调度，空调个体参数差异可能导致空调间内耗（有的加热/湿，有的制冷/除湿），白白消耗大量电能，效率低下。第二，由于机房部分设备安装不合理，气流存在短路及区域负荷布局不均冷热通道叠加等问题，导致机房区域冷热不均出现局部热岛现象。第三，增加空调场地受限，无安装场地条件。第四，增加风管空间受限，由于老机房走线架密集，不具备再做风管条件。为保障机房设备安全稳定运行，常常需要多台空调冗余运行，导致空调设备启停频繁、值班机过多空耗电能大，且个体空调独立运行缺乏整体调度，负荷变化时不能及时调整值班机数量[1]。为解决机房热岛节能减排，探索解决机房空调区域热岛问题和节能节电新方法迫在眉睫。

1 关键技术原理

1.1 项目特点和功能描述

机房空调群集控系统通过对机房全部空调的整体管控，解决了机房空调独立的区域冷热不均、环境温度波动大、气流短路、设备启停频繁以及值班空调空耗电等问题。该系统通过通信口采集各台空调的数据，为每个空调区域节点增加了外置的网络型温湿度传感器，以采集机房整体温度场数据。集控系统根据采集的数据对整个机房的空调设备参数和温度场分布进行综合运算分析，整体调度机房内所有空调的运行，均衡控制机房温度场，提高整体运行效率，从而达到节能目的[2]。

1.2 关键器件

关键器件主要包括主控制器、分布式温湿度传感单元、终端控制继电器以及人机界面。

运行原则。当机房出现局部热点时，优先投入热点所在区域精密空调的制冷量输出，如果温度还是降不到安全区域，则唤醒相邻区域精密空调输出制冷，协助工作。

控制规模。机房单个集控节能系统最多可集中控制15台空调机组，机房最多布设120个温度检测点。

2 应用方案

经分析，解决机房热区的根本方案是对机房整体的温度场进行实时监测增加控制系统，对机房内空调进行整体调度，并需要优化机房内的气流组织。针对机房的现状，提出机房空调群集控系统加送风增压系统的方案。

2.1 控制系统介绍

2.1.1 主控制器

主控制器为一台专用主控制器电脑，硬件、软件设计为专门运行机房空调群节能集控系统。主控制器电脑内置硬件及软件看门狗，具有防死机、故障或断电后自动恢复连续运行功能；软件系统设计为专门的单任务运行模式，可靠性高。主控制器配置专用的人机交互界面，用于机房空调群节能集控系统的组态、配置、运行状态及数据库查询。它主要具有如下特点：内置软件看门狗，确保程序不会出现意外紊乱故障；采取智能PID算法，根据采集的机房温湿度场参数，自动决策投入精密空调运行台数，达到最大化节能目的；当机房出现局部热点时，优先投入热点所在区域精密空调的制冷量输出，如果温度还是降不到安全区域，则唤醒相邻区域精密空调输出制冷，协助工作。对精密空调的唤醒与叫停，可以通过两路通道输出控制信号：一是通过RS485串口通道，通过与精密空调连接上通信总线来实现；二是通过终端控制继电器方式，该方式属于物理方法，不存在与精密空调微处理器进行程序交互，安全性更高。

2.1.2 分布式温湿度传感单元

传感单元为RS485总线型，每组传感单元内置1路温湿度传感器，且最多可扩展8路高精度NTC温度传感器，达到9个温度测量点。机房集控节能系统对机房内每台精密空调机组所辖区域对应配置一组温湿度传感单元，用来采集该空调负责区域的温度场分布情况，为控制策略提供数据依据[3]。

2.1.3 终端控制继电器

终端控制继电器将会在机房现场安装于精密空调电气箱内部。它的常闭触点接入精密空调本身配备的遥控开机输入端口，电源信号采取机房集控节能系统主控器的输出信号。控制逻辑如下：当集控节能系统想让某一台精密空调开启时，则把其配置的终端控制继电器的电源信号断开，继电器的常闭触电向精密空调微处理器发出启动信号；集控节能系统向其配置的终端控制继电器给出电源信号，将继电器的常闭触电断开，精密空调微处理器接到该信号后将自动进入停机程序。在构建该节能系统前，必须检查精密空调的温湿度设置参数，必须保证设定值不能高于机房安全允许范围。如果有可能，为了保证单台精密空调被集控节能系统唤醒启动后能够立即输出制冷量，建议在现场把精密空调的温度设定值设置偏低些如20 ℃，以保证节能系统控制快速，同时确保改造方案的安全性。

2.2 送风增压系统介绍

解决方案是在热区气流组织上增加机房送风热点智能调节风箱，将发热量较低区域的空气通过送风增压箱送到热区内以抵消热区内产生的温度过高的现象，通过风箱内风机的调节保证回风区域及增压区域内的温度稳定在合适的范围内。

2.2.1 风机选型

根据回风区域内的总风量，计算每个风口的风量（总风量/风口数量）。风箱的总风量应与回风区域内所管辖的空调风机的总风量相当。风机应选可连续可调的国际知名品牌EC风机。在选型过程中，需考虑满足风量要求，同时其压头需能克服其管道阻力，且考虑其噪音影响。EC风机本身能够很好地控制噪音。

2.2.2 风箱的匹配

送风增压箱应满足其选型的风机能克服新增送风管道的送分阻力。风箱与送风管之间用软接连接，避免了风机震动带动风管产生新的噪音。需考虑新的送风增压箱与风管间有支持作用，并保证新增的风管固定牢靠。

2.2.3 控制器

控制器为可编程控制器PLC，考虑到现场的复杂性和负荷分布后可能因服务器调整而变化，使用PLC可编程控制器作为主控制器。一般单个机房中配一个总控制器箱，配有PLC CPU主模块及7英寸液晶触摸屏风箱上配备远程I/0模块与其通信，可从一个屏幕中看到所有风机箱采集的数据和输出状态，并预留远程监控通信接口，通信协议缺省为Modbus RTU。

3 实际应用效果

通过空调群控技术在通信机房的应用，能将各自独立运行的机房专用空调联合成群进行管理控制，增加气流循环，较好地解决机房区域冷热不均环境温度波动大、气流短路、设备启停频繁以及值班空调空耗电等问题[4]，为机房节电节能和区域热岛问题解决提供了一种新方案，提升了空调效率，节约电能且节能减排。

通过机房空调群控系统建设达到以下目的：

（1）利用机房空调群控系统解决机房局部热岛问题，保障运行安全；

（2）解决局部风短路导致空调开机后回风温度迅速波动，设备启停频繁问题；

（3）解决个体参数差异可能导致空调间内耗（有的加热/湿，有的制冷/除湿）而白白消耗大量电能的问题；解决缺乏整体调度，负荷变化时不能及时调整值班机数量；解决过多的值班机空耗电能等问题，实现节约电能和节能减排。

3.1 经济效益

在制定机房场地开展群控技术应用。

3.1.1 改造前

空调独立运行无整体调度，回风温湿度监测点远离发热区域；气流组织不合理，冷热通道层层叠加产生热区，局部高温告警。

3.1.2 改造中

新增空调群控系统，控制原有7台精密空调；新增送风增压系统，即2台EC风机和2条送风管道。

3.1.3 改造后

3.1.3.1 节能节费

情况一：考虑新增1台80 kW机房专用空调与机房精确送风改造对比，如表1所示。

情况二：机房空调群控技术应用后现场实测的节能数据，如表2所示。

以上电费均按0.88元/（kW·h）进行计算，效益如下：

（1）相比目前新增一台80 kW机房专用空调成本为11万元，机房精确送风改造成本可节省5.4万元，且在改造后机房年节省电费11.3万元，投资回报收益明显；

（2）空调群控改造成本12.8万元，年节约电费8.3万元，投资回报期较短；

（3）原高温区域监测点数量显著下降，有效改善、解决局部区域发热过大问题。

表1 改造数据对比表

表2 第一周期现场实测节能数据

3.2 管理效益

（1）可减少部分空调开启时间，部分季节可关闭一定数量空调；

（2）解决机房局部过热、热岛问题；

（3）设备基本免维护，改造后不增加维护工作量；

（4）解决设备单机架功率高产生的局部发热、热岛等问题；

（5）提升设备运行环境、网络环境和网络质量；

（6）机房空调群控模式减少维护管理人力；自动控制空调开启、关断，自动调节风机风量大小，具备自动异常报警功能，有效提升维护和管理效率。

3.3 社会效益

通过机房空调群控技术的应用，有效降低了机房能耗指标PUE值、运行成本和费用，提升了空调效率，降低了排放，节约电能节能减排，良好履行了节能减排的社会责任；构建高效率低能耗机房，进一步提升了网络服务质量，彰显了品牌形象和企业形象。

4 结 论

随着网络演进5G移动网络建设，机房功耗负荷日渐增大，开展机房设备节能减排降本增效势在必行；机房空调群控精确送风技术可解决生产问题的同时节能效果明显，带来了可期的经济效益。该技术方案通用性强，改造便捷，实现了以智能器件管控代替繁琐的人工管理，为机房空调节能改造提供了经验和新方案，对机房空调节能具有一定的指导和借鉴意义。