边缘中心微机房低碳研究与应用

周 平，程 雷，陈 晓

（1.中国移动江苏公司苏州分公司，江苏 苏州 215028； 中国移动江苏公司，江苏 苏州 210000）

0 引 言

从资源角度来看，节点机房属于高耗电产业，重点和难点在于电能使用效率值的提升。选用模块化边缘微网格中心机房作为一体化节点机房，是可取之计。

据《中国数据中心能耗现状白皮书》显示，我国中小型中心机房总量超过40万个，年耗电量超过全国用电量的1.5%，其中制冷系统能耗占整个中心机房能耗的40%。机房能源低效问题不容忽视，绿色机房成为发展必然。如何有效降低中心机房PUE；在保证可靠性的前提下，实现最大化的节能；根据实际需求，实现技术创新，提升制冷能效成为行业内研究的热点[1]。

面向5G万物互联时代，数据流量急剧增长，节点机房必将进一步向高密化发展，并且呈快速增长趋势，再也等不起长年累月的建设周期。此外，海量数据处理产生的热量急剧增加，为保障设备稳定运行，制冷系统能耗也将持续走高。因此，必须要引入新的技术来提高效率。绿色节能成为行业诉求。而面对通信设备功耗与站点梳理的同时快速增长，“碳达峰”“碳中和”在多个中央重要会议中也频频出现，如何在实现快速开站、解决高功率设备带来的散热问题的同时还要减少能源消耗成为重中之重。基于以上问题，本研究提出了5G边缘微机房低碳节能动环设施的解决方案[2]。

1 微网格一体化机房全新风自然冷却系统技术方案

根据《省政府办公厅关于加快推进第五代移动通信网络建设发展若干政策措施的通知》（苏政办发〔2019〕49号）中有关“5G基站占地不超过5 m2的按公共设施处理”，本研究采用占地不超过5 m2的微网格一体化中心机房，采用全新风冷系统聚焦绿色节能技术，直接新风+蒸发制冷模式，直接将室外温度适宜的冷空气引入室内，使得室外冷风与室内热风进行换热从而带走机房的热量，降低其温度[3]。

同时寻求与轨交和供电的合作，利用公共空间建设一体化机房，这样针对传统节点机房选址困难建设周期冗长的问题就迎刃而解了，公共区域的多方同时管理，更加保证了一体化机房的安全运行。

微网格一体化中心机房，采用工厂预制化出货，现场只需简单组装，建设周期短。全模块化设计，可根据实际需求增减模块，可扩展性强。单机柜可实现5 kW～35 kW。相比传统产品的电能利用率可提高40%以上。全PLC控制冷却系统，内置近百个各类传感器，可轻松实现无人与远程控制[4]。

微网格一体化机房全新风自然冷却系统具体方案如下文所述。

（1）直接新风冷却系统：直接将室外温度适宜的冷空气引入室内，使得室外冷风与室内热风进行换热，从而带走数据中心的热量，降低其温度。冷热气流双遏制，出色的制冷效率可使全年平均PUE降至1.1以下，改善空气质量、系统能耗降低，获得节能效果。

（2）蒸发冷却系统：加湿降温的空气处理过程，良好的吸水性能、通风及过滤功能。当新风无法满足制冷需求时，自动根据需求开启适当层级的湿膜加湿器，在保证设备运行湿度的前提下，通过相变带走多余热量。

新风自然冷却系统各环节的关键技术如下文所述。

（1）过滤器：G2级别的初效过滤器，可以滤除空气中的粉尘等杂质； F8级别的中效过滤器，则可以有效过滤空气中的化学污染物，有效保护IT设备，免受硫化物和氮氧化物的侵蚀。过滤器前后的压差传感器，则可以对过滤器的更换做出预警。G2级别的初效过滤器、F8级别的中效过滤器双重保障。

（2）蒸发冷却系统：当纯新风无法满足制冷需求时，自动跟据需要开启适当层级的湿膜加湿器，在保证设备运行湿度的前提下，通过相变带走多余热量。

（3）进风阀：PLC控制的高可靠性电动阀门，在外界空气温度、湿度及空气质量符合进风要求时，开启进风阀，直接引入外部自然冷源给模块降温。

（4）风机：每小时最高可产生10 000 m3的风量，用最小的能耗，把满负荷运行时产生的50 kW热量迅速持续的带出模块。

（5）混风阀：当外界空气湿度升高超过限定时，则可打开混风阀，将排出的热空气与外界空气混合，以降低湿度。

（6）配电系统：配电系统模块支持2N配电，通过两端的配电柜，将关键电力输出到母线，继而分配到各个机柜。而机柜后部配置两个智能PDU，可实现对用电的精细化管理。

（7）排风阀：需要时可以完全关闭排风阀，隔绝模块内外的空气。

本研究提出的边缘中心微机房全新风自然冷却系统方案基于直接新风冷却和蒸发冷却来降低机房能耗，同时采用预制化、模块化的设计，解决传统节点机房选址难，周期长的问题，同时由于占地不超过5 m2，建设按公共设施处理，省去了繁琐的审批流程。

如图1所示，苏州西洛巷一体化机房，全新风自然冷却模块利用直接新风+蒸发冷却技术，PUE测试结果低至1.1左右。对于1 kW的有效IT负载，总耗电量可以从1.6 kW降至1.1kW，非IT耗电从0.6 kW降至0.1 kW，大幅降低了电能消耗。机房内温度如表1所示。

图1 边缘中心微机房示意图

表1 机房内温度记录图

2 主要技术特点

（1）利用政策建设微网格一体化机房。根据《省政府办公厅关于加快推进第五代移动通信网络建设发展若干政策措施的通知》（苏政办发〔2019〕49号）中有关“5G基站占地不超过5 m2的按公共设施处理”，减少了复杂冗长的建设审批流程，大大缩减了建设周期，能够满足用户快速上线的需求。

（2）提出基于直接新风冷却和蒸发冷却的全新风冷策略。利用直接新风冷却系统，直接将室外温度适宜的冷空气引入室内，使得室外冷风与室内热风进行换热，从而带走机房内的热量，降低其温度。当新风无法满足制冷需求时，采用蒸发冷却系统，通过PLC控制自动根据需求开启适当层级的湿膜加湿器，在保证设备运行湿度的前提下，通过相变带走多余热量[5]。

（3）采用预制化、模块化和一体化的设计。模块化数据中心，免去了复杂的选址要求，室内室外均可搭建，可实现快速部署。工厂预制化出货，现场只需简单组装，缩短了建设周期，节约时间成本，提高工作效率。全模块化设计，可根据实际需求增减模块，可扩展性强。

（4）优化用户使用需求。针对用户需求，一体化机房的数据中心采用吊装式安装，灵活方便，更加贴近用户，真正做到随装随用，满足用户快速启用的要求，同时使用完整的42U 19英寸IT机柜，释放更多算力，满足更多的用户使用需求。

3 应用效果

微网格一体化中心机房以单机架6 kW计算，对比PUE为1.6的传统机房，单机架一年可节省电费2万元，机房内共6个机架位置，折算后单站点一年可节约电费12万元。预计开展200个站点，可节约电费2 400万元。一体化微机房目前已在共耀华庭、海德公园等32个站点应用。下半年拟进一步推广使用。

一体化机房按单机房6 kW测算，相比传统机房电费每年节约3.784 32万元，节省房屋租金3.5万元，以100个一体化机房计算，每年可节约成本728万元。本研究针对5G边缘微机房创新模式的研究，提出了基于全新风自然冷却系统的一体化机房和背板综合考虑，基本无地域限制，方案成熟，适合广泛推广。