某A 级信息枢纽机楼能效提升技术方案

［慕家骁 宗凌 林显达 刘登明 刘翔］

1 引言

我国在2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和是习近平总书记代表全中国人民向全世界做出的庄严承诺和宣言。能耗“双控”和碳排放“双控”是各个运营商，乃至全社会所面临的重大课题。发展数字经济、绿色环保经济和可持续循环发展的经济已经是我国的大战略和发展方向，青山绿水就是金山银山的发展理念已经深入人心。IDC 数据中心和通信网络，作为发展数字经济的最基础的物质基础，已经上升到国家重点新基建发展的大战略高度上。然而由于各电信运营商现存的大量老旧传统的通信机楼、机房则耗电量大，能耗高，PUE 高，对我们实现“双碳”目标影响较大，为此对传统耗电量大的老旧通信机楼、机房，尤其是传统的大型枢纽通信机楼、老旧传统的IDC数据中心的节能技术改造就显得十分紧迫和重要。

2 某A 级信息枢纽机楼耗电的现状

2.1 总用电情况

本A 级信息枢纽机楼在高压配电房测量机楼总用电情况如表1 所示。

表1 在高压配电房测量机楼总用电情况

在高压配电房测量机楼总用电为2 105.67 kW，功率因数平均按0.97 计算。

2.2 机房现场通信主设备用电情况

本A 级信息枢纽机楼通信主设备用电情况如表2 所示。

表2 通信主设备用电情况

本A 级信息枢纽大楼共有UPS15 套，开关电源共2 套。功率因数为0.96，通信主设备用电为：816.51 kW。

2.3 空调用电情况

本A 级信息枢纽大楼采用中央空调系统制冷，水冷主机共4 台。其中X 品牌600 冷冻大功率空调主机3 台，投入使用时间为2004 年；Y 品牌300 冷冻小功率主机1 台，空调投入使用时间2012 年。目前空调主机运行分为1 台大功率和1 台小功率并行运行；高温季节同时运行2 台大功率主机。

水泵曾更换过，共5 套水泵系统共10 个水泵，目前运行状况良好。其中冷冻泵功率为75 kW，冷却泵功率为55 kW。水泵系统已有变频，但水泵变频系统由于是2005年的产品，运行性能指标不是很稳定，于是厂家工程师就把程序设定锁死最高频率为40 Hz，因此无法达到全工况运行状态，实际是不能实现自动变频功能，只有软启动变频，变频效果不理想。

机房在运行主机2 台，水泵系统2 套共4 个水泵，冷却水塔2 个。中央空调设备实测总用电功率如表3 所示。

表3 中央空调设备实测总用电功率

2.4 办公和营业用电情况

某A 级信息枢纽机楼综合办公用电约为：2 105.67－706.96－816.51=582.2（kW）。无营业用电。

2.5 用电分析

由上面测试数据可以得到某A 级信息枢纽机楼用电电量见如表4 所示，用电功率比例结构如图1 所示。

图1 某A 级信息枢纽机楼用电功率比例结构

表4 某A 级信息枢纽机楼用电构成情况

由上分析可以知，2021 年11 月11 日，本A 级信息枢纽机楼用电瞬时PUE 值为2.58，扣除综合办公后的PUE 则为1.86，根据相关规定和要求，该机楼还有能效提升的空间。

3 存在问题分析

通过现场调研、数据统计与分析，本A 级枢纽机楼存在如下的问题。

3.1 中央空调主机、水泵、冷却塔使用年限久、严重逾龄、能耗高，且实际无变频功能

由于3 台大功率中央空调主机设备使用年限较长，已运行超过18 年年，逾龄超过3 年，且主机和水泵实际都无变频能力，虽然5 套中央空调冷冻水泵和冷却水泵是2012 年安装，且已外加装变频节能系统，但由于水泵变频器程序锁死无法达到全工频率状况，只能最大实现40 HZ的工作频率，变频器调节水泵效果不显著，需人工调整水泵运行数量来保持水泵在85%左右最佳工作效率状态。水泵虽然有变频系统，但是由于是2005 年就已经投入的产品，已经逾龄7 年，性能不稳定，且厂家工程师都已经设定为40 Hz 的定频，不但没有起到变频的目的，而且还极大地压缩了水泵的额定功率，使水泵长期运行在40 Hz定频的功率工况。中央空调主机、冷却塔均无变频功能。这是本A 级枢纽机楼耗电量大的最主要原因。

3.2 制冷机房无群控系统

由于本A 级枢纽机楼无群控系统，因此无法对冷水机组、水泵、冷却塔有效进行动态监控和控制，造成较大的能源浪费。

3.3 无各系统的能耗数据

不能精确地管控机楼的能耗情况，如冷站主设备-冷水机组、水泵、冷却塔、空调末端能耗分项计量。

3.4 无AI 控制系统

冷水机组侧数据只有部分采集；动环中末端空调采集点不足，只有部分数据采集，冷水机组侧电量数据未做分项计量；机房现场内部温湿度传感器较少，无法满足AI 数据建模和分析的需要，因此需要增补温湿度感应器全面反映机房内部温湿度情况。基础数据整体比较欠缺。

3.5 机房风机末端无变频功能

机房风机末端无变频功能，需要进行改造，增加变频器以实现调节功能，或更换为EC 风机；楼顶冷却塔风扇也无变频功能。

3.6 机房内气流组织混乱，造成冷风短路，制冷效果差

本信息枢纽机楼7 层IDC 机房01、8 层IDC 机房 02、9 层IDC 机房01 数据机房气流组织混乱，下送风出口设在敞开的一边是设备进风口，一边是设备出风口，如图2所示。或机房空间敞开，没有冷热通道，如图3 所示，造成极大的冷源浪费。

图2 下送风，出口设置在前排设备的出风口、后排设备的进风口位置

图3 上送风，无冷热通道，气流组织混乱

3.7 八楼机房上架率仅为20%，存在管理节能空间

3.8 机房玻璃外墙存在冷热源散射现象

机房墙壁靠外是玻璃幕墙，虽在玻璃窗上贴有隔热膜，有一定的隔热效果，但效果不够理想，存在机房内外冷热源相互散射现象。如图4 所示。

图4 机房内玻璃幕墙上贴隔热膜，隔热效果不理想

4 节能策略实施建议

4.1 中央空调方面节能策略

4.1.1 新增加一套600 冷冻的大功率自带变频功能的高效中央空调系统，作为一年四季主要的制冷系统，同时再根据季节的不同，随时增加一台小或大的中央空调主机系统，以科学合理的满足整个通信机楼和机房的供冷和节能的需求。

4.1.2 对其它四套冷冻水泵和冷却水泵以及冷水塔加装新的高效变频器，提高变频灵敏度，科学合理地改善水流量和水泵数量，降低水泵、水塔的功耗。

4.1.3 中央空调系统投产已近20 年，冷却水塔填料中有污垢，管路中水垢影响水流量和水流速度，需要用药剂清理管路以降低冷却水泵的能耗。同时以使冷却器的水循环系统热转换效率得到提升。

4.1.4 中央空调的冷冻水温度可适当提高，标准温度为7 度出水，12 度回水，如果设置为10 度出水，15 度回水，优化冷却水温度差，中央空调的制冷效率会提高，主机的功耗会下降。

4.1.5 利用双水塔或多水塔来提高冷却系统的散热效率，或采用多个小功率水塔分担冷却塔的散热能效。

4.2 加装精确送风装置

优化机房气流组织，精确送风，减少冷量损失，保障冷风直接到达机柜内冷却通信主设备。建议将7 层IDC 机房01、8 层IDC 机房02、9 层IDC 机房01 机房全部改造成为精确送风，以提高冷量转换效率。如图5 所示。

图5 精确送风改造示意图

4.3 在负荷较大的机房，更换末端风柜为EC 风机，减少空调末端的功耗

EC 风机是利用脉宽调制的方式调速，可以实现无极调速，内部控制器可以根据周围环境温度调整转速，使其调速效率更高。如图6 所示。

图6 EC 风机=EC 电机+后倾式风机

EC 电机不同于三相异步电机，EC 风机采用永磁同步电机，直流无刷技术实现节能、调速的目的，与传统的电机相比，效率和可靠性都大幅度提高。EC 风机优势：EC风机节能效率更高；适应电压范围更宽；散热好；电机噪音低；低振动；软启动；启动电流小。

4.4 将末端风柜风机改造成群控或AI 控制。

为了保证AI 技术策略可以更准确、更有效的实施，建议增加分项计量电表，以便了解各部分系统的能耗情况；需要增加制冷机房各个设备数据采集点位，改造冷站自控系统，并将相关数据接入，通过自控系统运行调节实现对水冷系统的节能。AI 能效管理系统改造在冷站、水系统、空调末端风机等环节通过群控系统接入动环后，通过动环读取数据和进行通信的AI 平台进行综合节能，优化机房在良好可靠的节能状态下运行。AI 采用节能一体机对数据中心机房能耗进行管理和优化，通过统一界面展现机房和设备能耗状态及工况。基于全部机房中所有温湿感应和空调运行数据，通过IT 设备发热量的预测模型和机房温场分析，动态输出节能方案，并且由软件控制实现空调末端运行参数的自动调整。针对冷站和数据机房设置AI 能耗控制系统，分别为整栋大楼（安装一套）和3 个数据机房（安装3 套），最终可实现接入省节能平台。

4.5 机房玻璃幕墙改造

将机房内玻璃幕墙用砖块从内部封堵，可以大大减少机房内外冷热源的相互散射。

5 效益评估分析

5.1 投入成本

5.1.1 新增加一套600 冷冻的大功率自带变频功能的高效中央空调系统需要投入的成本：更新主机大约需要100 万+更新2 套水泵系统（4 个高效自带变频的水泵）40 万+清洗水塔及管路5 万=145 万；

5.1.2 更新安装精确送风需要投入的成本：

本机楼七、八、九楼的IDC 数据机房内的末端空调更换为末端EC 风机共35 台，每个按5 万估列，则需要175 万；

5.1.3 末端风柜风机改造成群控或AI 控制所需要投入需要的成本：

本机楼七、八、九楼的3 个IDC 机房内每个按20 万估算，整个大楼按30 万计算，则：

60 万+30 万=90 万

5.1.4 封堵机房内玻璃幕墙需要增加的成本，每个机房按2 万元估列，则3 个机房需要6 万元。

5.1.5 本大楼整个需要投入：

145 万+175 万+90 万+6 万=416 万

5.2 节电效率

5.2.1 中央空调系统节能效率

本大楼中央空调已经运行近20 年，其整个系统更新成高效节能变频型空调后，其节电效率按30%计算，更新变频水泵的节电效率也按30%估列，则每年的节电量为：

（338 kW（主机标称功率）+（75 kW+65 kW）*2（2套水泵变频））*30%*8 760 h/10 000=162.41 万kWh

冷却塔清洗后，节电率按10%估列，则：

4*65 kW*10%*8760 h/kWh/10 000=22.78（万kWh）

5.2.2 精确送风节电量

每个末端空调精确送风节电效率按25%估列，则35个末端空调的节电量则为：

35*4 kW*25%*8 760 h/10 000=30.66 万kWh

5.2.3 空调末端换装EC 风机节电量

空调末端换装EC 风机节电产生的效率按减少空调末端的功耗的10%计算，则为：

35*4 kW *10%*8 760 h/10 000=12.27（万kWh）

5.2.4 空调末端群控降低能耗

空调末端加装群控系统的节电产生的效率按减少空调末端的功耗的5%估列，则为：

则为：35*4 kW *5%*8760/10 000=6.13（万kWh）

5.2.5 机房玻璃幕墙封堵隔热降低能耗

机房玻璃幕墙封堵隔热降低能耗按空调主机的0.5%估列，则：

162.41*0.5%=0.8 万kWh）

5.3 投资回收期

通过采取以上节能措施后，每度电若按现在0.7 元计算，则每年可节省的电费为：

（162.41+22.78+30.66+12.27+6.13+0.8）*0.7=235.02*0.72=164.53（万元）

416 万÷164.54 万≈2.53 年

5.4 改造后本大楼PUE 值

本大楼PUE（扣除办公）=本大楼总用电量（扣除办公营业）÷通信主设备=（（（706.96+816.51）－235.02万）÷8760）÷816.51≈1.53

本A 级信息枢纽机楼实时节能技术改造后降低PUE=1.86－1.53=0.33

6 结语

由本A 级信息枢纽大楼的节能改造项目的效果可以知，运营商传统老旧信息枢纽大楼和传统老旧IDC 机楼都有很大的节能空间，仅每年节省的电费就可以在很短的时间内收回更新改造的所有投资费用，而每个运营商都有数千个这样的枢纽机楼，如果都能进行节能技术改造的话，尤其是对运行严重逾龄的中央空调系统进行改造，就可以收到良好的节能效果，这对我国的能耗“双控”和碳排放“双控”及有效降低PUE 值，实现我国的“双碳”目标都具有很重要的意义。