大型空管工作区能耗分析及优化管理策略

梅 龙

（中国民用航空中南地区空中交通管理局，广东 广州 510405）

0 引 言

近年来，随着我国经济的高速增长，航班数量日益增加，空中交通管制服务的业务量越来越大，空管行业的信息化建设也在不断加强，服务器、交换机、储存设备以及空管设备均保持快速增长，数据机房和办公场所的能源消耗日益增加，高能耗问题尤为突出。随着国家电力市场化改革，未来单位电价将处于上升趋势，空管行业的能源支出成本将持续增加，粗放式的能耗管理已经不能满足空管行业高质量发展的要求，如何降低空管行业能耗成为亟需解决的问题。

以某地航管楼A为例来研究分析大型空管工作区的能耗情况，其中空管设备、服务器以及计算机等设备的能耗约占总能耗的30%，机房暖通制冷系统的能耗约占总能耗的45%，供配电系统和其他物业用电的能耗约占总能耗的25%。随着后期扩建项目的投产，该航管楼区域的设计负荷功率装机量达到8 450 kVA。在航管楼满载用电的情况下，每年电费支出超过4 000万元，运行成本大幅增加。基于此，针对IT设备、机房暖通制冷系统、供电系统以及其他物业用电的能耗情况进行分析，采取可行的节能减排措施，提高空管行业的绿色发展水平[1-3]。

1 大型空管工作区能耗分析

近年来，空管行业的耗电量快速增加，A航管楼2017—2022年的负载数据如表1所示。

表1 A航管楼2017—2022年负载功率

2022年，A航管楼的总负载功率已从2017年的440 kW增长至726 kW，其中空管设备负载从136 kW增长至221 kW，其他负载从90 kW增长至181 kW。

大型空管工作区的能耗主要由空管设备能耗、空调制冷能耗、供配电系统能耗、其他用电能耗等组成，其中空管设备包括一次/二次雷达、甚高频服务器、数据存储器、防火墙设备以及IT设备等，空调制冷设备包括机房精密空调、中央空调、分体空调等，供配电系统包括高低压配电柜、变压器、不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）以及柴发机组等，其他生活用电设备包括照明、电梯以及生活水泵等。

大型空管工作区能耗组成中，空管设备能耗占比30%，空调制冷设备能耗占比45%，供配电系统能耗占比12%，其他能耗占比13%。标准数据中心能耗组成中，IT设备能耗占比50%，空调制冷设备能耗占比30%，供配电系统能耗占比10%，其他能耗占比10%。通过对比，空管工作区的空管设备能耗远低于标准数据中心的IT设备能耗，具有较大的节能降耗空间。

2 大型空管工作区能耗管理策略

2.1 提高空调利用效率

空调制冷设备能耗是空管工作区能耗最大的部分，对此可以提高空调的利用效率来减少空调能耗。目前，提高空调利用效率的方法有调整机房布局、提高制冷温度等。

机房内空调和设备布局不合理，对气流和温度场影响较大。空调出风口未均匀分布于机房，存在某些能耗高、发热量高的设备处于热气流通道的现象，导致机房内出现热岛效应。为了解决部分设备附近温度较高的问题，可以调整机房内设备和空调出风口的位置，将发热量高的设备布置在靠近出风口的位置或延长空调出风管道至发热量高的设备处，从而提高机房空调利用效率[4-6]。

为了保证设备的安全有效运行，需要严格控制机房的温度。根据统计数据，机房温度处于15～20 ℃时，服务器故障率为0.865%；机房温度处于20～25 ℃时，服务器故障率为1.130%；机房温度处于25～30 ℃时，服务器故障率为1.335%；机房温度处于30～35 ℃时，服务器故障率为1.482%。查询《数据中心设计规范》（GB 50174—2017），其中要求冷通道或机柜进风区域的温度为18～27 ℃。根据设备主备配置情况有效降低设备故障率，在不影响空管运行保障的前提下，适当提高机房环境温度，降低机房的总能耗。

2.2 智能化改造

在绿色、节能的背景下，应降低空管工作区的其他用电量，可以利用建筑物智能化改造的方式提高自然通风、暖通制冷、照明系统的能源利用率，降低大型空管工作区的能耗[7]。

2.2.1 照明系统智能化改造

随着科技的发展，照明用电能耗已呈逐年降低趋势，可以充分利用建筑智能设计理念对照明系统进行智能化控制，以降低能耗。例如，在办公场所安装声控灯、感应灯等，在没有人员走动的情况下实现照明系统的自动关闭[8]。除此之外，还可以安装有效的控制元件，对照明的等级进行智能化调节，实现高效节能。

2.2.2 使用自然冷却技术

自然冷却技术使用自然界的冷源为设备机房提供冷量，以达到节约能源的目的。对工作区的机房进行新风系统自动化改造，当冬天室外温度低时，新风系统自动控制开启，机房空调自动关闭。新风系统从室外引进经过过滤的低温冷空气供应到设备机房进行冷却，而排风口将热通道的空气排除，通过冷空气的不断进入和热空气的不断排出使机房温度控制在合适的范围，从而达到降低机房空调使用频率、减少空调能耗的目的[9]。

2.2.3 空调系统改造

对办公区域的空调进行自动化改造，安装红外感应装置来控制办公场所空调的关闭。当红外探头长时间未检测到活动迹象时，自动关闭空调。在办公场所人员长时间离开的情况下，可有效防止未关闭空调而造成能源浪费的情况。

2.2.4 采用变频设备

由于部分空管业务的数据量存在短时突变的特点，服务器、交换机等设备的散热量会随着数据处理量而变化，因此机房的温度也是动态的。将制冷系统能耗最大的冷水机组替换为变频设备，采用变频原理的冷水机组可以根据机房温度的变化自动调节运行频率，提升冷水机组能效，从而有效降低能耗[10]。

2.3 降低供配电系统的损耗

2.3.1 采用高能效等级的变压器

电力变压器的能效标准分为3级，其中1级变压器的能效最高、节能效果最好。查询相关数据，以额定容量1 000 kVA的10 kV干式变压器为例，1级能效标准的电力变压器能源损耗约为7 kW，2级能效标准的电力变压器能源损耗约为8 kW，3级能效标准的电力变压器能源损耗约为10 kW。基于此，采用高能效等级的电力变压器可以有效降低能源损耗。

2.3.2 工艺供电系统的优化

为了保障空管业务的连续性、安全性，大型工作区的空管设备供电均采用UPS双总线整流-逆变供电方案。双总线UPS系统包含4台UPS，每台UPS均能独立带载所有负荷。主备冗余的双总线UPS供电系统的实际效率为80%～90%，配电系统能量利用率较低。新型数据中心开始尝试采用1路市电+1路UPS或1路市电+1路直流高压的双总线供电模式，1路市电+1路UPS的供电系统如图1所示。

图1 1路市电+1路UPS供电系统

在市电正常的情况下，负载优先使用市电供电。在市电异常时，负载通过静态切换开关（Static Transfer Switch，STS）不间断切换至UPS或直流高压供电。在市电稳定的情况下，该供电方案的安全性、可靠性与双总线UPS模式不相上下，但能源利用效率优于双总线UPS供电模式，将成为未来绿色发展的重要应用形式。

3 结 论

随着我国空管行业的快速发展，通过提高制冷空调利用率、智能化改造以及降低供电系统能耗等方式，能够高效实现节能减排，符合国家绿色、环保、可持续发展的战略要求，对推进空管行业的高质量发展具有重要意义和价值。