通信机房空调系统节能改造研究

王红江，米胜凯

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

随着当前经济的飞速发展，我国的信息技术领域也取得了巨大的进步，云计算、大数据分析、人工智能等新兴技术不断涌现，这些技术的普及和应用导致通信业务量的快速增长，其中对于通信领域影响最大的莫过于5G技术。5G网络的高速传输和低时延特性将带来更多的应用场景，需要更多的通信设施来支持。这包括更多的基站、边缘计算设备以及相关的数据中心和机房。但随着数据中心和通信网络机房的快速增加，它们的能耗问题也日益突出。在面对高能耗问题时，寻求管理和节能技术的解决方案变得至关重要[1]。

1 节能改造前某通信机房的空调系统概况

1.1 冷热源基本信息

某机房隶属于大型通信公司，因为建成时间较早使其遗存了不少问题。该通信机房的冷热源主要由空调系统提供，用于维持机房内的适宜温度和湿度，确保IT设备的正常运行[2]。空调系统包括压缩机、风机、冷凝器以及蒸发器等组件。通信机房通常采用分体式空调系统，包括室内机和室外机。室外机通常位于机房外部或屋顶，用于排放热量。此外，该机房还存在室外机安装不规范、不合理的情况，受到室外环境的限制，导致其散热效果不佳。这些问题会导致室外机过热，影响空调系统的性能，使其消耗更多电力来维持温度。对此，机房设置了过低的温度，但可能导致机房过度冷却。这种情况下，空调系统会过度运行，浪费能源，同时使机房内的温度变化频繁，对IT设备的稳定运行产生负面影响[3]。

1.2 能耗分析

根据机房管理人员提供的数据，该机房IT设备能耗占据通信机房总能耗的52%，表明IT设备的能耗在整个系统中占据了重要地位，但仍有潜力进行能效改进，例如通过更新设备、优化工作负载等方式来减少能耗。机房空调系统的能耗占据机房总体能耗的38%，说明了空调系统在能源消耗中的重要性。由于室外机安装不当或环境限制等，导致室外机的散热效果不佳，进而影响整个系统的性能。机房内部温度设定过低，导致空调系统过度运行，浪费能源。除了上述问题，通信机房还存在其他能源浪费的潜在因素，如气流组织不合理、冷热通道没有封闭、局部热点问题等。这些问题可能导致能源的浪费和能效下降。

2 节能改造内容

2.1 压缩机节能

2.1.1 智能双循环机房空调节能改造

（1）节能模块整合。在现有的空调系统中整合节能模块，包括智能温度和湿度感应器、自动调节系统以及与天气预报数据集成的智能控制系统。这些模块协同工作，以确定最佳的运行模式和时段，减少压缩机的运行时间[4]。

（2）变频制冷剂泵。在低温季节或低温时段，采用高效、环保、低功率的变频制冷剂泵代替原有的压缩机。这些制冷剂泵可以更加灵活地调整输出，根据实际需求来提供制冷。同时，尽可能利用室外环境冷源进行制冷。这一举措可以大大降低空调系统的能耗，特别是在寒冷季节。

2.1.2 新技术应用

引入间接蒸发冷却技术，利用空气-空气换热芯从室外空气中获取冷量。这个过程不需要直接的压缩机制冷，因此可以在一定程度上缩短压缩机的运行时间，对于低温季节或低温时段非常有效。考虑采用液冷技术，通过液体冷却系统来降低机房内的温度。这种技术可以有效降低室内温度，减轻空调系统的负担，从而降低压缩机的能耗。改进新风系统，确保室内的新鲜空气流通，同时保持适宜的温度和湿度。新风系统的优化可以降低对空调系统的依赖，缩短压缩机的运行时间。

2.1.3 更换高能效的变频压缩机

将高能效的变频压缩机引入空调系统，以替换原有的定频压缩机。变频压缩机具有冷量输出无极调节的特点，可以根据实际负荷需求智能调整运行，避免定频压缩机在低负荷时的低能效问题。引入智能控制和监测系统，以实时监测压缩机的性能和机房温度，确保压缩机在最佳状态下运行。

2.2 风机节能

2.2.1 采用变频EC风机

将现有精密空调系统中的FC（直流）风机改造为变频EC（电子式交流）风机。EC风机相比传统FC风机具有更高的运行效率，可根据实际需求智能调节风速，从而降低能耗。合适的风速设置能够在满足散热需求的同时减少不必要的能耗，提高风机的可靠性。通过设定合适的风速来实现节能。风速的调整需要根据机房的实际情况来进行，以确保充分的空气流通和散热效果[5]。

2.2.2 OCC顶置空调盘管

引入运行控制中心（Operation Control Center，OCC）顶置空调盘管技术，同时封闭热通道。这个系统利用服务器自身风扇来实现气流循环，而无须额外的送风风机。这种方式有效地减少了能源消耗，特别是在机房内部温度控制方面。

2.2.3 室外风机的节能

取代传统的风冷平面型冷凝器，引入全新开发的集中式冷凝器。集中式冷凝器通常包括比例-积分-微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制、变频调速、EC风机、V型蒸发器、模块化设计以及独立喷淋等先进技术。它们解决了传统冷凝器存在的散热不良、高压告警、占地面积大以及噪声大等问题，从而降低能耗。同时改善空调系统的安装环境，如将风冷系统改造为水冷或双冷却系统（水冷+风冷）。

2.2.4 空调系统风道优化

对通信机房的空调系统进行风道设计的改进，以确保冷风和热风能够有效流通。合理的风道设计可以减少风机的工作负荷，降低空气流动的阻力，从而减少风机的能耗。风道的密封也是重要的节能措施。未经密封的风道可能会导致冷风和热风之间的混合，浪费能源。因此，确保风道的密封性对于提高风机的能效至关重要。

2.2.5 定期维护和清洁

定期维护风机系统包括清洁风机叶片、轴承润滑以及检查电气连接等，可以确保风机保持良好的运行状态，减少机械阻力和能源浪费。定期清洁和更换空气过滤器，确保通信机房的空气流通顺畅。堵塞的滤网会导致风机需要更多的能量来推动空气，从而增加能源消耗。

2.3 机房空调群控

2.3.1 冗余机组自动备份

引入智能备份策略，确保在一个机组故障或不必要的情况下，自动启用备份机组。当主要机组出现问题或不再需要时，群控系统将自动切换到备份机组，保持机房内的稳定环境。建立故障检测和报警系统，能够及时发现机组故障并通知运维人员，有助于快速响应问题，确保系统稳定运行。

2.3.2 避免竞争运行

群控系统可以确保机组之间的协同运行。通过集中管理，系统可以动态调整每个机组的运行状态，避免竞争运行和冷却重叠。这可以通过智能控制算法来实现，根据实时需求动态分配工作负荷。群控系统还可以优化机组的运行模式。例如，在低负荷时段可以选择运行少数机组，以降低总能耗，而在高负荷时段可以激活更多机组，以确保足够的冷却能力。

2.3.3 减少人为干预

群控系统的自动化控制功能可以减少人为干预的需求。系统可以根据预设的条件和参数来自动调整机组的运行，无须手动干预。建立远程监测和管理平台，允许运维人员远程监控和控制机房空调系统，可以提高响应速度，降低人为控制的风险。

2.3.4 集中管理和控制

群控系统可以整合机房空调系统的主要部件，包括冷水机组、水泵、冷却塔等。运维人员可以从一个集中的控制面板上管理和控制整个系统，提高操作的便捷性和效率。通过数据采集和分析，群控系统可以提供关于能耗、运行效率和维护需求的实时信息，有助于运维人员制定优化策略，进一步降低能耗并延长设备寿命。

2.4 机房气流组织优化

2.4.1 冷热通道隔离

采用冷热通道隔离的方式，将冷气流和热气流分开，以减少热气流对冷气流的干扰，降低冷热气流之间的环流和旁流。通过设置封闭墙壁、门、顶板和地板，确保冷气流只在冷通道中流动，而热气流只在热通道中流动。注意冷热通道隔离的细节，如加装封闭盲板，以封堵任何可能存在的气流漏洞。定期巡视和维护，查找和修复冷气泄漏的区域，确保冷热通道的完整性与有效性。

2.4.2 CFD分析

借助计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）技术，对机房的气流组织进行分析和模拟。CFD可以模拟冷气流和热气流的流动，帮助确定最佳的冷热通道布局，以提高冷风利用率和热风排出效率。此外，CFD分析还可用于识别机房内的热点问题，找出温度过高的区域，然后采取措施优化气流组织，将冷气流更精确地引导到这些热点区域，以降低温度，并减少压缩机的使用时间。

2.4.3 群控系统和列间空调

引入群控系统，实现对机房内所有空调机组的集中管理。通过群控系统，可以根据实时需求动态调整各机组的运行状态，确保室内温度和湿度的稳定性，减少不必要的能耗。选择列间空调更靠近发热设备，以优化空气流动。

2.4.4 高热密度解决方案

如果机房内有高热密度的设备，如服务器集群或图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU），则需要采取专门的气流组织策略。这包括增加冷气流供应、提高通风效率，确保高热密度区域得到足够的冷却。同时安装热监测系统，实时监测高热密度区域的温度，并根据监测结果自动调整空调系统，以确保高热密度设备的正常运行。

2.5 温湿度优化

2.5.1 负荷均衡

为解决局部过热问题，采用机柜间负荷均衡策略。通过对机柜负荷的监测和调整，确保热量分布更加均匀。通过重新布置设备或优化设备的散热方式，优化冷热通道的隔离，以减少热空气对冷空气的干扰。

2.5.2 合理的温度设定

根据通信设备的需求和工作环境，设定合理的机房温度。通常情况下，通信机房的温度设置为18～27 ℃是合理的，但具体温度设定应根据实际情况进行调整。在机房条件允许的情况下，适当提高空调系统的回风温度。根据国标规定，每升高1 ℃的蒸发温度，能效比可提高约2%。这可以在不影响设备运行稳定性的前提下实现能源节约。

2.5.3 持续监测与调整

建立温湿度实时监测系统，定期检查机房内的温度和湿度数据，有助于快速发现问题并采取纠正措施。根据监测数据动态调整空调系统的运行参数，以满足机房内不同负荷和环境变化的需求。

2.5.4 建立节能文化

对机房管理人员和运维人员进行培训，提高其对节能的认识和意识，促使员工积极参与能源管理。定期审查和评估温湿度优化改造的效果，根据实际情况持续改进和优化方案。

2.6 维护优化

2.6.1 加湿方式调整

传统的精密空调系统通常采用电极加湿或红外加湿方式，然而这些方法存在一定的问题，如加湿过程会产生热辐射，导致周围空气的温度上升。这不仅浪费了能源，还可能引起机房内部温度过高的问题，对此可以考虑采用湿膜加湿技术替代传统的电极加湿或红外加湿方式。湿膜加湿技术利用显热吸收，通过湿膜使水汽化，从而提高空气湿度，并降低空气温度。

2.6.2 强化维护

定期清洗或更换空调系统的过滤网，以保持空气流通畅通，并减少空气中颗粒物质对设备的影响。脏污的过滤网会降低空调系统的效率。定期检查制冷系统的压力和温度，确保其正常运行。此外，维护人员应定期检查制冷剂的充填情况，及时补充或更换制冷剂，以确保系统的制冷效率；定期清洗冷凝器和换热器，以确保其表面清洁，提高传热效率。

2.6.3 提升机房利用率

提升机房的利用率，确保机房内设备的充分利用。当机房利用率较低时，可以关闭部分空调设备，提高不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）等供电设备的转换效率。充分利用能耗管理系统，监测并记录机房空调系统的能耗情况。通过数据的统计和分析，确定能耗高的原因，制定节能措施的重点，评估节能效果。

3 结 论

通过改造和优化措施，通信机房空调系统能够实现显著的能源节约和效率提升。这不仅有助于降低企业的运营成本，减轻能源消耗对环境的负担，还确保了通信设备的可靠运行。同时，培养节能文化和提高员工的节能意识也是持续改进的关键因素。