通信机房节能改造应用及新技术研究

李祥中

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

“十四五”期间，我国数字经济应用更加深化，通信行业能耗持续增长。能源消耗的问题已经成为了全球性的难题，为了降低能耗、节约能源，通信机房节能改造，减少通信机房的能耗成为了一个热门话题。

1 通信机房能耗的来源

通信机房的能耗主要来自于以下几个方面：一是设备运行的能耗，通信机房中的设备是能耗的主要来源，而且设备本身的能耗随着设备数量和规模的增加而增加，设备运行的能耗占通信机房总能耗的70%以上；二是机房空调的能耗，为保证通信机房的稳定运行，需要对通信机房进行恒温、恒湿的控制，机房空调的能耗占到了通信机房总能耗的20%以上；三是其他设备的能耗，如不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）、发电机、照明系统等，占到了通信机房总能耗的10%左右。

不同的电量使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值对应的能耗占比不同，具体如图1 所示。

图1 不同PUE 值对应的能耗占比

2 通信机房节能改造的目前应用

2.1 节能监控

节能监控系统是对通信机房的能源消耗进行实时监控和管理的系统。其主要通过传感器采集数据，对机房内部环境进行实时监测和分析，并采用执行器或控制器等设备，对机房的空调、照明、电力等设备进行自动化控制，从而实现机房的智能化节能管理。节能监控系统主要包括空调节能控制、照明节能控制、电力管理以及数据采集和分析等。

如某C-Cooling 双碳平台，通过大数据、建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）等技术，借助人工智能、物联网技术、深度融合低碳化以及数字化技术，建立能耗监测和评估管理体系，提高现有供能设备的效率，实现节能增效及高效管理目标。

2.2 空调节能

通信机房的空调系统是其能耗的重要来源，机房节能改造的重点在于空调系统的改造。改造方案包括使用高效节能的空调设备，如热管背板空调、热回收空调、风机盘管空调以及冷热源分离的空调系统等。

分布式热管背板空调是在常规机柜基础上，机柜后门采用热管排热背板，背板上管路内的制冷剂蒸发吸热，借助循环将热量排出机房。制冷剂的循环依靠重力，无须其他动力[1]。这种分布式热管背板空调的可靠性高、显热比大，广泛适用于各种机房环境。

冷热源分离的空调系统将制冷和制热分开进行，避免了传统空调系统中制冷和制热同时进行的情况，从而能够大幅度降低能耗。冷热源分离的空调系统可以根据需求进行灵活调节，实现精准控制，也可以采用多机组联合运行的方式，既提高了系统的可靠性，又实现了能耗备份和平衡。

2.3 照明节能

机房的照明系统也是其能耗的重要来源，因此采用高效节能的照明设备、合理设置照明方案，可以有效降低机房的能耗。

在通信机房照明节能改造中，不仅可以采用发光二极管（Light Emitting Diode，LED）灯具，还可以采用光感控制技术。光感控制技术通过安装在机房内的传感器来实现，传感器会感应到周围环境的人员、光线强度，并将这些信息传输给控制系统。控制系统会根据传感器的反馈信息，实现灯光亮度的自动调节，从而降低能耗。光感控制可以根据工作、监控、应急等不同场景细化为多种控制模式，如工作模式可以实现“人来灯亮，人走灯灭”。

2.4 设备节能

2.4.1 通信设备节能

通信设备主要需要考虑芯片能耗，特别是信息转化芯片的耗能。可以从工艺和设计2 个方面考虑降低芯片能耗，如采用降低电路漏电功耗、关掉不使用模块的电源等方法。

2.4.2 电源设备节能

电源系统通常都是模块化设计，按使用需求配置，更高的容量可以通过扩展插框的方式实现。模块化电源系统可支持多个用户，具有智能化的电源系统还可支持叠光、错峰、削峰等特性，满足多种需求。

2.4.3 降低市电需求

城区内通信机房市电多采用220 V 转供电，新增5G 基站大部分在现有存量4G 站点上共址建设。由于5G 设备功耗较大，原有市电余量无法满足新增功率，多数需要进行市电改造。即使现有市电容量轻微不满足，为了安全运行也需要进行市电改造。采用组合锂电池作为循环电池，原有的铅酸电池作为备用电池，用电低谷时蓄电池工作在充电状态，出现用电高峰时蓄电池放电，这种方式降低了市电总容量需求，可以实现基站的免改造或少改造，节省改造投资[2]。其他方法包括错峰充电、限流充电、备用电池削峰等，或者采用以上组合方式，都可以降低市电改造需求。

2.4.4 电池共用管理器

差异化电池共用管理器（Difference Battery Management System，DBMS）具备多路电池接入端口，锂电和铅酸电池可以任意并联扩容；通过对各端口独立控制，支持不同电池同充同放，节省充电时间，提升放电功率。差异化电池共用管理器实现了差异电池组（不同容量、不同类型、不同寿命）的共用，放电时控制锂电优先放电，实现错峰用电或者负载削峰功能，充电时锂电和铅酸分别按各自的限流设置点充电，充电电流准确可控，提高了新旧电池的有效利用率，延长了蓄电池资源的使用寿命。

3 通信机房节能改造的新技术

3.1 散热隔热材料

3.1.1 机房表面反射材料

某课题组研究了高效反射涂层，这种双层纳米颗粒涂层具有高反射率，理论上在直接太阳辐射下低于环境温度5 ℃，在夜间可低于环境温度17 ℃[3]。对于采用彩钢材质建设的机房，可在外部喷涂隔热涂料对太阳光进行反射隔离，内部增加隔热材质，降低空调的运行时间，节电可达到12%左右[4]。

3.1.2 机房隔热墙材料

隔热墙可以采用多种材料进行制作，如岩棉板、聚苯板、玻璃棉板等。这些材料具有较好的隔热性能，可以有效减少机房内部的热量传输，降低机房的能耗。

3.2 新风系统应用

利用室外天然冷源（地下水等）进行物理降温后，冷空气通过新风冷气机送入机房，降低机房温度。新风系统与空调系统配合使用，改善机房气流，改变空调单一制冷的工作方式，降低能源消耗。该系统可以解决机房局部高温过热问题，满足制冷需求，降低空调能耗。新风系统还可以与智能控制系统联动，实现更加智能化的控制，提高节能效果。

3.3 高效节能空调

高效节能空调技术是通信机房节能改造的重要技术之一，如多联模块化空调和空调人工智能（Artificial Intelligence，AI）节能技术。

多联模块化空调有3 种运行模式，即物理冷却、机械制冷以及混合制冷，根据室内制冷需求和室外温度自动切换。当室外温度变化满足条件时，利用自然冷源工作在物理冷却模式，最大化利用自然冷源进行节能运行。多联模块化空调适合距离远、高差大的安装方式，自然冷源利用率高，环境适用性强，远胜于传统空调[5]。

空调AI 节能技术包含2 个主要功能，即温度预测和策略生成[6]。温度预测功能是通过分析温度、湿度、运行参数等往期数据，结合不同空调运行参数，预测将来可能出现的温度。策略生成功能是根据当前温度、设备状态等数据，生成新的控制参数以及控制策略。AI 节能技术在保障环境温度安全的基础上，降低空调压缩机工作时长，有效减少耗电量，适用于大型通信机房和数据中心。

3.4 冷热通道隔离

冷热通道隔离技术的原理是将机房内的冷热空气隔离开来，使冷气流和热气流不相混，从而降低机房的能耗。

设计时需考虑机房尺寸、空调位置和光缆进局方式等条件，将机房划分为有源设备区域、无源设备区域。根据有源设备区域的平面布局，拟定不同设备的安装位置，分离高热量设备。高功耗、高热量设备尽量靠近空调安装，保证设备的散热条件，避免部分设备出现局部高温，提高机房使用率，降低机房内的设备故障率。

3.5 机房设备升级

机房设备升级是通信机房节能改造中的一种新技术，其主要作用是更新或替换机房中老旧的设备，通过提高设备性能和能效，降低机房能耗。

具体来说，机房设备升级技术包括以下方面：一是采用智能化监控系统，通过安装智能化监控系统，实现机房设备的精细化管理，提高设备利用率，降低能耗；二是更换高效节能设备，减少设备能耗；三是采用云计算，将多个机房资源集中管理，提高资源利用率，降低能耗；四是将多个服务器虚拟化为一个物理服务器，提高服务器的利用率，降低能耗；五是模块化设计可以根据实际需求灵活调整机房设备配置。

4 结 论

从通信机房的节能现状出发，介绍了一些通信机房节能改造的新技术。这些新技术在通信机房节能改造中的应用效果显著，能够大幅降低通信机房的能耗和运行成本，减少对环境的影响，同时提高通信设备的运行效率和稳定性。未来，采用绿色能源、能源回收等新型节能技术，将节能与环保紧密结合，通过采用绿色能源、环保材料和环保工艺等手段，实现通信机房的低碳、可持续发展。同时，注重数据中心的智能化管理，精准控制能源消耗。