通信機房空調群控精確送風節能新技術研究

徐家勝，章小軍，黃 杰

（中國移動通信集團浙江有限公司麗水分公司，浙江 麗水 323000）

0 引 言

近年來，通信網元不斷發展，機房密度不斷增大，空調功耗持續增高，但部分機房存在空置率高、冗余大機房空調空耗能較大等情況。由于種種因素，降耗困難重重。第一，常規機房空調都是各自獨立運行，缺少整體調度，空調個體參數差異可能導致空調間內耗（有的加熱/濕，有的制冷/除濕），白白消耗大量電能，效率低下。第二，由于機房部分設備安裝不合理，氣流存在短路及區域負荷布局不均冷熱通道疊加等問題，導致機房區域冷熱不均出現局部熱島現象。第三，增加空調場地受限，無安裝場地條件。第四，增加風管空間受限，由于老機房走線架密集，不具備再做風管條件。為保障機房設備安全穩定運行，常常需要多臺空調冗余運行，導致空調設備啟停頻繁、值班機過多空耗電能大，且個體空調獨立運行缺乏整體調度，負荷變化時不能及時調整值班機數量[1]。為解決機房熱島節能減排，探索解決機房空調區域熱島問題和節能節電新方法迫在眉睫。

1 關鍵技術原理

1.1 項目特點和功能描述

機房空調群集控系統通過對機房全部空調的整體管控，解決了機房空調獨立的區域冷熱不均、環境溫度波動大、氣流短路、設備啟停頻繁以及值班空調空耗電等問題。該系統通過通信口采集各臺空調的數據，為每個空調區域節點增加了外置的網絡型溫濕度傳感器，以采集機房整體溫度場數據。集控系統根據采集的數據對整個機房的空調設備參數和溫度場分布進行綜合運算分析，整體調度機房內所有空調的運行，均衡控制機房溫度場，提高整體運行效率，從而達到節能目的[2]。

1.2 關鍵器件

關鍵器件主要包括主控制器、分布式溫濕度傳感單元、終端控制繼電器以及人機界面。

運行原則。當機房出現局部熱點時，優先投入熱點所在區域精密空調的制冷量輸出，如果溫度還是降不到安全區域，則喚醒相鄰區域精密空調輸出制冷，協助工作。

控制規模。機房單個集控節能系統最多可集中控制15臺空調機組，機房最多布設120個溫度檢測點。

2 應用方案

經分析，解決機房熱區的根本方案是對機房整體的溫度場進行實時監測增加控制系統，對機房內空調進行整體調度，并需要優化機房內的氣流組織。針對機房的現狀，提出機房空調群集控系統加送風增壓系統的方案。

2.1 控制系統介紹

2.1.1 主控制器

主控制器為一臺專用主控制器電腦，硬件、軟件設計為專門運行機房空調群節能集控系統。主控制器電腦內置硬件及軟件看門狗，具有防死機、故障或斷電后自動恢復連續運行功能；軟件系統設計為專門的單任務運行模式，可靠性高。主控制器配置專用的人機交互界面，用于機房空調群節能集控系統的組態、配置、運行狀態及數據庫查詢。它主要具有如下特點：內置軟件看門狗，確保程序不會出現意外紊亂故障；采取智能PID算法，根據采集的機房溫濕度場參數，自動決策投入精密空調運行臺數，達到最大化節能目的；當機房出現局部熱點時，優先投入熱點所在區域精密空調的制冷量輸出，如果溫度還是降不到安全區域，則喚醒相鄰區域精密空調輸出制冷，協助工作。對精密空調的喚醒與叫停，可以通過兩路通道輸出控制信號：一是通過RS485串口通道，通過與精密空調連接上通信總線來實現；二是通過終端控制繼電器方式，該方式屬于物理方法，不存在與精密空調微處理器進行程序交互，安全性更高。

2.1.2 分布式溫濕度傳感單元

傳感單元為RS485總線型，每組傳感單元內置1路溫濕度傳感器，且最多可擴展8路高精度NTC溫度傳感器，達到9個溫度測量點。機房集控節能系統對機房內每臺精密空調機組所轄區域對應配置一組溫濕度傳感單元，用來采集該空調負責區域的溫度場分布情況，為控制策略提供數據依據[3]。

2.1.3 終端控制繼電器

終端控制繼電器將會在機房現場安裝于精密空調電氣箱內部。它的常閉觸點接入精密空調本身配備的遙控開機輸入端口，電源信號采取機房集控節能系統主控器的輸出信號。控制邏輯如下：當集控節能系統想讓某一臺精密空調開啟時，則把其配置的終端控制繼電器的電源信號斷開，繼電器的常閉觸電向精密空調微處理器發出啟動信號；集控節能系統向其配置的終端控制繼電器給出電源信號，將繼電器的常閉觸電斷開，精密空調微處理器接到該信號后將自動進入停機程序。在構建該節能系統前，必須檢查精密空調的溫濕度設置參數，必須保證設定值不能高于機房安全允許范圍。如果有可能，為了保證單臺精密空調被集控節能系統喚醒啟動后能夠立即輸出制冷量，建議在現場把精密空調的溫度設定值設置偏低些如20 ℃，以保證節能系統控制快速，同時確保改造方案的安全性。

2.2 送風增壓系統介紹

解決方案是在熱區氣流組織上增加機房送風熱點智能調節風箱，將發熱量較低區域的空氣通過送風增壓箱送到熱區內以抵消熱區內產生的溫度過高的現象，通過風箱內風機的調節保證回風區域及增壓區域內的溫度穩定在合適的范圍內。

2.2.1 風機選型

根據回風區域內的總風量，計算每個風口的風量（總風量/風口數量）。風箱的總風量應與回風區域內所管轄的空調風機的總風量相當。風機應選可連續可調的國際知名品牌EC風機。在選型過程中，需考慮滿足風量要求，同時其壓頭需能克服其管道阻力，且考慮其噪音影響。EC風機本身能夠很好地控制噪音。

2.2.2 風箱的匹配

送風增壓箱應滿足其選型的風機能克服新增送風管道的送分阻力。風箱與送風管之間用軟接連接，避免了風機震動帶動風管產生新的噪音。需考慮新的送風增壓箱與風管間有支持作用，并保證新增的風管固定牢靠。

2.2.3 控制器

控制器為可編程控制器PLC，考慮到現場的復雜性和負荷分布后可能因服務器調整而變化，使用PLC可編程控制器作為主控制器。一般單個機房中配一個總控制器箱，配有PLC CPU主模塊及7英寸液晶觸摸屏風箱上配備遠程I/0模塊與其通信，可從一個屏幕中看到所有風機箱采集的數據和輸出狀態，并預留遠程監控通信接口，通信協議缺省為Modbus RTU。

3 實際應用效果

通過空調群控技術在通信機房的應用，能將各自獨立運行的機房專用空調聯合成群進行管理控制，增加氣流循環，較好地解決機房區域冷熱不均環境溫度波動大、氣流短路、設備啟停頻繁以及值班空調空耗電等問題[4]，為機房節電節能和區域熱島問題解決提供了一種新方案，提升了空調效率，節約電能且節能減排。

通過機房空調群控系統建設達到以下目的：

（1）利用機房空調群控系統解決機房局部熱島問題，保障運行安全；

（2）解決局部風短路導致空調開機后回風溫度迅速波動，設備啟停頻繁問題；

（3）解決個體參數差異可能導致空調間內耗（有的加熱/濕，有的制冷/除濕）而白白消耗大量電能的問題；解決缺乏整體調度，負荷變化時不能及時調整值班機數量；解決過多的值班機空耗電能等問題，實現節約電能和節能減排。

3.1 經濟效益

在制定機房場地開展群控技術應用。

3.1.1 改造前

空調獨立運行無整體調度，回風溫濕度監測點遠離發熱區域；氣流組織不合理，冷熱通道層層疊加產生熱區，局部高溫告警。

3.1.2 改造中

新增空調群控系統，控制原有7臺精密空調；新增送風增壓系統，即2臺EC風機和2條送風管道。

3.1.3 改造后

3.1.3.1 節能節費

情況一：考慮新增1臺80 kW機房專用空調與機房精確送風改造對比，如表1所示。

情況二：機房空調群控技術應用后現場實測的節能數據，如表2所示。

以上電費均按0.88元/（kW·h）進行計算，效益如下：

（1）相比目前新增一臺80 kW機房專用空調成本為11萬元，機房精確送風改造成本可節省5.4萬元，且在改造后機房年節省電費11.3萬元，投資回報收益明顯；

（2）空調群控改造成本12.8萬元，年節約電費8.3萬元，投資回報期較短；

（3）原高溫區域監測點數量顯著下降，有效改善、解決局部區域發熱過大問題。

表1 改造數據對比表

表2 第一周期現場實測節能數據

3.2 管理效益

（1）可減少部分空調開啟時間，部分季節可關閉一定數量空調；

（2）解決機房局部過熱、熱島問題；

（3）設備基本免維護，改造后不增加維護工作量；

（4）解決設備單機架功率高產生的局部發熱、熱島等問題；

（5）提升設備運行環境、網絡環境和網絡質量；

（6）機房空調群控模式減少維護管理人力；自動控制空調開啟、關斷，自動調節風機風量大小，具備自動異常報警功能，有效提升維護和管理效率。

3.3 社會效益

通過機房空調群控技術的應用，有效降低了機房能耗指標PUE值、運行成本和費用，提升了空調效率，降低了排放，節約電能節能減排，良好履行了節能減排的社會責任；構建高效率低能耗機房，進一步提升了網絡服務質量，彰顯了品牌形象和企業形象。

4 結 論

隨著網絡演進5G移動網絡建設，機房功耗負荷日漸增大，開展機房設備節能減排降本增效勢在必行；機房空調群控精確送風技術可解決生產問題的同時節能效果明顯，帶來了可期的經濟效益。該技術方案通用性強，改造便捷，實現了以智能器件管控代替繁瑣的人工管理，為機房空調節能改造提供了經驗和新方案，對機房空調節能具有一定的指導和借鑒意義。