邊緣中心微機房低碳研究與應用

周 平，程 雷，陳 曉

（1.中國移動江蘇公司蘇州分公司，江蘇 蘇州 215028； 中國移動江蘇公司，江蘇 蘇州 210000）

0 引 言

從資源角度來看，節點機房屬于高耗電產業，重點和難點在于電能使用效率值的提升。選用模塊化邊緣微網格中心機房作為一體化節點機房，是可取之計。

據《中國數據中心能耗現狀白皮書》顯示，我國中小型中心機房總量超過40萬個，年耗電量超過全國用電量的1.5%，其中制冷系統能耗占整個中心機房能耗的40%。機房能源低效問題不容忽視，綠色機房成為發展必然。如何有效降低中心機房PUE；在保證可靠性的前提下，實現最大化的節能；根據實際需求，實現技術創新，提升制冷能效成為行業內研究的熱點[1]。

面向5G萬物互聯時代，數據流量急劇增長，節點機房必將進一步向高密化發展，并且呈快速增長趨勢，再也等不起長年累月的建設周期。此外，海量數據處理產生的熱量急劇增加，為保障設備穩定運行，制冷系統能耗也將持續走高。因此，必須要引入新的技術來提高效率。綠色節能成為行業訴求。而面對通信設備功耗與站點梳理的同時快速增長，“碳達峰”“碳中和”在多個中央重要會議中也頻頻出現，如何在實現快速開站、解決高功率設備帶來的散熱問題的同時還要減少能源消耗成為重中之重。基于以上問題，本研究提出了5G邊緣微機房低碳節能動環設施的解決方案[2]。

1 微網格一體化機房全新風自然冷卻系統技術方案

根據《省政府辦公廳關于加快推進第五代移動通信網絡建設發展若干政策措施的通知》（蘇政辦發〔2019〕49號）中有關“5G基站占地不超過5 m2的按公共設施處理”，本研究采用占地不超過5 m2的微網格一體化中心機房，采用全新風冷系統聚焦綠色節能技術，直接新風+蒸發制冷模式，直接將室外溫度適宜的冷空氣引入室內，使得室外冷風與室內熱風進行換熱從而帶走機房的熱量，降低其溫度[3]。

同時尋求與軌交和供電的合作，利用公共空間建設一體化機房，這樣針對傳統節點機房選址困難建設周期冗長的問題就迎刃而解了，公共區域的多方同時管理，更加保證了一體化機房的安全運行。

微網格一體化中心機房，采用工廠預制化出貨，現場只需簡單組裝，建設周期短。全模塊化設計，可根據實際需求增減模塊，可擴展性強。單機柜可實現5 kW～35 kW。相比傳統產品的電能利用率可提高40%以上。全PLC控制冷卻系統，內置近百個各類傳感器，可輕松實現無人與遠程控制[4]。

微網格一體化機房全新風自然冷卻系統具體方案如下文所述。

（1）直接新風冷卻系統：直接將室外溫度適宜的冷空氣引入室內，使得室外冷風與室內熱風進行換熱，從而帶走數據中心的熱量，降低其溫度。冷熱氣流雙遏制，出色的制冷效率可使全年平均PUE降至1.1以下，改善空氣質量、系統能耗降低，獲得節能效果。

（2）蒸發冷卻系統：加濕降溫的空氣處理過程，良好的吸水性能、通風及過濾功能。當新風無法滿足制冷需求時，自動根據需求開啟適當層級的濕膜加濕器，在保證設備運行濕度的前提下，通過相變帶走多余熱量。

新風自然冷卻系統各環節的關鍵技術如下文所述。

（1）過濾器：G2級別的初效過濾器，可以濾除空氣中的粉塵等雜質； F8級別的中效過濾器，則可以有效過濾空氣中的化學污染物，有效保護IT設備，免受硫化物和氮氧化物的侵蝕。過濾器前后的壓差傳感器，則可以對過濾器的更換做出預警。G2級別的初效過濾器、F8級別的中效過濾器雙重保障。

（2）蒸發冷卻系統：當純新風無法滿足制冷需求時，自動跟據需要開啟適當層級的濕膜加濕器，在保證設備運行濕度的前提下，通過相變帶走多余熱量。

（3）進風閥：PLC控制的高可靠性電動閥門，在外界空氣溫度、濕度及空氣質量符合進風要求時，開啟進風閥，直接引入外部自然冷源給模塊降溫。

（4）風機：每小時最高可產生10 000 m3的風量，用最小的能耗，把滿負荷運行時產生的50 kW熱量迅速持續的帶出模塊。

（5）混風閥：當外界空氣濕度升高超過限定時，則可打開混風閥，將排出的熱空氣與外界空氣混合，以降低濕度。

（6）配電系統：配電系統模塊支持2N配電，通過兩端的配電柜，將關鍵電力輸出到母線，繼而分配到各個機柜。而機柜后部配置兩個智能PDU，可實現對用電的精細化管理。

（7）排風閥：需要時可以完全關閉排風閥，隔絕模塊內外的空氣。

本研究提出的邊緣中心微機房全新風自然冷卻系統方案基于直接新風冷卻和蒸發冷卻來降低機房能耗，同時采用預制化、模塊化的設計，解決傳統節點機房選址難，周期長的問題，同時由于占地不超過5 m2，建設按公共設施處理，省去了繁瑣的審批流程。

如圖1所示，蘇州西洛巷一體化機房，全新風自然冷卻模塊利用直接新風+蒸發冷卻技術，PUE測試結果低至1.1左右。對于1 kW的有效IT負載，總耗電量可以從1.6 kW降至1.1kW，非IT耗電從0.6 kW降至0.1 kW，大幅降低了電能消耗。機房內溫度如表1所示。

圖1 邊緣中心微機房示意圖

表1 機房內溫度記錄圖

2 主要技術特點

（1）利用政策建設微網格一體化機房。根據《省政府辦公廳關于加快推進第五代移動通信網絡建設發展若干政策措施的通知》（蘇政辦發〔2019〕49號）中有關“5G基站占地不超過5 m2的按公共設施處理”，減少了復雜冗長的建設審批流程，大大縮減了建設周期，能夠滿足用戶快速上線的需求。

（2）提出基于直接新風冷卻和蒸發冷卻的全新風冷策略。利用直接新風冷卻系統，直接將室外溫度適宜的冷空氣引入室內，使得室外冷風與室內熱風進行換熱，從而帶走機房內的熱量，降低其溫度。當新風無法滿足制冷需求時，采用蒸發冷卻系統，通過PLC控制自動根據需求開啟適當層級的濕膜加濕器，在保證設備運行濕度的前提下，通過相變帶走多余熱量[5]。

（3）采用預制化、模塊化和一體化的設計。模塊化數據中心，免去了復雜的選址要求，室內室外均可搭建，可實現快速部署。工廠預制化出貨，現場只需簡單組裝，縮短了建設周期，節約時間成本，提高工作效率。全模塊化設計，可根據實際需求增減模塊，可擴展性強。

（4）優化用戶使用需求。針對用戶需求，一體化機房的數據中心采用吊裝式安裝，靈活方便，更加貼近用戶，真正做到隨裝隨用，滿足用戶快速啟用的要求，同時使用完整的42U 19英寸IT機柜，釋放更多算力，滿足更多的用戶使用需求。

3 應用效果

微網格一體化中心機房以單機架6 kW計算，對比PUE為1.6的傳統機房，單機架一年可節省電費2萬元，機房內共6個機架位置，折算后單站點一年可節約電費12萬元。預計開展200個站點，可節約電費2 400萬元。一體化微機房目前已在共耀華庭、海德公園等32個站點應用。下半年擬進一步推廣使用。

一體化機房按單機房6 kW測算，相比傳統機房電費每年節約3.784 32萬元，節省房屋租金3.5萬元，以100個一體化機房計算，每年可節約成本728萬元。本研究針對5G邊緣微機房創新模式的研究，提出了基于全新風自然冷卻系統的一體化機房和背板綜合考慮，基本無地域限制，方案成熟，適合廣泛推廣。