大型空管工作區能耗分析及優化管理策略

梅 龍

（中國民用航空中南地區空中交通管理局，廣東 廣州 510405）

0 引 言

近年來，隨著我國經濟的高速增長，航班數量日益增加，空中交通管制服務的業務量越來越大，空管行業的信息化建設也在不斷加強，服務器、交換機、儲存設備以及空管設備均保持快速增長，數據機房和辦公場所的能源消耗日益增加，高能耗問題尤為突出。隨著國家電力市場化改革，未來單位電價將處于上升趨勢，空管行業的能源支出成本將持續增加，粗放式的能耗管理已經不能滿足空管行業高質量發展的要求，如何降低空管行業能耗成為亟需解決的問題。

以某地航管樓A為例來研究分析大型空管工作區的能耗情況，其中空管設備、服務器以及計算機等設備的能耗約占總能耗的30%，機房暖通制冷系統的能耗約占總能耗的45%，供配電系統和其他物業用電的能耗約占總能耗的25%。隨著后期擴建項目的投產，該航管樓區域的設計負荷功率裝機量達到8 450 kVA。在航管樓滿載用電的情況下，每年電費支出超過4 000萬元，運行成本大幅增加。基于此，針對IT設備、機房暖通制冷系統、供電系統以及其他物業用電的能耗情況進行分析，采取可行的節能減排措施，提高空管行業的綠色發展水平[1-3]。

1 大型空管工作區能耗分析

近年來，空管行業的耗電量快速增加，A航管樓2017—2022年的負載數據如表1所示。

表1 A航管樓2017—2022年負載功率

2022年，A航管樓的總負載功率已從2017年的440 kW增長至726 kW，其中空管設備負載從136 kW增長至221 kW，其他負載從90 kW增長至181 kW。

大型空管工作區的能耗主要由空管設備能耗、空調制冷能耗、供配電系統能耗、其他用電能耗等組成，其中空管設備包括一次/二次雷達、甚高頻服務器、數據存儲器、防火墻設備以及IT設備等，空調制冷設備包括機房精密空調、中央空調、分體空調等，供配電系統包括高低壓配電柜、變壓器、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）以及柴發機組等，其他生活用電設備包括照明、電梯以及生活水泵等。

大型空管工作區能耗組成中，空管設備能耗占比30%，空調制冷設備能耗占比45%，供配電系統能耗占比12%，其他能耗占比13%。標準數據中心能耗組成中，IT設備能耗占比50%，空調制冷設備能耗占比30%，供配電系統能耗占比10%，其他能耗占比10%。通過對比，空管工作區的空管設備能耗遠低于標準數據中心的IT設備能耗，具有較大的節能降耗空間。

2 大型空管工作區能耗管理策略

2.1 提高空調利用效率

空調制冷設備能耗是空管工作區能耗最大的部分，對此可以提高空調的利用效率來減少空調能耗。目前，提高空調利用效率的方法有調整機房布局、提高制冷溫度等。

機房內空調和設備布局不合理，對氣流和溫度場影響較大。空調出風口未均勻分布于機房，存在某些能耗高、發熱量高的設備處于熱氣流通道的現象，導致機房內出現熱島效應。為了解決部分設備附近溫度較高的問題，可以調整機房內設備和空調出風口的位置，將發熱量高的設備布置在靠近出風口的位置或延長空調出風管道至發熱量高的設備處，從而提高機房空調利用效率[4-6]。

為了保證設備的安全有效運行，需要嚴格控制機房的溫度。根據統計數據，機房溫度處于15～20 ℃時，服務器故障率為0.865%；機房溫度處于20～25 ℃時，服務器故障率為1.130%；機房溫度處于25～30 ℃時，服務器故障率為1.335%；機房溫度處于30～35 ℃時，服務器故障率為1.482%。查詢《數據中心設計規范》（GB 50174—2017），其中要求冷通道或機柜進風區域的溫度為18～27 ℃。根據設備主備配置情況有效降低設備故障率，在不影響空管運行保障的前提下，適當提高機房環境溫度，降低機房的總能耗。

2.2 智能化改造

在綠色、節能的背景下，應降低空管工作區的其他用電量，可以利用建筑物智能化改造的方式提高自然通風、暖通制冷、照明系統的能源利用率，降低大型空管工作區的能耗[7]。

2.2.1 照明系統智能化改造

隨著科技的發展，照明用電能耗已呈逐年降低趨勢，可以充分利用建筑智能設計理念對照明系統進行智能化控制，以降低能耗。例如，在辦公場所安裝聲控燈、感應燈等，在沒有人員走動的情況下實現照明系統的自動關閉[8]。除此之外，還可以安裝有效的控制元件，對照明的等級進行智能化調節，實現高效節能。

2.2.2 使用自然冷卻技術

自然冷卻技術使用自然界的冷源為設備機房提供冷量，以達到節約能源的目的。對工作區的機房進行新風系統自動化改造，當冬天室外溫度低時，新風系統自動控制開啟，機房空調自動關閉。新風系統從室外引進經過過濾的低溫冷空氣供應到設備機房進行冷卻，而排風口將熱通道的空氣排除，通過冷空氣的不斷進入和熱空氣的不斷排出使機房溫度控制在合適的范圍，從而達到降低機房空調使用頻率、減少空調能耗的目的[9]。

2.2.3 空調系統改造

對辦公區域的空調進行自動化改造，安裝紅外感應裝置來控制辦公場所空調的關閉。當紅外探頭長時間未檢測到活動跡象時，自動關閉空調。在辦公場所人員長時間離開的情況下，可有效防止未關閉空調而造成能源浪費的情況。

2.2.4 采用變頻設備

由于部分空管業務的數據量存在短時突變的特點，服務器、交換機等設備的散熱量會隨著數據處理量而變化，因此機房的溫度也是動態的。將制冷系統能耗最大的冷水機組替換為變頻設備，采用變頻原理的冷水機組可以根據機房溫度的變化自動調節運行頻率，提升冷水機組能效，從而有效降低能耗[10]。

2.3 降低供配電系統的損耗

2.3.1 采用高能效等級的變壓器

電力變壓器的能效標準分為3級，其中1級變壓器的能效最高、節能效果最好。查詢相關數據，以額定容量1 000 kVA的10 kV干式變壓器為例，1級能效標準的電力變壓器能源損耗約為7 kW，2級能效標準的電力變壓器能源損耗約為8 kW，3級能效標準的電力變壓器能源損耗約為10 kW。基于此，采用高能效等級的電力變壓器可以有效降低能源損耗。

2.3.2 工藝供電系統的優化

為了保障空管業務的連續性、安全性，大型工作區的空管設備供電均采用UPS雙總線整流-逆變供電方案。雙總線UPS系統包含4臺UPS，每臺UPS均能獨立帶載所有負荷。主備冗余的雙總線UPS供電系統的實際效率為80%～90%，配電系統能量利用率較低。新型數據中心開始嘗試采用1路市電+1路UPS或1路市電+1路直流高壓的雙總線供電模式，1路市電+1路UPS的供電系統如圖1所示。

圖1 1路市電+1路UPS供電系統

在市電正常的情況下，負載優先使用市電供電。在市電異常時，負載通過靜態切換開關（Static Transfer Switch，STS）不間斷切換至UPS或直流高壓供電。在市電穩定的情況下，該供電方案的安全性、可靠性與雙總線UPS模式不相上下，但能源利用效率優于雙總線UPS供電模式，將成為未來綠色發展的重要應用形式。

3 結 論

隨著我國空管行業的快速發展，通過提高制冷空調利用率、智能化改造以及降低供電系統能耗等方式，能夠高效實現節能減排，符合國家綠色、環保、可持續發展的戰略要求，對推進空管行業的高質量發展具有重要意義和價值。