鐵路通信信息業(yè)節(jié)能減排潛力初探

劉葉青

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251）

《國民經濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》明確提出“‘建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會’，‘十一五’期間單位國內生產總值能耗降低20%左右，主要污染物排放總量減少10%”的發(fā)展目標。2009年12月的哥本哈根氣候大會上，中國作出了“到2020年中國單位GDP二氧化碳排放量比2005年降40%～45%”的承諾。國資委下發(fā)《中央企業(yè)節(jié)能減排監(jiān)督管理暫行辦法》，要求央企“十二五”萬元GDP綜合能耗下降20%，將節(jié)能減排納入央企負責人任期考核指標，并將中國電信從“一般企業(yè)”轉為“關注類企業(yè)”，加大監(jiān)管力度。工信部節(jié)能司正在組織編制“十二五”十大行業(yè)節(jié)能規(guī)劃，通信行業(yè)節(jié)能規(guī)劃是其中之一。

1 鐵路通信信息節(jié)能設計的現狀

2007年3月，重新修訂的《鐵路工程節(jié)能設計規(guī)范》（TB10016-2006）正式實施，其準則就是貫徹《中華人民共和國節(jié)約能源法》和國家有關方針政策，統(tǒng)一鐵路工程建設節(jié)能設計標準，在鐵路工程建設中合理配置和高效利用能源、資源。其中，鐵路通信信息在設備及線路的選型、供電方式、機房及設備布置等方面均遵循節(jié)能減排的要求制定了相關標準并在設計中執(zhí)行。

但從目前節(jié)能減排的形勢要求來看，還應對通信信息的節(jié)能減排要求進一步細化、量化能耗指標，研究實現節(jié)能減排的各種措施及實用新技術。

2 節(jié)能減排技術的選擇原則

節(jié)能減排必須注意以下幾點。

2.1 安全性

節(jié)能減排應以確保通信生產安全和設備使用壽命為前提。不能以犧牲通信信息網絡的安全作為代價，更不能影響通信信息生產安全。要關注和評估各種節(jié)能減排技術可能帶來的負面影響，并努力使之降到最低。

2.2 有效性

節(jié)能減排只能是把一些原來富余的能量節(jié)約下來，而不能把正常生產該消耗的能量也節(jié)省掉。

2.3 經濟性

節(jié)能減排實際上有兩種效果：一種是節(jié)約資源，另一種是節(jié)約金錢。從某種角度來說，節(jié)約是節(jié)約資源，但不一定可以節(jié)約金錢，不能混為一談。

在開展節(jié)能減排工作時，所投入的成本有時會比節(jié)約的資金更多，所以單從節(jié)約資源的角度來說，節(jié)能是非常有意義的，但從經濟的角度來說，不一定可以達到節(jié)省的效果。應在對節(jié)能項目是否做到既節(jié)約能源又降低運營成本進行跟蹤測試，進行經濟效益分析并做出綜合評估之后，才最終確定節(jié)能效果。

綜上所述，節(jié)能減排技術選擇時應事先對技術的可靠性、節(jié)能效果及投資回報進行充分評估。

3 通信信息節(jié)能減排的重點領域

根據通信網絡結構的特點和能源消耗的構成，通信信息的能源耗能主要是耗電。電能的消耗主要包括日常運作用電和通信網絡用電兩部分，而通信網絡的節(jié)能主要在通信信息機房（數據中心）。通信信息機房的用電主要在3個方面。

3.1 通信設備用電

據電信部門的調查統(tǒng)計，通信設備用電大概占了總用電量的40%～50%。因此，網絡規(guī)劃設計時應充分考慮系統(tǒng)設備在節(jié)能降耗方面的需求。目前通信網絡在用設備新舊交錯，從耗電來看也是參差不齊，通過通信網絡的規(guī)劃設計，采用更新改造的方法選擇有高效節(jié)能技術的產品，更換效率低下的在網設備，合理調整用電負荷，能夠非常有效地達到節(jié)能的效果。但受網絡發(fā)展和建設等諸多因素的制約，通過設備改造來達到節(jié)能減排的目標需要綜合考慮。

3.2 電源系統(tǒng)用電

包括通信電源系統(tǒng)設備本身進行電能轉換過程的損耗，接近總用電量的10%。

節(jié)能降耗有兩種方法和思路。一種是“挖潛節(jié)流”,即通過一定的技術手段，提高效率，減少能耗，將原來所耗費資源的富裕量節(jié)省下來，例如采用通信電源休眠節(jié)能技術，提高通信電源的轉換效率等；另一種是“開源拓流”，就是引入新的可利用能源。例如采用風力及光伏供電系統(tǒng)等。

3.3 機房環(huán)境用電

包括機房照明、空調制冷和制熱。其中照明及其他用電占總用電量的10%左右，空調用電超過了總用電量的40%以上。

空調系統(tǒng)是通信機房的主要耗能設備，應重點考慮機房空調設備的節(jié)能技術，因地制宜地合理提出空調設備類型選擇的要求，從而處理好機房環(huán)境保障和節(jié)能的關系。

4 通信信息機房的能耗分析

由于單臺通信設備、電源設備及單臺照明設備的用電一般在投入運行后基本不變,因此只有在設備采購選型時考慮選擇節(jié)能型設備，從源頭上最大限度地節(jié)約用電。而空調系統(tǒng)能耗與設備選型、環(huán)境溫度、氣流組織、送風方式等有很大的關系，成為節(jié)能的首要對象。以下對各類設備的用電進行分析。

4.1 通信信息設備的能耗

據某知名電源廠商公布的數據，芯片級每降低1 W的功耗，由此而帶來的電源轉換、配電系統(tǒng)、UPS、制冷系統(tǒng)和變壓器等一系列的功耗降低，將會達到2.68～2.84 W。這種芯片級的節(jié)能降耗，將是實現綠色節(jié)能的首要措施。

據國外某研究機構對數據中心的能耗分析，數據中心每100 W的能量消耗，最終只有1.4 W用于運算過程，所以芯片級的節(jié)能是節(jié)能降耗必須關注的重點。

由于通信信息設備全年8 760 h不停運轉，所以交換、傳輸、數據、服務器等設備的耗電量指標、通信電源設備的轉換效率指標均應納入設備選型入圍的重要參考因素，從設備采購源頭上把好節(jié)能關，可以節(jié)約大量寶貴的電能。通信設備能耗檢測如表1、2所示。

表1 通信設備能耗檢測表

表2 刀片服務器設備能耗檢測表

從表1、2可以看出，同類型的設備耗電量可相差好幾倍。所以說，采購時選用功耗小的通信設備，是節(jié)能降耗的首選方式。

4.2 通信電源系統(tǒng)轉換效率

高頻開關電源系統(tǒng)供電轉換效率：不同整流模塊的48 V直流供電系統(tǒng)分別在不同的負載率下轉換效率相差最大的接近10%。因此選用供電轉換效率高的通信電源系統(tǒng)也是一種有效的能源解決方案。如表3所示。

表3 高頻開關電源系統(tǒng)供電轉換效率

4.3 空調的能耗

1）中央空調制冷主機性能（制冷）系數：制冷量與耗電量的比值如表4所示。

表4 中央空調制冷主機性能（制冷）系數

2）單元式空調機組、恒溫恒濕空調的能效比（EER）如表5所示。

表5 單元式空調機組、恒溫恒濕空調的能效比

4.4 機房氣流組織與能耗的關系

通信信息機房內空調氣流組織是否合理，不僅直接影響空調冷卻效果，而且也影響空調系統(tǒng)的能耗量。機房內空調的送回風方式不但關系到機柜的冷卻效果，而且也關系到空調系統(tǒng)的經濟運行。常用氣流組織形式有下送風氣流組織及上送風氣流組織兩種。

1）下送風氣流組織

下送風機房活動地板的空調送風口一般布置在機柜近側或機柜底部。冷卻空氣從設在機柜近側或機柜底部的活動地板風口送出，送出的低溫空氣只在瞬間與機房內的熱空氣混合，即刻從機柜的進風口進入機柜，有效地提高了送入機柜冷卻空氣的質量，用較少的風量，提高了機柜的冷卻效果。

2）上送風氣流組織

上送風有很多種回風方式，氣流組織是通常采用的全室空調送回風的基本方式。上送風還可分為機房頂送或緊靠機房頂下的上部側送兩種形式。

上送風方式是先調節(jié)機房環(huán)境，進而調節(jié)柜子內通信設備的溫度，由于氣流組織比較復雜，容易導致較多冷氣從機柜以上空間、列間過道及機柜的空置區(qū)短路流失，導致能量損失，效率降低。

3）上送風氣流組織與下送風氣流組織的比較

對大型IDC機房的能耗，下送風專用空調、上送風專用空調以及上送風專用空調和普通空調間隔安裝這3種機房的能耗參數進行對比如表6（同室外環(huán)境溫度35～38℃的狀態(tài)下）所示。

表6 幾種機房的能耗對比

可以看出，不同的氣流組織對空調能耗的影響是很大的。設計合理的下送風系統(tǒng)空調與通信設備用電能耗的比值為1∶2，而上送風系統(tǒng)由于難以消除機房熱島現象，導致空調配置很大，上送風系統(tǒng)空調與通信設備用電能耗的比值不到1∶0.9。能源浪費嚴重。

5 通信信息機房節(jié)能減排的措施

通信信息機房在規(guī)劃設計階段，應參照節(jié)能規(guī)范，在機房選址、建筑、機房布局、空調與通風系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、設備選型等多方面體現節(jié)能減排。規(guī)劃設計文件應以國家和企業(yè)規(guī)范為依據，提出具體的節(jié)能方案。

5.1 設備選型

交換、傳輸、數據、服務器等設備的耗電量指標、通信電源設備的轉換效率、功率因數等指標均應納入設備選型入圍的重要參考因素，從設備采購源頭上把好節(jié)能關，在設備招投標的技術規(guī)格書中應明確提出對設備的能耗及效率要求，并重點關注芯片級的能耗指標及電源設備的轉換效率、功率因數等指標。

5.2 網絡規(guī)劃設計

在進行網絡規(guī)劃設計時，應充分考慮通信信息網絡系統(tǒng)設備在節(jié)能降耗方面的需求。通過網絡規(guī)劃和設計，優(yōu)化資源配置和網絡架構，選擇高效節(jié)能的高集成度設備更換性能低、能耗大的在網設備；合理預測和調整用電負荷，采用高頻開關電源的休眠功能，避免不必要的電能損耗；優(yōu)化機房設備布局，各種配線徑路應簡捷；劃分冷熱通道、合理優(yōu)化氣流組織方式，為避免前排機柜排風被后排機柜吸入，機柜宜采用面對面、背對背的布置方式；分散擺放耐熱性差、散熱量高的設備，降低對機房環(huán)境的壓力，減少機房空調的使用，有效達到節(jié)能的效果。

5.3 設備管理

對機房設備進行清理，停用的設備、系統(tǒng)必須及時下電處理；合理設定機房空調溫度參數，在滿足規(guī)程及設備要求前提下，空調溫度設定在較高值；多臺空調須輪流切換使用，機房溫度高時不同時開啟，機房溫度低時不同時關閉；淘汰發(fā)熱量大、效率低的電源設備；在安全條件允許的前提下，按最節(jié)能方式合理調整電源設備工作負荷率；IDC機房建設應選擇制冷效果好的下送風方式；對上送風IDC機房的氣流組織也應進行合理調整。

5.4 電源系統(tǒng)配置

機房電源設備應根據設備耗電負荷精確、合理配置，同時較準確地預測負荷增長，既確保其擴容空間和容量可保證中、遠期發(fā)展，又可避免設備利用率和轉換效率過低，引起不必要的電能損耗。

5.5 空調系統(tǒng)的選擇

空調系統(tǒng)作為通信機房主要能耗系統(tǒng)之一，是節(jié)能重點?？照{系統(tǒng)的能耗與設備選型、環(huán)境溫度、氣流組織、送風方式等有很大的關系。

機房溫濕度設定應根據通信信息主設備要求和機房重要性具體設置，同時根據季節(jié)不同調節(jié)溫度設定值，機房溫度滿足18～28℃，相對濕度滿足30%～75%。實現空調分區(qū)分季精確供冷，減少空調冷量浪費。

因此在設計中，通信信息專業(yè)應就空調系統(tǒng)向暖通專業(yè)提出明確的要求。

1）根據機房建設規(guī)模，選用合適類型高效、節(jié)能的機房專用空調。

2）合理進行機房布局，提高制冷效率。

3）組織合理的散熱循環(huán)、優(yōu)先考慮下送風（地板下送風）、上送精確送風和通道隔熱簾等氣流組織方式，實現“先冷設備，再冷環(huán)境”的目的。

4）根據當地條件，充分利用自然冷源。

5.6 機房要求、機房環(huán)境管理及照明

1）機房要求

通信信息機房除應滿足《鐵路運輸通信設計規(guī)范》（TB10006-2005）、《鐵路生產設備房屋設計暫行規(guī)定》（鐵建設（2010）63號）的相關規(guī)定，還應滿足國家和鐵道部節(jié)能減排的要求。

通信信息機房總平面的布置和設計，宜充分利用冬季日照和夏季自然通風，并避開冬季主導風向和夏季最大日照朝向。

通信信息機房的門、窗、墻體、屋面（屋頂）、地面（樓板）等設計均應符合節(jié)能減排的要求。

2） 機房環(huán)境管理

通信信息機房的門、窗、孔洞在條件允許時應使用封堵密閉，減少室內冷氣外漏或室外熱量入內，減少冷氣泄漏。不具備條件的可增加防火窗簾，減少外界熱輻射；對面積較大的機房增加隔斷,對機房天面增加隔熱層；嚴格機房管理，要求進出機房必須隨手關門。

3）機房照明

通信信息主機房及輔助生產房屋均應采用綠色照明，即節(jié)能燈具，實現節(jié)能減排。

6 通信信息節(jié)能減排的實用技術

6.1 “挖潛節(jié)流”式節(jié)能技術

1）空調系統(tǒng)的節(jié)能技術

①機房精密空調室外機霧化噴淋和冷凝水回收節(jié)能技術

該技術是在空調室外機背面位置安裝滴水霧化裝置，降低冷凝器進風側空氣的溫度，增加冷卻側的散熱效率，提高空調的經濟性能。

②乙二醇熱交換技術

該技術利用自然冷源降溫實現節(jié)能。乙二醇節(jié)能系統(tǒng)與空調系統(tǒng)聯動，當室外溫度高時，空調制冷，而當室外溫度低到一定溫度值（如15℃以下）時,乙二醇節(jié)能系統(tǒng)工作并關閉空調壓縮機，將室外的自然冷源的冷量帶到室內實現制冷，從而達到節(jié)能目的。

③基站用室內一體化節(jié)能型空調節(jié)能技術

該技術是當外界溫度下降到能夠滿足室內熱負荷要求時，通過微處理控制器使壓縮機停止工作，并自動開啟電動排氣閘，引入外部冷空氣進行室內環(huán)境溫度的控制，以達到設計要求。此時，蒸發(fā)器風扇工作，壓縮機及冷凝器風扇處于停止工作狀態(tài)。因此，大大節(jié)省了能源。

該技術目前主要在中國移動有應用，節(jié)能率可以達到40%。

④新風直接引入節(jié)能技術

該技術是利用機房室外的自然環(huán)境為冷源，當機房的室外空氣溫度比機房室內溫度低一定程度時（如冬季、春季或秋季晚間），通過新風節(jié)能裝置引進符合機房空氣質量要求的室外自然新風到通信機房內與機房內熱空氣直接進行熱量交換，可以降低機房內環(huán)境溫度以滿足機房環(huán)境標準要求，進而達到了節(jié)省空調制冷量、節(jié)約用電的目的。

⑤變頻節(jié)能技術

中央空調耗電量大，設計富裕度也大。通過變頻器來改變壓縮機供電頻率，調節(jié)壓縮機轉速，依靠壓縮機轉速的快慢達到控制室溫的目的，避免了壓縮機頻繁的開停對設備造成的損傷，壓縮機降速運行和軟啟動，減少了對電網的沖擊，耗電量大大下降，從而實現了高效節(jié)能。

2）電源系統(tǒng)的節(jié)能技術

貓科動物喜歡逗貓棒，不是因為“賣萌”，而是因為捕獵的天性，它們對快速移動的物體有極大的興趣。對于所有貓科動物來說，尾巴除了可以探測距離，保持身體平衡之外，還是天生的逗貓棒，可以訓練幼崽的捕獵能力。

①治理諧波和改善功率因素

電網中非線性負荷產生非正弦諧波電流流過導體時，由于集膚效應的作用，線路有效電阻增加，導體會發(fā)熱嚴重，變壓器附加損耗增加，電能損耗加?。恢C波還會導致浪涌沖擊，在中性線上產生過電流，導致三相電壓不平衡，使得功率因數下降。諧波治理可以局部重組電網結構，從而降低線路和變壓器的無功電能傳輸損耗，提高功率因素。

②開關電源休眠節(jié)能技術

由于現有的開關電源在一定工作模式下空載損耗是固定不變的。負載增加,帶載損耗增加,模塊效率也隨之升高。通過控制模塊工作模式，讓部分電源模塊進入休眠狀態(tài)，減小空載損耗并提高模塊效率，達到節(jié)能的目的。休眠的模塊會在需要供電時迅速恢復，可以確保通信安全。

該技術目前在電信及移動均有應用，節(jié)能率可以達到6%～15%。

通信保障用油機要定期檢查調整氣門間隙、噴油壓力、供油時間等技術指標，保證油機在最佳工況下運行。一般要求使用沉淀凈化后的油料，嚴禁使用劣質再生油，防止雜質堵塞柱塞和噴油嘴，造成供油時間不準、供油不均勻、霧化不良，導致油耗增加，油機功率下降甚至不能啟動。油機超負荷運行，機器會冒黑煙增大油耗，縮短零部件的使用壽命；長時間處于低于30%的輕負荷狀況下運行，油機轉速較高也不節(jié)油，而且機件非常容易損壞。

6.2 “開源拓流”式節(jié)能技術

1）太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)具有安全可靠、耐用、維護費用低、無需燃料費用、無噪聲干擾、安裝積木化、可自主供電、非集中電網和高海拔性能等一系列優(yōu)勢。

太陽能光伏發(fā)電的一大優(yōu)點就是光電陣列的積木化，可以根據需要組合成小至幾瓦、幾十瓦的小系統(tǒng)，大到幾百千瓦甚至兆瓦級的電站。由于光伏發(fā)電受氣候影響大，要保證通信系統(tǒng)的電源供應，太陽能組件就必須和蓄電池、控制器、逆變器等組成光伏發(fā)電系統(tǒng)。

2）風力發(fā)電技術

通信用風力發(fā)電系統(tǒng)主要指20 kW以下的、獨立在通信領域應用，用蓄電池儲能的小型風力發(fā)電機組。

7 小結

隨著鐵路通信信息網絡的發(fā)展，用電能耗增加很快，因此從源頭上選用節(jié)能型通信設備是節(jié)能的最好辦法，而管理節(jié)能也是節(jié)能降耗的低成本方式，技術節(jié)能則是在管理節(jié)能的基礎上進一步降低能源消耗，通過加強管理與采用節(jié)能技術的有機結合，有效地實現節(jié)能減排的目標。

[1] 中國電信集團節(jié)能減排指導意見（2010版）.