節(jié)能減排新技術(shù)在通信機(jī)房中的應(yīng)用

張榮俊

（山東省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，山東 聊城 252000）

1 通信機(jī)房能耗現(xiàn)狀及節(jié)能減排重要性

近幾年，我國通信事業(yè)發(fā)展迅猛，信息技術(shù)水平不斷提高，為通信技術(shù)的改革和創(chuàng)新注入了源源不斷的動(dòng)力。通信運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)持續(xù)擴(kuò)展中，通信機(jī)房耗電量處于遞增趨勢，在運(yùn)營成本中占比較大。分析電信運(yùn)營商成本的構(gòu)成，發(fā)現(xiàn)電費(fèi)開支占比較大。我國通信網(wǎng)絡(luò)中每年僅基站設(shè)備的耗電量就高達(dá)3.56×1010kW·h，整個(gè)行業(yè)耗電量超5.00×1010kW·h?？梢?，通信行業(yè)不僅是一個(gè)高科技行業(yè)，也是一個(gè)高耗能行業(yè)。

節(jié)能減排是國家和企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求，以環(huán)境為代價(jià)的發(fā)展是不可持續(xù)的。為了人類的可持續(xù)發(fā)展，必須進(jìn)行節(jié)能減排工作，而低能耗和綠色高效為企業(yè)的核心競爭力。因此，以供電方式、動(dòng)環(huán)監(jiān)控以及通風(fēng)隔熱為重點(diǎn)，討論各種節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，并分析應(yīng)用場景和節(jié)能效果。

2 供電方式節(jié)能技術(shù)

通信電源系統(tǒng)主要包括新能源電源系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、自備發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)、換流系統(tǒng)、蓄能系統(tǒng)、動(dòng)力環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)以及防雷與接地系統(tǒng)7大部分[1]，如圖1所示。

圖1 電源系統(tǒng)示意圖

2.1 高壓直流供電促進(jìn)節(jié)能

直流供電系統(tǒng)是向通信局（站）提供直流（基礎(chǔ)）電源的供電系統(tǒng)。其中，-48 V為直流基礎(chǔ)電源。除-48 V基礎(chǔ)電源外，國內(nèi)還存在240 V和336 V兩種高壓直流路線。中國電信選擇240 V高壓直流，中國移動(dòng)選擇336 V高壓直流。由于中國電信的積極推動(dòng)，BAT開始規(guī)模應(yīng)用240 V高壓直流。

2.1.1 240 V高壓直流

240 V高壓直流兼容現(xiàn)有的絕大部分交流設(shè)備，適合改造存量設(shè)備，但廠商不承諾質(zhì)保。它主要由中國電信推動(dòng)，目前中國電信全網(wǎng)已部署超過1 000套。

2.1.2 336 V高壓直流

336 V高壓直流的電壓更高，傳輸距離更遠(yuǎn)，且可降低線纜規(guī)格，但存量主設(shè)備不兼容，適合新建系統(tǒng)使用，主要由中國移動(dòng)推動(dòng)。336 V高壓直流2009年在深圳試驗(yàn)，2012年在哈爾濱倉儲(chǔ)式數(shù)據(jù)中心試點(diǎn)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已與ETSI、ITU等國際標(biāo)準(zhǔn)一致。

2.1.3 高壓直流的優(yōu)勢

高壓直流的系統(tǒng)簡單，故障點(diǎn)少，可實(shí)現(xiàn)熱插拔，維護(hù)難度小，可靠性高，設(shè)備便宜，可節(jié)約初期投資，長期運(yùn)行成本低，冗余設(shè)計(jì)容量小。相較UPS的2N和3N系統(tǒng)，高壓直流冗余設(shè)計(jì)容量為N+1，系統(tǒng)運(yùn)行效率可達(dá)97%以上，諧波含量可小于3%。數(shù)據(jù)中心用電源系統(tǒng)對比如表1所示。

2.2 采用高效直流電源促進(jìn)節(jié)能

相比普通效率電源，高效直流電源發(fā)熱量降低50%以上，電解電容、開關(guān)器件、主變壓器以及整流橋等內(nèi)部關(guān)鍵器件的溫度可降低5～15 ℃，提高了使用壽命。高效直流電源模塊的耐受溫度更高，最高耐受溫度可達(dá)到65 ℃，工作溫度范圍更廣，可讓電源設(shè)備在缺乏環(huán)境調(diào)節(jié)的戶外站點(diǎn)正常工作。高效直流電源能效可提高4%～6%，低負(fù)載率時(shí)效果更顯著。

表1 數(shù)據(jù)中心用電源系統(tǒng)對比表（含配電設(shè)備）

2.3 采用燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)促進(jìn)節(jié)能

三聯(lián)供系統(tǒng)適合用電量和用冷量較穩(wěn)定的用戶。通信機(jī)房全年發(fā)熱量、耗電量以及用電負(fù)荷基本穩(wěn)定，因此適宜采用三聯(lián)供系統(tǒng)。三聯(lián)供系統(tǒng)的綜合能源利用率能達(dá)到80%以上，實(shí)現(xiàn)供冷供熱的同時(shí)，還能產(chǎn)生高電位的電能。在現(xiàn)行的冷、熱、電以及氣價(jià)制度下，三聯(lián)供系統(tǒng)與常規(guī)燃?xì)忮仩t供熱、電空調(diào)供冷相比，具有較好的經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)如圖2所示。

2.4 大型IDC的自備發(fā)電機(jī)組優(yōu)化配置促進(jìn)節(jié)能

大型數(shù)據(jù)中心自建變電站供電可靠性高，使得發(fā)電機(jī)組減配成為可能。外市電供電可靠性越來越高，一般自建一個(gè)或多個(gè)110 kV專用變電站為數(shù)據(jù)中心供電。因?yàn)槊總€(gè)專用變電站的兩路線路來自不同的變電站，所以兩路電源同時(shí)停電的概率極低。

圖2 燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)示意圖

數(shù)據(jù)中心引入的外市電類別為一類市電，兩路市電分別來自兩個(gè)110 kV變電站或同一個(gè)110 kV變電站的不同變壓器及母線段，且兩路市電以互為主備的方式運(yùn)行。以某地兩大數(shù)據(jù)中心為例分析節(jié)能效果：未實(shí)施自備發(fā)電機(jī)組優(yōu)化配置時(shí)，2 000 kW發(fā)電機(jī)組總需求超過350臺(tái)；實(shí)施自備發(fā)電機(jī)組優(yōu)化配置后，可減少2 000 kW發(fā)電機(jī)組約170臺(tái)，減少設(shè)備直接投資約7億元。發(fā)電機(jī)組優(yōu)化配置如圖3所示。

圖3 發(fā)電機(jī)組優(yōu)化配置示意圖

3 動(dòng)環(huán)監(jiān)控節(jié)能技術(shù)

通信局（站）的數(shù)量越來越多。電源和空調(diào)等動(dòng)力設(shè)備及良好的機(jī)房環(huán)境是保障通信系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，而依靠傳統(tǒng)的人工輪巡維護(hù)方式已無法滿足高質(zhì)量運(yùn)維的需求。通信局（站）動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控管理系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控各類動(dòng)力設(shè)備和機(jī)房環(huán)境，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并提示維護(hù)人員采取必要措施，大大減少了維護(hù)電源系統(tǒng)的人力物力，促進(jìn)了節(jié)能減排[2]。

3.1 實(shí)現(xiàn)電源“呼吸式”功率管理

設(shè)計(jì)之初，通信電源一般會(huì)兼顧遠(yuǎn)期最大負(fù)荷。其中，蓄電池容量配置和開關(guān)電源整流模塊的配置，對于初期負(fù)荷來說往往較大。系統(tǒng)運(yùn)行的初始階段，電源系統(tǒng)將處于輕載或超輕載狀態(tài)。這種情況下自身的能耗損失增加，開關(guān)電源的效率較低。通過動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控通信電源模塊，實(shí)現(xiàn)電源“呼吸式”功率管理，可提高電源系統(tǒng)的運(yùn)行效率。所謂的“呼吸式”就是通過控制整流模塊的開通、關(guān)斷以及休眠，調(diào)整負(fù)載分擔(dān)的整流模塊數(shù)量，使電源的負(fù)載處于合適水平。在65%～85%的負(fù)載段，提升整流器的負(fù)載率，可提升系統(tǒng)效率。需要注意的是，使用開關(guān)電源模塊休眠節(jié)能技術(shù)時(shí)，必須采取安全保證措施，保證特殊情況下系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

3.2 蓄電池組節(jié)能

蓄電池是電源系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，本質(zhì)作用是儲(chǔ)能。當(dāng)外部交流供電有故障或中斷威脅通信系統(tǒng)的正常工作時(shí)，蓄電池作為系統(tǒng)供電的后備儲(chǔ)能設(shè)備，可提供0.25～3 h或更長時(shí)間的供電。因此，蓄電池是系統(tǒng)供電的重要保證，也是維持正常通信的最后保障。

利用動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測、報(bào)告蓄電池的后備支撐時(shí)間和基站充放電數(shù)據(jù)。通過遠(yuǎn)程操作功能，關(guān)閉開關(guān)電源的部分整流模塊或調(diào)低遠(yuǎn)端開關(guān)電源系統(tǒng)的電壓，實(shí)現(xiàn)局站遠(yuǎn)程放電。運(yùn)維人員可通過監(jiān)控系統(tǒng)生成的報(bào)表和曲線分析電池的運(yùn)行狀況，及時(shí)撤掉落后電池，做到早發(fā)現(xiàn)、早處理，在保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上大大降低運(yùn)維成本。

3.3 油機(jī)管理節(jié)能

運(yùn)維人員應(yīng)綜合利用各方面信息，減少對油機(jī)的直接調(diào)度。運(yùn)維人員調(diào)度油機(jī)時(shí)，應(yīng)從節(jié)省成本和提高效率的角度出發(fā)，達(dá)到節(jié)能減排的目的。通過合理運(yùn)用動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)測數(shù)據(jù)并處理分析，提高基站的性能。使用節(jié)能型e-ATS自動(dòng)電源切換系統(tǒng)，可以檢測油機(jī)、油箱、電池啟動(dòng)以及ATS的狀態(tài)和參數(shù)。采用智能控制器+ATS組合，可遠(yuǎn)程控制油機(jī)的自動(dòng)啟動(dòng)與停止。此方案在省油、省人力以及節(jié)能方面具有顯著優(yōu)勢。停電之初由蓄電池供電，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到設(shè)定值后啟動(dòng)油機(jī)發(fā)電，并給蓄電池充電。通過運(yùn)用此系統(tǒng)，運(yùn)維人員一方面可通過電力服務(wù)熱線了解停電時(shí)長，另一方面可以依據(jù)在系統(tǒng)中存在的蓄電池后備時(shí)間支撐表，重點(diǎn)監(jiān)視放電容量超過40%的站點(diǎn)。

4 機(jī)房環(huán)境通風(fēng)隔熱

4.1 空調(diào)氣流組織優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)精確送風(fēng)

機(jī)房精確送風(fēng)是指機(jī)房空調(diào)通過專用風(fēng)管或通道直接送風(fēng)到通信機(jī)柜內(nèi)部，可調(diào)節(jié)風(fēng)閥和風(fēng)口，是一種按需供冷的送風(fēng)方式。精確送風(fēng)適用于新建機(jī)房或氣流組織不合理的機(jī)房，對上送風(fēng)的機(jī)房適宜采用上送風(fēng)精確送風(fēng)方式進(jìn)行改造，對下送風(fēng)的機(jī)房適宜采用下送風(fēng)精確送風(fēng)方式進(jìn)行改造[3]。

江蘇某運(yùn)營商機(jī)房采用上送風(fēng)精確送風(fēng)改造后，機(jī)房全年節(jié)電2.29×105kW·h，節(jié)電率達(dá)到17.3%。但需注意，上送風(fēng)精確送風(fēng)需要占用一定的室內(nèi)空間安裝送風(fēng)主管道、送風(fēng)支管以及風(fēng)閥，并需要更換機(jī)柜柜門；下送風(fēng)精確送風(fēng)需要定制機(jī)柜，使機(jī)柜具有送風(fēng)腔體的功能。采用精確送風(fēng)時(shí)，機(jī)房需要設(shè)置備用制冷設(shè)備，確保精確送風(fēng)系統(tǒng)故障時(shí)機(jī)房安全運(yùn)行。

4.2 通信機(jī)房空調(diào)節(jié)能技術(shù)

利用制冷劑自身的熱力平衡與室內(nèi)外溫差，在室內(nèi)外隔絕的情況下，將機(jī)房內(nèi)熱量傳遞到室外，以節(jié)能方式為機(jī)房降溫，降低機(jī)房制冷能耗。利用熱管末端設(shè)備配置的風(fēng)機(jī)，將室內(nèi)空氣中的熱量傳遞到熱管蒸發(fā)器，蒸發(fā)器中的液態(tài)制冷劑吸熱后汽化，汽化的制冷劑依靠自然壓差，經(jīng)連接管路上升到熱管冷凝器中，而汽化的制冷劑在冷凝器中放出熱量冷凝成液態(tài)，最后液態(tài)制冷劑在重力的作用下流回到蒸發(fā)器中。機(jī)房熱管不含制冷元件，較傳統(tǒng)壓縮式制冷空調(diào)有顯著的節(jié)能性。該設(shè)備工作時(shí)為全顯熱交換工況，可降低加濕和除濕的能耗損失，柜門式室內(nèi)機(jī)靠近熱源制冷，可降低室內(nèi)制冷風(fēng)機(jī)能耗。

機(jī)房熱管系統(tǒng)適用于所有通信機(jī)房，根據(jù)不同條件可選擇風(fēng)冷或水冷系統(tǒng)為機(jī)房熱管散熱。風(fēng)冷式熱管室外溫度低于室內(nèi)溫度5 ℃便可以高效運(yùn)行，節(jié)能率在45%～75%。

4.3 機(jī)房換熱技術(shù)

機(jī)房換熱設(shè)備由熱交換芯體、內(nèi)外循環(huán)風(fēng)機(jī)、控制部分以及機(jī)箱組成。機(jī)房換熱設(shè)備間接利用室外低溫空氣，工作時(shí)室內(nèi)外空氣隔絕，通過換熱芯體與室內(nèi)外循環(huán)風(fēng)機(jī)將機(jī)房內(nèi)熱量換至室外為機(jī)房降溫，可獨(dú)立使用也可與機(jī)房空調(diào)配合使用。

機(jī)房換熱設(shè)備工作時(shí)，開啟室內(nèi)外循環(huán)風(fēng)機(jī)，通過換熱芯體進(jìn)行熱量交換。機(jī)房換熱設(shè)備在抵消相同熱負(fù)荷時(shí)，能耗比機(jī)房空調(diào)低很多，利用換熱制冷可減少空調(diào)運(yùn)行時(shí)長，降低機(jī)房制冷的整體能耗。機(jī)房換熱設(shè)備適用于室外空氣質(zhì)量較差、腐蝕性離子濃度不可控或全年室外低溫時(shí)間較長的地區(qū)。但是，受各地氣候條件與機(jī)房自身?xiàng)l件的影響，機(jī)房換熱節(jié)能的效果不盡相同。通過制定合理的運(yùn)行控制措施，根據(jù)室內(nèi)外溫度變化合理確定通風(fēng)設(shè)備和空調(diào)設(shè)備運(yùn)行，可避免設(shè)備頻繁啟停。

4.4 智能通風(fēng)

智能通風(fēng)設(shè)備是一種向通信局（站）提供空氣過濾、循環(huán)以及運(yùn)行控制的設(shè)備。通過引入外部冷空氣，排出內(nèi)部熱空氣，達(dá)到為基站降溫的目的，可獨(dú)立使用也可配合基站空調(diào)使用。在確保達(dá)到基站環(huán)境要求的前提下，智能通風(fēng)機(jī)組采集基站室內(nèi)外溫度和室內(nèi)濕度對其進(jìn)行分析判斷。智能通風(fēng)設(shè)備適用于室外通風(fēng)良好，全年室內(nèi)外溫差＞4 ℃，運(yùn)行后基站室內(nèi)相對濕度長時(shí)間不超過85%的地區(qū)使用。根據(jù)各地氣候條件與基站自身?xiàng)l件，使用智能通風(fēng)機(jī)組后，空調(diào)全年節(jié)電率在10%～70%。貴州、廣西以及湖南等省區(qū)安裝數(shù)量較多，以貴州為例，貴州山區(qū)較多，空氣清潔度高，全年平均氣溫在15 ℃左右，山區(qū)基站在每年10月到次年5月近7個(gè)月的時(shí)間內(nèi)基本可以關(guān)閉空調(diào)，完全依靠智能通風(fēng)滿足基站的溫度要求。

4.5 基站外表面用反射隔熱涂料

該方法可應(yīng)用于土建機(jī)房和一體化機(jī)房的外墻及屋面，適用于日照時(shí)間長、氣溫高的地區(qū)。

東北、內(nèi)蒙古以及新疆等嚴(yán)寒地區(qū)的基站，不適合使用熱反射隔熱涂料增加冬季制熱能耗。基站不需要加熱，日照強(qiáng)度較高，有暴露在陽光下的外墻，新建以及已建基站可以使用。對于全年日照數(shù)超過1 400 h、月平均氣溫大于10 ℃的月份不少于7個(gè)月的地區(qū)，冬季空調(diào)不需要制熱。

2009年4月至10月，在浙江進(jìn)行熱反射隔熱涂料節(jié)能效果驗(yàn)證。通過對比3組基站的測試結(jié)果可知，測試期內(nèi)空調(diào)設(shè)備平均節(jié)電率為30%。2009年7—9月，在廣東省進(jìn)行熱反射隔熱涂料節(jié)能效果驗(yàn)證。通過對比改造前后數(shù)據(jù)可知，測試期內(nèi)空調(diào)設(shè)備平均節(jié)電率為20%。

4.6 基站室外標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)柜

基站室外標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)柜是指安裝于室外，直接處于外界氣候影響下，由金屬或非金屬材料制成的不允許操作者進(jìn)入操作的柜體。它的內(nèi)部可安裝通信設(shè)備、交直流配電單元、蓄電池、動(dòng)環(huán)監(jiān)控設(shè)備以及其他配套設(shè)備，為內(nèi)部設(shè)備的正常工作提供可靠的機(jī)械保護(hù)和環(huán)境保護(hù)。

室外標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)柜適用于以下場景：密集城區(qū)室外覆蓋，在難以找到機(jī)房的地方采用室外機(jī)柜可節(jié)省機(jī)房投資，節(jié)省成本；一般城區(qū)室外覆蓋，對于機(jī)房自建或租賃較困難的地區(qū)，可采用在屋頂或街道兩邊建設(shè)室外機(jī)柜，并采用增強(qiáng)覆蓋的方式擴(kuò)大覆蓋半徑；農(nóng)村覆蓋，若農(nóng)村條件相對較差無法租用合適的機(jī)房，或可租用的民房無法滿足通信設(shè)備對環(huán)境的要求，又因?yàn)槎鄶?shù)自然村人少、規(guī)模小以及居住分散，所以建議采用室外標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)柜。

室外標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)柜的底座尺寸為800 mm×800 mm，每個(gè)基站配置2～3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)柜即能滿足建站要求，占地面積小，配置靈活，且后續(xù)平滑擴(kuò)容。設(shè)備柜和蓄電池柜分艙溫控，大大節(jié)約了空調(diào)費(fèi)用。

5 結(jié) 論

我國擁有規(guī)模最大的通信網(wǎng)絡(luò)，通信局（站）數(shù)量眾多，能耗巨大，通信局（站）機(jī)房和基站的能耗不容忽視。積極推進(jìn)通信行業(yè)節(jié)能減排不僅是降低自身運(yùn)營成本的需要，更是在響應(yīng)國家的號召。在通信機(jī)房設(shè)計(jì)、建設(shè)、維護(hù)以及運(yùn)營中積極推進(jìn)節(jié)能減排新技術(shù)，可為國家生態(tài)文明建設(shè)做出積極貢獻(xiàn)。