通信核心机楼节能降耗研究与应用

王 琪

（中国移动通信集团安徽公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

通信核心机楼负责放置核心通信网络设备，为通信提供服务，内置若干个核心机房。随着通信网络发展及社会对数字化处理需求的快速增加，传统的通信核心机楼中也逐步增设了小型数据中心、中型数据中心以及大型数据中心等。原有传统核心机楼因无物理空间等，也在数据中心部署了为自有通信网络服务的专用通信机房。基于以上因素，传统通信机楼与新型数据中心呈现互相依存、互相渗透、共建共治的态势，本文所述核心机楼包含传统核心机楼与数据中心[1]。

通信核心机楼由供配电、供冷、安防及智能管理等诸多子系统有机集成，确保通信核心机楼安全、稳定、高效运行是摆在网络运维管理从业者面前的一道难题。随着算力网络及数字化等新基建需求突增，通信核心机楼新建扩容等工作也在同步推进，规模日益庞大。各通信核心机楼的单机柜功率密度不断增大，通信核心机楼逐渐成为能耗大户，用电成本逐渐升高，空调系统能耗已经成为通信运营者们思考的重点问题。重点遵循节能减排、降本增效的原则，基于不同场景条件的核心机楼深入挖掘有效的节能降耗方法，切实践行“碳达峰”与“碳中和”国家战略。

1 核心机楼能耗构成与测量

1.1 能耗指标

目前，业界主要采用电能利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）评估核心机楼能耗水平，其数值为数据中心内所有用电设备消耗的总电能与所有电子信息设备消耗的总电能之比[2]。随着传统核心机楼互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）化改造，PUE也被拓展为衡量通信机楼基础设施能效的综合指标。其计算公式为

式中：W总为通信核心机楼内所有用电设备的能耗；W通信设备为通信核心机楼中通信设备的能耗。

在通信核心机楼中，只有通信设备的功耗被认为是产生有效输出[3]。PUE的实际含义是计算在提供给通信核心机楼的总电能中，有多少电能是真正地应用到通信设备上。

1.2 能耗测量与PUE计算

能耗精确采集是一个投资大、耗时长、运维难的系统化工程，综合考虑投入成本和后续维护稽核工作量等多重因素，根据能耗管控系统采集规范，通信核心机楼配电、能耗采集点设置模型如图1所示。

图1 通信核心机楼能耗采集点设置点位

能耗采集设置点不是特指某一具体配电柜、断路器计量点，只要符合图中设置层及区间且可以准确计量出对应用电类型的计量点均可。

（1）总用电量测量与计算方法。若机楼采用高压油机，总用电测量点取图1中A2位置（变压器输出侧），同时采用高压冷机时需要增加高压冷机用电，按规定总用电要剔除机楼办公负荷用电（含办公冷源用电），此时总用电=WA2+WA4-WB5。若机楼采用低压油机，总用电点取图中A2位置（变压器输出侧）和A3位置（发电机组输出配电柜内各进线开关的输入侧或油机控制屏处），按规定总用电要剔除机楼办公用电（含办公冷源用电），此时总用电=WA2+WA3-WB5。如果机楼在A2、A3处无计量电表，总用电采用分项用电求和计算，此时总用电=WA4+WB1+WB2+WB3+WB4。

（2）通信设备用电量测量与计算方法。考虑到在输入侧取测量点未剔除电源损耗，实际计算时需增加电源损耗系数η，η可以根据机楼不间断电源的工作效率确定，此时主设备用电=ηWB1。如果具备条件，可以在主设备的列头柜或设备机柜输入侧C1直接计取，精确度更高。

（3）制冷设备用电量测量与计算方法。测量点取图中A4'（冷机配电输入侧）、B3（冷机外冷源系统用电输入侧）、B2（低压配电柜内对应机房空调设备配电的输出开关输出侧），此时制冷设备用电=WB2+WA4'+WB3。

在高压油机情况下，总用电取变压器输出侧，剔除办公用电（含办公冷源用电），此时PUE=(WA2+WA4-WB5)/(ηWB1)。在低压油机情况下，总用电取变压器及油机输出侧，同时剔除办公用电（含办公冷源用电），不同季节要根据办公实际用冷情况调节分摊比例，此时PUE=(WA2+WA3-WB5)/(ηWB1)。总用电由分项用电求和计算情况下，此时PUE=(WA4+WB1+WB2+WB3+WB4)/(ηWB1)。针对多栋机楼冷源共用情况，参照各机楼IT负载进行冷源能耗分摊，对各楼栋相同用电类型汇总后计算PUE[4]。

1.3 能耗构成

通信核心机楼的PUE值越大，则表示制冷和非通信设备供电等辅助配套基础设施所消耗的电能越大，有效输出的电能占比越小。通信核心机楼电能消耗一般涉及4个方面：一是通信设备运行需要消耗巨大的电能，该部分电能消耗由板卡型号、业务量等客观因素决定，基本固定不变，压缩空间不大；二是通信设备运行过程中内部芯片运转所产生的热量需要额外的制冷系统进行冷却，该部分能耗与制冷模式、系统运维参数等因数相关，是节能降耗的重要内容；三是高压配电、低压配电、开关电源及电缆母排等供电系统自身消耗的电能；四是通信生产涉及的机房照明、电梯设备及建筑设施消耗的电能[5]。

按照PUE前端采集测量数据及系统计算分析，核心机楼能耗分布如图2所示。核心机楼通信设备能耗占比约57%，冷塔、冷机、水泵、室外机以及空调末端等制冷设备能耗占比约36%，开关电源不间断系统、供电线缆母排等供电系统能耗占比约6%，机房生产照明等其他能耗占比约1%。

图2 核心机楼能耗分布

2 核心机楼降耗方法研究与实践

根据核心机楼能耗的主要分布情况，基于“抓住关键要素、分类实施策略”的原则，开展核心机楼降耗研究。能耗占比最大的通信设备因需要全天候不间断运行，在保障网络正常运行的条件下基本是固定不变，无压缩空间；制冷设备设计可变因素较多，是节能降耗的关键环节；供配电路涉及的高低压配电线及线缆母排设计运行后基本固定，可以降低损耗的主要为不间断电源系统。基于以上分析，对通信核心机楼降耗主要策略进行阐述，如表1所示。

表1 通信核心机楼降耗主要策略

2.1 风冷改水冷

风冷改水冷措施的主要应用场景为通信设备上架率和单机柜功率突增、风冷空调老化已进入超期服役期、外部环境对机房空调噪声要求高或具备水管铺设空间条件的机楼等。某园区共有A、B、C这3座核心生产楼，同时另设一座集中冷冻站为B楼、C楼供冷，平面分布如图3所示。

图3 某园区平面分布

A楼采用风冷系统、B楼、C楼采用冷冻水空调系统。改造前已具备的供冷能力为9 142 kW，制冷负荷约7 700 kW。设计总供冷能力18 284 kW（部分未投产），经评估冷冻站设计供冷能力可满足同时为A、B、C生产楼供冷的需求。

核心生产楼A原本规划为通信生产楼，后期因IDC业务发展需要，已有65%机房改造为IDC机房，设备单机柜功耗增加约1倍。随着高功耗设备的装载，原有风冷空调服役时间较长，制冷效能较低且故障率明显提升，已达到制冷瓶颈。室外机平台运行噪声达73 dB以上，对周边居民的居住环境产生影响，导致居民夜间投诉。该机楼总体PUE高达1.80，节能降耗压力大。基于此，本次改造将A生产楼的制冷由风冷改为冷冻水方式。

风冷改水冷系统是在原有制冷站的基础上进行扩容优化，主要涉及冷源系统扩建、电源系统建设、制冷管网扩容以及末端空调替换等。

冷源系统扩建方面主要面临以下难题：一是冷冻站原有供冷输出分路不足；二是改造的制冷站屋顶冷却塔扩容空间受限。针对原有供冷输出分路不足的问题，利用现有分集水器旁通水管，通过设置三通及压差旁通阀，结合水泵变频调节实现供冷输出与旁通水流双平衡。针对屋顶冷却塔直接扩容受限问题，充分利用屋顶空间，通过建设回水环网、供水连通管，并联冷却塔，实现容量共享，节约物理空间。冷冻站供冷输出分路改造如图4所示。

图4 冷冻站供冷输出分路改造

电源系统建设方面，在原有配电系统中新增一台2 000 kW固定发电机组与原有3台发电机组并联组成发电机组系统池，为冷冻站冷源系统提供安全可靠的备用供电系统。扩容一套2 500 kVA低压配电系统（4#低配），与原有3套低配供电系统共同实现对冷源系统的双电源供电保障模式，在其中一套电源系统出现故障时不影响对机楼的供冷。冷冻站新增低压配电系统改造如图5所示。

制冷管网扩容及末端替换方面，原有水冷系统进出水主管利旧，A楼至原冷冻站地下新增部署一供一回主冷冻水管[4]。新增一路进出水主管、屋顶环网、楼层垂直立管，依次拆除原楼层水平管路及管壳冷凝器（可以按需启动风冷空调系统），新建冷冻水系统楼层水平管路。按机房终局规划部署空调末端，预留位置，本期按需装载且考虑终期进出口位置，水平横管预留接口与空调末端相匹配，减少管道长度。逐台拆除原风冷空调，替换为冷冻水空调，确保机房制冷不中断。

通过风冷改水冷系统后，核心机楼A实现了空调系统能效比由2.8提高至4.5，机楼PUE由1.80降至1.52，每年节约用电2.632×106kW·h，减少碳排放2 066.1 t。

2.2 优化电源系统运行效率

为了保障核心机楼通信设备24 h不间断提供业务支撑服务，一般均采用开关电源或不间断电源系统为后端专业设备供电。现网中不间断电源系统配置了大量冗余模块，负载率总体较低，同时部分核心机楼配置电源系统设备入网较早，设备效率较低。在此场景下，可以综合考虑电源的最佳效率区间，通过升级优化新型电源设备来进一步减少机楼能耗。

以A号核心机楼为例，若配置模块全部开启带载运行时，2N架构不间断电源系统的负载率为25%左右。综合考虑核心机楼负载对不间断电源系统的安全要求，通过开启不间断电源模块休眠模式及节能模式、人工关闭不间断电源系统的冗余模块等运维手段，合理优化开关电源系统工作负载率。电源系统效率优化曲线如图6所示。

图6 电源系统效率优化曲线

综合考虑投资收益，采取插框式不间断电源系统模块直接更换法将13套电源系统从普效模块更新升级为高效模块，改造后的电源系统运行效率平均提高4%[5]。电源插框式改造现场实例如图7所示。

图7 电源插框式改造现场实例

按照A号核心机楼不间断电源负荷1 707 kW计算，通过优化电源系统运行效率、更新普效模块等方式，全年可以节约用电约3.29×105kW·h，减少碳排放258.2 t。

3 结 论

通过分析通信核心机楼节能降耗面临的问题与困境，详细阐述了通信核心机楼能耗构成、能耗测量与计算方法，给出了节能降耗的方法。通过某核心机楼风冷改水冷、不间断电源系统运行效率优化等实践，验证了通信机楼节能降耗的有效性，可以有效应用到其他适宜场景。