王 平 傅 鵬 楊晏文 上海鐵路局信息技術所

降低調(diào)度大樓精密空調(diào)能耗的途徑分析

王 平 傅 鵬 楊晏文 上海鐵路局信息技術所

針對上海路局客專調(diào)度樓32個信息機房，依據(jù)實測的環(huán)境特點和現(xiàn)場調(diào)研情況。經(jīng)分析研究，優(yōu)化機房氣流組織；冬季過渡季利用新風冷卻；同一個機房多臺精密空調(diào)采用聯(lián)網(wǎng)控制；適當調(diào)低冬季過渡季精密空調(diào)冷凝壓力設定值；精密空調(diào)與舒適性空調(diào)進行熱轉(zhuǎn)移等簡單可行的方式，來有效降低精密空調(diào)運行能耗，減少運營成本，規(guī)避安全風險，實現(xiàn)良好的經(jīng)濟和社會效益。

精密空調(diào)能耗；機房氣流組織；新風冷卻；聯(lián)網(wǎng)控制；熱回收

1 概述

鐵路運輸已步入信息時代，鐵路企業(yè)的業(yè)績和發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃越來越依賴“信息”，其計算機中心機房（以后簡稱機房）不單是進行日常數(shù)據(jù)存儲和計算，還需要支撐整個鐵路業(yè)務系統(tǒng)包括調(diào)度、售票、旅服、辦公、通信、監(jiān)控等工作。一旦機房癱瘓，整個業(yè)務系統(tǒng)都將面臨崩潰。同時，數(shù)據(jù)處理和信息交換量的巨大需求以及機房恒溫恒濕環(huán)境的高標準等因素，使得企業(yè)面臨電費支出大、能源成本高等新課題。

路局客專調(diào)度樓總建筑面積38 702 m2，建筑高度57.1 m，總樓層為7層。全局的列調(diào)、客調(diào)、貨調(diào)、機調(diào)、電調(diào)等客、貨運調(diào)度共172個指揮工臺都集中在此。作為保障與支持體系，整棟大樓有大大小小32個計算機機房，總面積約4 300 m2。機房內(nèi)計算機內(nèi)一刻不間斷地運行著TMIS(鐵路運輸管理信息系統(tǒng))、CTC（調(diào)度集中控制系統(tǒng)）、TDCS（調(diào)度指揮管理系統(tǒng)）等鐵路運輸?shù)闹匾獞孟到y(tǒng)，以及與之配套的票務網(wǎng)、旅服網(wǎng)、辦公網(wǎng)、通信網(wǎng)和監(jiān)控等網(wǎng)絡系統(tǒng)。

2 能耗分析

機房的能耗主要由IT設備（服務器、交換機、路由器等）用電、制冷設備（精密空調(diào)、風機）用電、電源設備（UPS、SPM等）損耗及照明用電等四部分構成。據(jù)美國Lawrence Berkeley國家實驗室的調(diào)查，一個典型的機房這四部分的電耗比例分別為50%、37%、10%和3%。其中，制冷設備的耗電量僅次于IT主設備的耗電量，位于第二位。因此，提升制冷系統(tǒng)的效率是機房節(jié)能的關鍵。

客專調(diào)度樓內(nèi)32座IT機房由101臺依米康精密空調(diào)提供恒溫、恒濕的工作環(huán)境。精密空調(diào)機組內(nèi)包含了蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機、風機、板換、加濕器、電控等部件，可實現(xiàn)高精度的制冷、除濕、加濕等功能，為機房提供全年24 h不間斷的溫濕度保障。2014年客專調(diào)度樓全年總用電量近2 500萬kWh。其中，信息設備用電量及為之服務的精密空調(diào)用電、照明、損耗等總量約1 740萬kWh，占總電耗的70%左右，能耗較高(電耗分布見圖1所示)。

圖1 上海局客專調(diào)度樓2014年分項電耗

進一步拆分機房電耗，其中，信息設備總用電量約占43%，精密空調(diào)總用電量約占49%，其余為機房照明及UPS損耗、電源分配損耗等，約占8%左右(機房分項電耗見圖2所示)。

圖2 機房分項電耗

國際上通用機房總用電量和IT設備用電量的比值用PUE來反應機房的總效率。多數(shù)的機房PUE在2-3之間，節(jié)能型機房的PUE大多在1.2-1.5之間。例如，Google公司的機房PUE年平均值可以達到1.21，中國HP的新一代機房體驗中心機房夏季PUE值可以達到1.6-1.7。而路局客專調(diào)度樓機房全年的PUE值只有2.32，離節(jié)能型機房還有較大差距，降低精密空調(diào)能耗是實現(xiàn)機房高效節(jié)能運行的關鍵。

3 節(jié)能方案

3.1 優(yōu)化機房氣流組織

客專調(diào)度樓機房存在著氣流組織差、送風效率低下的情況，機房內(nèi)氣流不適當，用于冷卻的冷空氣約有60%的浪費情況。主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）送回風短路：部分機房風口布置欠合理，地板送風口正對著吊頂回風口，吊頂負壓將大量送風直接吸回到了吊頂中，形成短路。

（2）冷熱摻混嚴重：部分機架電纜由背面接入，接口處敞開，未設置電纜密封環(huán)。冷風由接入口進入機架排熱風扇處。由于風扇處為正壓，冷風無法進入機柜起到冷卻效果，與熱風混合后直接排走。

（3）送風口位置和數(shù)量布置隨意：根據(jù)設計，機房送風口設置應根據(jù)設備位置和發(fā)熱量情況確定。但實際上客專調(diào)度樓機房后期送風口設置較為隨意。有的機柜兩旁送風口數(shù)量較多，有的較少，也有較隨意地將送風口遮擋的現(xiàn)象，影響了整個送風效果。還有機房增加玻璃隔斷后，未調(diào)整風口，導致玻璃隔斷內(nèi)的機房只有送風口，而沒有回風口。這樣做的后果是機房形成正壓，最終冷風無法送進來。

（4）送風量與發(fā)熱量不匹配：調(diào)研發(fā)現(xiàn)，機房信息設備發(fā)熱量并非均等，機柜內(nèi)設備布置情況也不是完全一樣。比如刀片式服務器發(fā)熱量巨大，但其只有電纜接入處開了很小的送風口，導致機柜內(nèi)溫度偏高。而有些機柜內(nèi)沒有設備，正下方及側面都設有送風口，冷風進入后未冷卻任何設備，最終與機房內(nèi)空氣摻混后回到精密空調(diào)。由于機柜內(nèi)無設備，阻力小，此處的送風量還會偏大，變相搶走了其他設備的風量?？蛯Ｕ{(diào)度樓機房不合理氣流組織已嚴重的影響了系統(tǒng)的能效，大大增加了運行能耗，并造成了一定的安全隱患：①冷熱不均，局部過冷、過熱。由于氣流組織不合理，機房送風溫度降不下來，房間常常過度冷卻，如2015年4月實測的通訊機械室、運調(diào)電源室的室溫及壁面溫度，均低于機房設計要求值。但很多發(fā)熱量大的機柜內(nèi)仍然得不到足夠的冷卻風量，溫度偏高，遠高于設計要求值。②送回風溫差小，風機能耗大。目前氣流摻混、短路嚴重，拉低了回風溫度，整體為大風量小溫差運行。③精密空調(diào)能耗高。送回風溫度低時，精密空調(diào)蒸發(fā)器的蒸發(fā)壓力降低，使得機組COP降低，增加了壓縮機耗電量。④易出現(xiàn)除濕后再加濕。蒸發(fā)壓力低導致蒸發(fā)器表面溫度低，回風被過度除濕，為了滿足室內(nèi)濕度要求又需進行補償性加濕，能量浪費嚴重。⑤信息設備運行可靠性降低。不合理的氣流組織無法保障所有設備得到及時和足夠的冷卻風量，極易出現(xiàn)宕機和運行故障等問題。

因此，亟需對機房空調(diào)氣流組織做更精細規(guī)劃、優(yōu)化和改進，以滿足機房設備安全、節(jié)能、高效運行。

精密空調(diào)風機年電耗約408萬kWh，通過氣流組織優(yōu)化，預計可節(jié)省電量102萬kWh，節(jié)能率25%。

3.2 利用新風節(jié)能

自然資源是最經(jīng)濟環(huán)保的資源，取之不盡，用之不竭，機房設備散熱首選利用大氣的低溫自然冷源。上海地區(qū)10月中旬到第二年4月，室外溫度基本在20℃以下，較為涼爽?？紤]到機房對溫濕度均有嚴格要求，以室內(nèi)23℃，55%時空氣焓值47.6 kJ/kg為標準，根據(jù)以往氣象參數(shù)，室外約有5 000 h的時間溫濕度均合適，可充分利用，比室內(nèi)空氣循環(huán)更節(jié)能。客專調(diào)度樓機房設有新風系統(tǒng)。根據(jù)設計，空調(diào)季時提供1次換氣量，以滿足機房正壓要求；過渡季時切換至4次換氣量。實際上，由于機房內(nèi)顯熱量大，冬季室外焓值低，更適合大風量的換氣，這樣才能充分利用自然冷源，降低機房能耗。以每小時4次換氣計，冬季最冷日新風可帶走0.07 kW/(m3/h)的熱量；而降低至1次/h換氣時，只能帶走0.018 kW/(m3/h)的熱量。通風機均為低能耗設備，單位風量耗功率通常小于0.0004 kW/m3/h，因此冬季4次換氣仍更合適。

據(jù)統(tǒng)計，客專調(diào)度樓的設備發(fā)熱量較大，單位體積散熱量都在0.08 kW/m3以上，無法通過全新風帶走全部熱量。由于管道井、設備等限制，本項目已無法進一步加大新風量。因此，在冬季、過渡季新風換氣時，機房精密空調(diào)仍需要開啟。新風應在機房內(nèi)與回風充分混合，通過精密空調(diào)降溫后送入。新風風機以室內(nèi)外焓差進行控制，當室外焓值低于室內(nèi)焓值，風機即全部開啟。根據(jù)上海地區(qū)以往氣象參數(shù)，估算冬季、過渡季盡量利用新風制冷可帶走約72萬kWh冷量，以精密空調(diào)制冷COP為5計，折合節(jié)省電量14.4萬kWh。

3.3 機組協(xié)同優(yōu)化控制

客專調(diào)度樓機房基本都設有兩個或兩個以上精密空調(diào)供冷，如果不去集中管理，就會出現(xiàn)兩種耗能情況：1）即使機房冷卻需求下降，仍保持多臺機組運行的狀態(tài)，單臺機組負荷率降低，效率降低；2）容易出現(xiàn)冷熱抵消、除濕加濕抵消情況，即部分機組在制冷，部分機組在制熱，或部分機組在加濕，部分機組在除濕，極其浪費能源。2015年4月實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)部分房間即發(fā)現(xiàn)了這種情況，如321門牌的服務器機房精密空調(diào)2、3號均在運行狀態(tài)，前者處于加濕狀態(tài)，后者處于除濕狀態(tài)，出現(xiàn)了嚴重的抵消現(xiàn)象。

因此，需要對同一個機房多臺精密空調(diào)進行聯(lián)網(wǎng)能效管理(精密空調(diào)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)拓撲結構見圖3所示)。能效管理的內(nèi)容包括：①判斷機房的總冷卻需求，根據(jù)冷卻需求，判斷開啟的精密空調(diào)數(shù)量。使空調(diào)的制冷量與機房的散熱量相匹配。另外，當運行的空調(diào)發(fā)生故障時，自動啟動其他空調(diào)，確保機房安全運行。②實測機房溫濕度情況，根據(jù)設定值與實測值判斷熱濕需求，協(xié)同控制多臺機組運行，避免出現(xiàn)冷熱或加濕、除濕抵消的情況。熱濕控制擬采用智能預測方式，根據(jù)溫度和濕度的聯(lián)合變化情況決定是否同時動作，減少不必要的浪費。保守估計，精密空調(diào)進行聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理后，年可降低運行電耗56萬kWh。

圖 3 精密空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)拓撲圖

此外，由于精密空調(diào)溫濕度設置對制冷能耗影響巨大，因此應進行合理設置優(yōu)化。隨著IT設備工藝的提升，其工作溫度要求也有了較大的放寬，因此可根據(jù)實際設備的運行要求適當提升機房溫度，有效縮短壓縮機運行時間，降低制冷能耗，對IT設備影響也很小。制冷參數(shù)變化 1℃，可產(chǎn)生 5% ~10% 能耗變化。目前機房實測溫度基本在23℃左右，而設計溫度范圍為23±2℃，建議機房設定溫度調(diào)至24℃，預計年可節(jié)省30.9萬kWh電量，且不會對IT設備產(chǎn)生影響。

客專調(diào)度樓精密空調(diào)采用定冷凝壓力調(diào)節(jié)法，設定冷凝壓力18 kg，在這個基礎上，根據(jù)冷卻水供水溫度，自動調(diào)節(jié)冷卻水流量，以保證冷凝壓力不變。但根據(jù)卡諾循環(huán)原理，冷凝壓力降低可有效提高機組COP。因此，冷凝壓力應根據(jù)機組的調(diào)節(jié)能力，冬季、過渡季室外溫度低時調(diào)低冷凝壓力設定值，以提高制冷效率。此項舉措保守估計年可節(jié)省壓縮機31.8萬kWh用電量。

3.4 機房余熱回收利用

客專調(diào)度樓中共享空間、辦公用房等空調(diào)屬于舒適性空調(diào)，主要設置在外區(qū),冬季需供暖。而機房屬于工藝性空調(diào)，主要集中在內(nèi)區(qū),有大量的設備散熱,冬季仍需供冷。目前辦公用房冬季通過風冷熱泵采暖，并沒有好好回收利用機房的余熱，形成了雙倍的浪費。

因此，可在精密空調(diào)冷卻水去閉式冷卻塔前的路由上增加板式交換器，實現(xiàn)熱量的回收，用于舒適性空調(diào)供熱，實現(xiàn)舒適空調(diào)耗熱和工藝空調(diào)排熱的能量轉(zhuǎn)移,最大限度地減少外界供給能量。當循環(huán)水溫度高于設定上限溫度時,開啟冷卻塔排出多余熱量；當水溫低于設定下限溫度時,通過空氣源熱泵向系統(tǒng)補充熱量。機房熱回收措施可減少熱泵耗電量約123.6萬kWh/年。

4 結論

根據(jù)機房空調(diào)系統(tǒng)及環(huán)境的特點，對上海鐵路局客專調(diào)度樓機房空調(diào)節(jié)能技術改造方案進行了分析研究，結論如下：

（1）機房不合理氣流組織已嚴重的影響了系統(tǒng)的能效，大大增加了運行能耗，并造成了一定的安全隱患。目前情況下，通過調(diào)整機架擺放來改善氣流組織，改動量小，并能有效降低能耗。

（2）上海地區(qū)10月中旬到第二年4月，室外空氣焓值合適，可充分利用自然冷源，降低機房能耗。冬季室外焓值低，更適合大風量的換氣。由于管道井、設備等限制，本項目已無法進一步加大新風量，新風可在機房內(nèi)與回風充分混合，通過精密空調(diào)降溫后送入。新風風機以室內(nèi)外焓差進行控制，當室外焓值低于室內(nèi)焓值，風機即全部開啟。

（3）通過對同一個機房多臺精密空調(diào)聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控能效管理，可有效避免冷熱抵消、除濕加濕抵消的情況，降低空調(diào)能耗。

（4）由于IT設備工藝提升，可適當提升機房溫度，有效縮短壓縮機運行時間，降低制冷能耗。

（5）精密空調(diào)冷凝壓力，應根據(jù)機組的調(diào)節(jié)能力，冬季、過渡季室外溫度低時調(diào)低冷凝壓力設定值，以提高制冷效率。

（6）在精密空調(diào)冷卻水去閉式冷卻塔前的路由上增加板式交換器，可實現(xiàn)舒適空調(diào)耗熱和精密空調(diào)排熱的能量轉(zhuǎn)移,最大限度地減少外界供給能量。

隨著我國鐵路的快速發(fā)展，采取有效措施，降低鐵路信息機房的空調(diào)運行能耗，減少運營成本，是鐵路行業(yè)落實科學發(fā)展觀、實現(xiàn)節(jié)能減排的重要技術手段。通過系統(tǒng)性、整體性的空調(diào)節(jié)能改造規(guī)劃，預計上?？蛯Ｕ{(diào)度樓機房全年節(jié)電量358萬kWh以上，占機房2014年總耗電量20.6%以上，并有效的降低安全風險，實現(xiàn)良好的經(jīng)濟和社會效益。

責任編輯：宋 飛

來稿時間：2015-8-13