張榮俊

（山東省郵電規(guī)劃設計院有限公司，山東 聊城 252000）

1 通信機房能耗現(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力。通信運營網(wǎng)絡持續(xù)擴展中，通信機房耗電量處于遞增趨勢，在運營成本中占比較大。分析電信運營商成本的構(gòu)成，發(fā)現(xiàn)電費開支占比較大。我國通信網(wǎng)絡中每年僅基站設備的耗電量就高達3.56×1010kW·h，整個行業(yè)耗電量超5.00×1010kW·h。可見，通信行業(yè)不僅是一個高科技行業(yè)，也是一個高耗能行業(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、動環(huán)監(jiān)控以及通風隔熱為重點，討論各種節(jié)能技術(shù)的應用，并分析應用場景和節(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)電機組供電系統(tǒng)、換流系統(tǒng)、蓄能系統(tǒng)、動力環(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 高壓直流供電促進節(jié)能

直流供電系統(tǒng)是向通信局（站）提供直流（基礎）電源的供電系統(tǒng)。其中，-48 V為直流基礎電源。除-48 V基礎電源外，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，中國移動選擇336 V高壓直流。由于中國電信的積極推動，BAT開始規(guī)模應用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備，適合改造存量設備，但廠商不承諾質(zhì)保。它主要由中國電信推動，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，且可降低線纜規(guī)格，但存量主設備不兼容，適合新建系統(tǒng)使用，主要由中國移動推動。336 V高壓直流2009年在深圳試驗，2012年在哈爾濱倉儲式數(shù)據(jù)中心試點，行業(yè)標準已與ETSI、ITU等國際標準一致。

2.1.3 高壓直流的優(yōu)勢

高壓直流的系統(tǒng)簡單，故障點少，可實現(xiàn)熱插拔，維護難度小，可靠性高，設備便宜，可節(jié)約初期投資，長期運行成本低，冗余設計容量小。相較UPS的2N和3N系統(tǒng)，高壓直流冗余設計容量為N+1，系統(tǒng)運行效率可達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，最高耐受溫度可達到65 ℃，工作溫度范圍更廣，可讓電源設備在缺乏環(huán)境調(diào)節(jié)的戶外站點正常工作。高效直流電源能效可提高4%～6%，低負載率時效果更顯著。

表1 數(shù)據(jù)中心用電源系統(tǒng)對比表（含配電設備）

2.3 采用燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)促進節(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。通信機房全年發(fā)熱量、耗電量以及用電負荷基本穩(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到80%以上，實現(xiàn)供冷供熱的同時，還能產(chǎn)生高電位的電能。在現(xiàn)行的冷、熱、電以及氣價制度下，三聯(lián)供系統(tǒng)與常規(guī)燃氣鍋爐供熱、電空調(diào)供冷相比，具有較好的經(jīng)濟性，系統(tǒng)如圖2所示。

2.4 大型IDC的自備發(fā)電機組優(yōu)化配置促進節(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，一般自建一個或多個110 kV專用變電站為數(shù)據(jù)中心供電。因為每個專用變電站的兩路線路來自不同的變電站，所以兩路電源同時停電的概率極低。

圖2 燃氣冷熱電三聯(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110 kV變電站或同一個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行。以某地兩大數(shù)據(jù)中心為例分析節(jié)能效果：未實施自備發(fā)電機組優(yōu)化配置時，2 000 kW發(fā)電機組總需求超過350臺；實施自備發(fā)電機組優(yōu)化配置后，可減少2 000 kW發(fā)電機組約170臺，減少設備直接投資約7億元。發(fā)電機組優(yōu)化配置如圖3所示。

圖3 發(fā)電機組優(yōu)化配置示意圖

3 動環(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)等動力設備及良好的機房環(huán)境是保障通信系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的基礎，而依靠傳統(tǒng)的人工輪巡維護方式已無法滿足高質(zhì)量運維的需求。通信局（站）動力環(huán)境監(jiān)控管理系統(tǒng)可實時監(jiān)控各類動力設備和機房環(huán)境，及時發(fā)現(xiàn)故障并提示維護人員采取必要措施，大大減少了維護電源系統(tǒng)的人力物力，促進了節(jié)能減排[2]。

3.1 實現(xiàn)電源“呼吸式”功率管理

設計之初，通信電源一般會兼顧遠期最大負荷。其中，蓄電池容量配置和開關(guān)電源整流模塊的配置，對于初期負荷來說往往較大。系統(tǒng)運行的初始階段，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。通過動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控通信電源模塊，實現(xiàn)電源“呼吸式”功率管理，可提高電源系統(tǒng)的運行效率。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)整負載分擔的整流模塊數(shù)量，使電源的負載處于合適水平。在65%～85%的負載段，提升整流器的負載率，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，必須采取安全保證措施，保證特殊情況下系統(tǒng)可靠運行。

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)作用是儲能。當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，蓄電池作為系統(tǒng)供電的后備儲能設備，可提供0.25～3 h或更長時間的供電。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。

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

3.3 油機管理節(jié)能

運維人員應綜合利用各方面信息，減少對油機的直接調(diào)度。運維人員調(diào)度油機時，應從節(jié)省成本和提高效率的角度出發(fā)，達到節(jié)能減排的目的。通過合理運用動力監(jiān)控系統(tǒng)，實測數(shù)據(jù)并處理分析，提高基站的性能。使用節(jié)能型e-ATS自動電源切換系統(tǒng)，可以檢測油機、油箱、電池啟動以及ATS的狀態(tài)和參數(shù)。采用智能控制器+ATS組合，可遠程控制油機的自動啟動與停止。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，當蓄電池電壓達到設定值后啟動油機發(fā)電，并給蓄電池充電。通過運用此系統(tǒng)，運維人員一方面可通過電力服務熱線了解停電時長，另一方面可以依據(jù)在系統(tǒng)中存在的蓄電池后備時間支撐表，重點監(jiān)視放電容量超過40%的站點。

4 機房環(huán)境通風隔熱

4.1 空調(diào)氣流組織優(yōu)化，實現(xiàn)精確送風

機房精確送風是指機房空調(diào)通過專用風管或通道直接送風到通信機柜內(nèi)部，可調(diào)節(jié)風閥和風口，是一種按需供冷的送風方式。精確送風適用于新建機房或氣流組織不合理的機房，對上送風的機房適宜采用上送風精確送風方式進行改造，對下送風的機房適宜采用下送風精確送風方式進行改造[3]。

江蘇某運營商機房采用上送風精確送風改造后，機房全年節(jié)電2.29×105kW·h，節(jié)電率達到17.3%。但需注意，上送風精確送風需要占用一定的室內(nèi)空間安裝送風主管道、送風支管以及風閥，并需要更換機柜柜門；下送風精確送風需要定制機柜，使機柜具有送風腔體的功能。采用精確送風時，機房需要設置備用制冷設備，確保精確送風系統(tǒng)故障時機房安全運行。

4.2 通信機房空調(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，將機房內(nèi)熱量傳遞到室外，以節(jié)能方式為機房降溫，降低機房制冷能耗。利用熱管末端設備配置的風機，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。該設備工作時為全顯熱交換工況，可降低加濕和除濕的能耗損失，柜門式室內(nèi)機靠近熱源制冷，可降低室內(nèi)制冷風機能耗。

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

4.3 機房換熱技術(shù)

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

機房換熱設備工作時，開啟室內(nèi)外循環(huán)風機，通過換熱芯體進行熱量交換。機房換熱設備在抵消相同熱負荷時，能耗比機房空調(diào)低很多，利用換熱制冷可減少空調(diào)運行時長，降低機房制冷的整體能耗。機房換熱設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間較長的地區(qū)。但是，受各地氣候條件與機房自身條件的影響，機房換熱節(jié)能的效果不盡相同。通過制定合理的運行控制措施，根據(jù)室內(nèi)外溫度變化合理確定通風設備和空調(diào)設備運行，可避免設備頻繁啟停。

4.4 智能通風

智能通風設備是一種向通信局（站）提供空氣過濾、循環(huán)以及運行控制的設備。通過引入外部冷空氣，排出內(nèi)部熱空氣，達到為基站降溫的目的，可獨立使用也可配合基站空調(diào)使用。在確保達到基站環(huán)境要求的前提下，智能通風機組采集基站室內(nèi)外溫度和室內(nèi)濕度對其進行分析判斷。智能通風設備適用于室外通風良好，全年室內(nèi)外溫差＞4 ℃，運行后基站室內(nèi)相對濕度長時間不超過85%的地區(qū)使用。根據(jù)各地氣候條件與基站自身條件，使用智能通風機組后，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個月的時間內(nèi)基本可以關(guān)閉空調(diào)，完全依靠智能通風滿足基站的溫度要求。

4.5 基站外表面用反射隔熱涂料

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

東北、內(nèi)蒙古以及新疆等嚴寒地區(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，在浙江進行熱反射隔熱涂料節(jié)能效果驗證。通過對比3組基站的測試結(jié)果可知，測試期內(nèi)空調(diào)設備平均節(jié)電率為30%。2009年7—9月，在廣東省進行熱反射隔熱涂料節(jié)能效果驗證。通過對比改造前后數(shù)據(jù)可知，測試期內(nèi)空調(diào)設備平均節(jié)電率為20%。

4.6 基站室外標準化機柜

基站室外標準化機柜是指安裝于室外，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入操作的柜體。它的內(nèi)部可安裝通信設備、交直流配電單元、蓄電池、動環(huán)監(jiān)控設備以及其他配套設備，為內(nèi)部設備的正常工作提供可靠的機械保護和環(huán)境保護。

室外標準化機柜適用于以下場景：密集城區(qū)室外覆蓋，在難以找到機房的地方采用室外機柜可節(jié)省機房投資，節(jié)省成本；一般城區(qū)室外覆蓋，對于機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室外機柜，并采用增強覆蓋的方式擴大覆蓋半徑；農(nóng)村覆蓋，若農(nóng)村條件相對較差無法租用合適的機房，或可租用的民房無法滿足通信設備對環(huán)境的要求，又因為多數(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準化機柜。

室外標準化機柜的底座尺寸為800 mm×800 mm，每個基站配置2～3個標準化機柜即能滿足建站要求，占地面積小，配置靈活，且后續(xù)平滑擴容。設備柜和蓄電池柜分艙溫控，大大節(jié)約了空調(diào)費用。

5 結(jié) 論

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