通信机房专用空调自适应节能监控技术

1 通信机房专用空调自适应节能监控技术 上海市电信有限公司 丁 涛 彭 伟 林国平 黄 江 摘要：分析了专用空调在使用中存在的问题，介绍了自适应节能技术的原理和核心技术，给出了节能的主要途径以及实际应用的统计和节电率分折 。 关健词：专用空调 自适应节能 节能途径 用电度数 节电率 一、概述 作为通信网络能源节能技术的重要内容，通信机房专用空调自适应控制恒温恒湿节能监控技术（以下称自适应节能技术）是十分有效的。凡是使用专用 空调的机房，而且机房内的显热量形成热岛效应，采用自适应节能技术，既可以使机房内的温湿度差值减小，而且可以控制在目标值范围内（ 23 2， 40%-70%，详见 GF014-95 通信机房环境条件）又可以使节电率达 20%左右。该技术安装简便，使用方便，一般平均一台专用空调投资 1。 4 万元，对 3 万多大卡的空调，每年可节电费约 1 万元人民币，可在一年半收回投资。在近三年多的时间内，我们已经在 30 多个机房内对 200 多台专用空调实现了自适应节能控制，效果良好。上海电信有 1200 台专用空调机，其节能前景是十分宽广的。 二、机房 专用空调在使用中存在的问题： 1、只利用本空调机回风口传感器作为数据采样参考点，无法监测整个机房内的真实环境温湿度，数据准确性不够。 2、专用空调有智能功能，但是在运行中，有时会出现一台空调加湿，另一台去湿；有一台在制冷，另一台在加热的不合理现象。造成不必要的浪费，空调使用效率不高。 3、由于机房机架排列、建筑结构、线缆走向等客观因素，空调机组的气流组织缺乏优化处理，造成温差大，使用不合理，加大能耗，影响空调的使用寿命。 三、自适应节能技术的特点 1、改变 原来的空调设置“手动设定”，为“自动设定”，提 高专用空调的控制能力。 2、改变 原来每台专用空调的一个回风口温湿度监测点，为整个机房平面实时监测，提高温湿度动态数据的监测精度。 3、改变 原来每台专用空调“单兵作战 ” 方式，为整个机房专用空调机组群“团队作战 ” 形式，提高机组的工作效率。 四、自适应节能系统的核心技术： 2 1、模糊控制技术： 自动跟踪昼夜、季节、地区、机房内区域环境温湿度值的变化。准确计算通信机房各“区域”与外部环境温湿度值之间的关系。 2、 PID 技术： 动态调整空调的设定温度、湿度、修正值等参数，根据空调设备的实时运行状况，配以智能化的 控制算法软件，优化压缩机运行周期，平衡空调设备供冷量与目标温湿度值之间的关系。 3、计算机温度场模拟技术 ： 根据机房不同的工况条件、空调冷量分布、风量扩张循环等综合数据，提高优化冷量利用效率，排列出空调优先资格顺序，达到冷量效率最大化。精确控制“ N+1”“ N+0”、“ N-1”等台空调数量的开启与关 闭，使空调始终处于最佳工作状态，有效实现了机房整体环境的恒温恒湿，提高通信设备的环境安全、 节约空调能源消耗、延长空调机组的使用寿命。 五、 节约能源的主要途径 1、利用大自然环境温湿度的变化 是节约能源的途径之一 大 自然的环境温湿度，昼夜、季节、地区都在变化，而通信机房发热量是不变的，充分利用大自然冷热对机房热辐射效应的变化，自动改变空调合理运行所应有的温度和湿度设置值，减少压缩机工作时间，控制空调的总制冷量输出，做到“按需制冷、供冷” ,节约空调的耗电量。准确统计数据显示，在上海地区夏季的空调用电量一般要比冬季高出约 40%左右。采用自适应节能技术，通过精确控制把大自然温度变化的能量转化为空调可节约的电量部分，这是人工控制做不到的。 通信机房的空调数量或者说冷量（大卡）的配置值 n 台数，在机房设计时就已经充分考虑到了。其主 要的“冷量峰值”是夏季高温季节的最高温度时段，如午后太阳西晒时，也就是说空调的制冷大卡量是满足夏季最高温度时对通信设备的冷却标准。加上 1 台备用空调机组（即 n+1 台）大部分时间也会投入使用，因此随着昼夜、季节、地区的温度变化，空调制冷富余量几乎永远存在，只是大小差异而已。见如下示意图； 3 上海市2 0 0 5 年6 月8 月最高温度变化曲线2426283032343638日期温度曲线温度6 19 7 3 7 17 7 31 8 1 4 8 28上海市气象局资料 我们通常讲的采用自适应技术平均节电率 20%是指一年的平均节电率。由外部环境温度的变化而产生的空调富余量直接影响节电率或者说节电度数的绝对值。不同机房的 工况环境条件与节电率大小也是有密切关系的。 根据上海电信机房近几年的空调用电数据统计， 1 台 3.2 万大卡的空调，夏季耗电 190度 /天，冬季耗电 133 度 /天。全年平均耗电 153 度 /天。夏季比冬季耗电量高 40%左右。下表数据可见，不同季节的节电率是不同的，而且节电度数的绝对值也是不同的。事实上，白天和晚上的耗电量都是不同的。 环境季节 空调大卡量 /台 用电度数 /天 节电率 % 节电数（度） 夏季 3.2 万 190 11 20.9 冬季 3.2 万 133 30 39.9 秋季 3.2 万 146 20 29.2 春季 3.2 万 142 25 35,5 全年平均 3.2 万 153 21.5 31.6 2、跟踪机房区域环境温湿度，使空调更“聪明” 是节约能源的途径之二 自动跟踪机房“各区域”内真实的温湿度数据值，控制空调的“去湿”、“加湿”等功能，让空调始终处于合理的工作状态，避免做“无用功”。具体的办法是： 首先将自适应节能监控器通过数据三通与原空调监控平台并联，不影响原监控系统的正常工作。 4 系统结构如图： 一、 机房平面环境温湿度监测点分布示意图 1 2 3 4 - n 列 程控交换机机架 温湿度数据采集传感器 程控交换机防震架 空调顶部的温湿度数据采集器 机房专用精密空调 室外温湿度数据采集传感 器 自 适 应 控 制节能系统 数据采集器 空调节能监控器 网络信号 转换器 通信协议 转换器 室内各 温度区域 环 境温 湿 度监测器 动力监控中心平台 空调 3 室外环境 温度监测器 空调 2 空调 1 空调 4 室内各 温度区域 环 境温 湿 度监测器 5 由于建立了这些虚拟的机房“温度区域”，空调可以有的放矢，按需供冷，不会发生由于某一点的伪信息，而让整台空调机组产生误动作。 3、在目标温湿度值控制范围内，让空调作节能控制 是节约能源的途径之三。 过去专用空调的控制，大部分是在 22 2 ,50 5%，其实国标控制值是 23 2，40 70%。 下图是以湿度控制为例，说明专用空调节电的方法。 改变手动设置压缩机频繁工作的状况，让空调湿度设置点，在目标值内尽可能与环境湿度接近，从而大大节约了空调用电度数。 6 4、“ N+1”台空调富余量的自动控制，而且自动优先排序 是节约能源的途径之四。 根据“空调组群”里“ N+1”台空调所产生的制冷量总和，自动判断空调需要“ n+1”或者“ n-1”的物理位置，控制其合理的开启或关闭状态，达到节约能源的效果。 温度与颜色的对应关系计算机模拟温度的简单实况图显示 开启 5 台 空调数量， 不合理 的排序效果冷量分布不均衡、效率低、浪费能源同一个机房计算机温度模拟图 112345 7 开启 4 台 空调数量， 合理 的排序效果冷量分布均衡、效率高、节约能源同一个机房计算机温度模拟图 21245 机房内发热源（交换机、计算机）的分布是不均衡的，所以“空调组群” 里的每台空调所对应区域的制冷负荷量必然是不同的。对“空调组群”实现自动控制，而且自动优先排序，使冷量利用效率最大化是有效的节能措施，也是确保机房恒温恒湿工作环境的技术保障。 六、专用空调自适应恒温恒湿节能监控系统的安全和节能优点 通过上述技术措施，可以达到以下效果： 1、有效降低机房内环境的温差 t，提高机房整体 恒温恒湿效果，确保机房内通信设备的安全性，降低主设备故障率。 2、自动控制空调温湿度数据设置值，自动优化空调工作性能和状态，控制“空调群”的组合使用效率，减少空调不合理的耗电量部分。 3、自动优化和控制空调压缩机合理的负荷运行状态，延长了空调使用寿命。 七、试验数据： 上海电信公司南区电信局某机房 对机房自身 2 年内的 7 个半月 同季节 用电度数和节电率的统计 （使用空调数量 5 台 3.2 万大卡力博特空调） 8 统计 时间 电表读数 （ 60 倍率） 总用电数 用电天数和 节能监控使用 节电度数 节电率 % 2003 年 12 月 30 日 2 180120 度 195 天 无节能监控 56004 度 31.09% 2004 年 07 月 13 日 3004 2004 年 12 月 30 日 5134 124116 度 195 天 使用节能监控 2005 年 07 月 13 日 7203 9 上海电信公司浦东电信局某机房 空调数量临界、“自动排序”、“湿度”控制等试验数据 2005 年 9 月 试验开始时 间 试验结束 日 期 试 验 方 法 机房内有空调数量 空调实际使用数量 开机空调序列编号 9 月 23 日 9 月 27 日 机房自身 比 较 法 6 台 3 台 3#,4#,5# 外界温度天气预报 监控状况 电度表读数（ 80 倍率） 用电累计 9 月 23 日 22 28 无 时间 08:22 562.8 折算 1 天 平均用电 564 度 9 月 26 日 24 28 时间 13:00 585.3 计算机温度模拟技术，“自动排序”判断出空调使用数量不变，改变开机空调编号 ,冷量利用最大化效率试验数据。 开机空调序列编号 3#,4#,6# 9 月 26 日 22 29 无 时间 13:00 585.3 1 天 平均用电 458 度 9 月 27 日 22 30 时间 16:46 592.4 平均一天节电 106 度，节电率 :18.75% 节电率分析 : 1.空调制出的冷量， 其温度场的建立、风量扩张方向等对交换机的冷却作用，得到最好的有效应用。 2.以上试验数据是在不使用温度变设定技术的条件下，根据计算机温度模拟排序技术，观察改变使用空调机编号后的节能效果。 试验开始时 间 试验结束 日 期 试 验 方 法 机房内有空调数量 空调实际使用数量 开机空调序列编号 9 月 28 日 9 月 30 日 机房自身 比 较 法 6 台 3 台 3#,4#,6# 外界温度天气预报 监控状况 电度表读数（ 80 倍率） 用电累计 9 月 28 日 24 28 有 时间 13:30 597.4 折算 1 天 平均用电 488 度 9 月 29 日 23 30 时间 13:30 603.5 在同样使用空调编号 3#,4#,6#的情况下，观察控制“湿度”后的节电效果试验。 折算 1 天 平均用电 523 度 9 月 29 日 23 30 无 时间 13:30 603.5 9 月 30 日 24 32 时间 13:45 610.1 “去湿”控制，平均一天节电 35 度，节电率 %:6.61% 节电率分析 : 1. 控制“去湿”的节电效果 6.61%应该大部分是晚上的体现。因为白天高温时，空调压缩机本身必须制冷，可见“去湿”效果是明 显的。 2. 上述“自动排序”和“去湿”变设定的节电率之和是 25.36%。 10 八、结