(中国银联股份有限公司)
摘要：机房为企业、工业园区数据中心的核心硬件设施，随着信息化工作方式的普及，机房运行负荷不断增加，引发机房运行高耗低能的问题。本文结合中国银联园区机房资源整合改造项目信总机房工程实施经验，分析机房节能改造设计方案及有关技术要点，通过机房节能改造，长期发挥机房节能效益，并辅助机房运行效率提升。
关键词：信总机房工程；节能改造；空调系统
引言：信总机房体系中安装大量高精密信息处理、通信设备，其运行过程中对环境温湿度、空气洁净度以及动力供应稳定性等有严格要求，因此机房配备完善的空调系统、供电系统及相关辅助系统等，存在较高的运行耗能。可持续发展理念的深入使得机房工程建设在关注性能的同时，更加强调其节能水平。因此在机房改造及新机房建设过程中，需严格依照建筑节能标准进行方案设计。为进一步提升机房节能改造水平，需要对有关技术经验进行总结。
1案例背景简介
中国银联园区机房资源整合改造项目信总机房工程依照中国银联股份有限公司业务发展规划，对现有机房工程进行改造升级，以满足大规模线上业务部署对机房硬件系统的需求。综合分析业务部门增长需求，本次机房环境改造工程共计700m2，工程实施内容包括强电、弱电、接地、微模块、环控等系统，主要施工作业为拆装、修复及完善，同时开展检验测试、设备调试、试运行、验收移交等工作。
信总机房节能改造模块的方案设计如下：在700m2机房内，安装9套微模块系统、300台机柜、58台精密空调、15台室外水氟转换设备；精密配电柜设计为5kW水平，精密空调设计为30kW水平，单台微模块空调制冷能力冗余设计按照N+1的原则进行。该机房为A级生产机房，因此服务器机柜电源供给设计为2N，配备UPS系统及柴油发电系统，保证机房供电稳定。
机房节能改造过程中，积累大量具备普遍意义的技术经验，现对其进行分享。
2信总机房工程节能改造需求分析
2.1信总机房高耗问题
节能改造方案设计之前，调查当前信总机房的耗能情况，主要针对其空调系统展开，发现如下突出问题：第一，机房专用空调系统的送风口位置存在遮挡，信总机房空调系统采用上送风的方式，在机房内部，若机柜等设备高于送风口，则会引发送风口被挡问题，冷气通过障碍物被反送回空调系统内部，使系统监测到的机房环境温度低于真实情况，压缩机未被触发，导致制冷效果降低[1]。第二，本工程信总机房面积较大，机房宽度长，由于空调设备均安装在机房同侧，导致其制冷距离延长，也在一定程度上影响了制冷效果的发挥。第三，信总机房已服务多年，建设初期，并未充分考虑到机房节能属性，因此未对机房内的气流组织做有效布局，在调查中发现，机房内存在设备布局不合理、送风方向混乱等问题。第四，机房内存在明显的冷热不均现象，局部空间过热。信总机房内安装空调设备的数量要明显高于环境需求，但由于机房内各类信息化设备在运行时功率不同，加之排布方式未做有效协调，导致机房内设备运行功率分布不均，本身即存在局部过热的问题。由于空调系统安装与机房设备功率分布特点无法相互适应，引发冷热不均问题。
2.2信总机房耗能结构
信总机房节能改造需明确机房耗能结构，进而分析存在节能降耗空间的项目，针对性设计节能改造方案。信总机房硬件设施系统可分为信息及网络设备、供电系统、UPS系统和空调系统四个模块，耗能主要为电能和水资源，其中电能消耗主要发生在各类信息设备运行消耗、空调系统、照明系统等；水资源则主要被空调系统所应用。结合中国银联园区机房资源整合改造项目信总机房工程及其他项目经验，信总机房内信息类设备能耗约占机房总能耗的40%～50%，其次为空调系统，约为35%～40%，电源系统能耗在总能耗的8%～10%左右，照明系统等其他用电单元的总体消耗不超过总能耗的5%。在信总机房节能改造设计中，重点改造对象应为信息类设备、空调系统及电源系统。其中，信息类设备的选择首先应满足线上业务发展需求，因此本文主要对空调系统及电源系统的节能改造设计进行研究。
3信总机房工程节能改造设计方案
3.1空调系统节能改造
3.1.1节能设计要点
第一，信总机房需使用机房专用空调设备，结合机房实际运行需求，确定其制冷量。本工程中，将机房原有的低效、问题空调设备全部淘汰，新安装58台精密空调，并将其功率等级设定为30kW，在达到机房环境调节需求的同时，通过空调系统运行效率提升，提高节能效果。
第二，合理应用EC风机节能改造技术。EC风机节能效果明显，可较AC风机节能20%左右。
EC风机配备直流无刷变频电机，增加永磁体励磁可有效消除感应电机励磁电流带来的电能损耗[2]。该类电机采用同步运行方式，可同时避免转频损耗的出现。综合看来，永磁无刷直流电机的运行效率要远大于常规的感应电机。在使用该节能技术时，需重点关注以下问题：一是保证EC风机投资回收年限高于空调设备剩余使用年限；二是结合机房空间条件，选择是否引入该技术，主要是由于EC风机改造难度要明显高于送风口改造。
第三，在空调系统内引入水处理技术，提高系统供水质量，降低结垢、腐蚀等现象的发生程度，以此来提高既定条件下的空调制冷效果。如本工程在室外安装15台水氟转换设备，用以空调系统供水处理。
第四，优化机房内气流组织。本工程信总机房内部存在较严重的气流组织混乱问题，因此在空调系统节能改造中，重点开展气流组织优化设计工作，具体设计方案介绍如下：①调整以往上送风方式为下送风，设置送风距离不超过15m，本工程实施内容中包括机房机柜底板下钢支架作业，过程中对钢支架高度进行调整，保证结合机房地板的架空高度在500mm以上，以提高机房内气流流通效果。②本工程信总机房内机柜功耗分布不均，对功耗小于4kW的机架，转换为下送风方式，将冷气流直接通入机柜内进行冷却处理。③将精密空调与机柜同设置在微模块内部，由精密空调自外部环境引入新风，经冷却处理后输入微模块，冷气再由服务器机柜完成冷却后返回至环境的循环，降低风机运行损耗。
3.1.2具体改造方案
以信总机房节能改造中送风底板内部气流组织的优化为例，对具体改造方案进行分析。架空地板下送风方式可有效提高空调系统冷却效果，以平衡单位机房运行负荷增加而产生的热量增长。常见地板钢支架安装方式有面对面、冷热通道等，但由于地板下部易囤积灰尘，会给机房后期运行维护造成一定困难，且地板下的气流组织控制难度大，无法精确控制各送风口的风量大小。
搭建送风形式模拟模型，分析机房地板及挡板高度与送风量之间的关系。分析发现，当送风地板高度变化时，机房风量随之发生明显变化。当高度增幅达到1.4m时，其对前机柜的送风量也产生明显影响，继续增加地板高度，该影响逐渐消失，另外当挡板高度达到0.8m时，其气流分配效果达到最佳[3]。因此决定在机房内安装挡板，要求挡板与地板底部紧密连接，达到最佳的气流组织优化效果。
3.2电源系统节能改造
第一，选用高性能的变压设备，以提高信总机房的电能转换效率。
第二，在信总机房电源系统内部配备UPS电源，选用先进的UPS电源设备，同时对电源设备的供电负荷率做合理调整。本工程的UPS电源供电负荷率设置在效率最大的负荷点上，同时引入通信电源休眠技术，结合机房系统运行需求调整电源运行状态，以达到节能目的。
第三，本工程电源系统节能改造方案中添加柴油发电机组，其电压等级为10kV，改造后，机组电压提升至原来的25倍，运行过程产生的线损也降低至原来的2‰，发电机组的有效输出功率增加明显，同时可降低发生在线缆上的电能损失。
第四，将变压器设置在负载集中位置，以缩短低压出线线缆长度，减少线损。
第五，电源系统内产生的谐波现象会导致变压器发生铜损、铁损或杂散损耗，新安装的柴油发电机组阻值要明显大于市电，因此其在负载作用下更易引发谐波问题，并增加电压畸变程度，带来柴油机输出电压不稳的现象。以上现象的治理可通过低压配电系统谐波治理技术实现。
3.3其他节能改造技术
除受信息类设备、空调系统等主要耗能单元外，信总机房建筑本身也会对其运行能耗产生一定影响。在机房建筑改造设计上，应强化建筑密封性及保温性。例如，对机房建筑门窗做隔热封堵处理，避免太阳辐射过多干扰机房内部热量循环；对于存在换气需求的机房，可安装新风系统，避免直接开窗通风；机房运行过程中，严格控制人员流动，确保机房门自动保持密封状态；在机房建筑外墙设置隔热保温材料，具体材料选择需根据机房所在地的气候特点确定，如在南方地区多选用隔热材料，而北方则以散热材料为主。
结论：信总机房节能改造的设计要点在空调系统及电源系统上，同时配合一定的机房建筑节能技术，多角度入手优化机房耗能结构，在为机房内各类高精密设备创造良好运行环境的同时，提高信总机房节能效果，实现可持续发展目标。
参考文献：
[1]林燕群.数据中心机房节能改造精确送风技术应用[J].广东土木与建筑,2019,26(07):99-101.
[2]边茂宣,郭勇.老旧通信机房节能方案探究[J].山东通信技术,2019,39(02):45-47.
[3]吕鹏程.通信机房节能的改造与提升[J].信息通信,2018(09):231-232.