通信機房專用空調(diào)自適應(yīng)節(jié)能監(jiān)控技術(shù)

1 通信機房專用空調(diào)自適應(yīng)節(jié)能監(jiān)控技術(shù) 上海市電信有限公司 丁 濤 彭 偉 林國平 黃 江 摘要：分析了專用空調(diào)在使用中存在的問題，介紹了自適應(yīng)節(jié)能技術(shù)的原理和核心技術(shù)，給出了節(jié)能的主要途徑以及實際應(yīng)用的統(tǒng)計和節(jié)電率分折 。 關(guān)健詞：專用空調(diào) 自適應(yīng)節(jié)能 節(jié)能途徑 用電度數(shù) 節(jié)電率 一、概述 作為通信網(wǎng)絡(luò)能源節(jié)能技術(shù)的重要內(nèi)容，通信機房專用空調(diào)自適應(yīng)控制恒溫恒濕節(jié)能監(jiān)控技術(shù)（以下稱自適應(yīng)節(jié)能技術(shù)）是十分有效的。凡是使用專用 空調(diào)的機房，而且機房內(nèi)的顯熱量形成熱島效應(yīng)，采用自適應(yīng)節(jié)能技術(shù)，既可以使機房內(nèi)的溫濕度差值減小，而且可以控制在目標(biāo)值范圍內(nèi)（ 23 2， 40%-70%，詳見 GF014-95 通信機房環(huán)境條件）又可以使節(jié)電率達 20%左右。該技術(shù)安裝簡便，使用方便，一般平均一臺專用空調(diào)投資 1。 4 萬元，對 3 萬多大卡的空調(diào)，每年可節(jié)電費約 1 萬元人民幣，可在一年半收回投資。在近三年多的時間內(nèi)，我們已經(jīng)在 30 多個機房內(nèi)對 200 多臺專用空調(diào)實現(xiàn)了自適應(yīng)節(jié)能控制，效果良好。上海電信有 1200 臺專用空調(diào)機，其節(jié)能前景是十分寬廣的。 二、機房 專用空調(diào)在使用中存在的問題： 1、只利用本空調(diào)機回風(fēng)口傳感器作為數(shù)據(jù)采樣參考點，無法監(jiān)測整個機房內(nèi)的真實環(huán)境溫濕度，數(shù)據(jù)準確性不夠。 2、專用空調(diào)有智能功能，但是在運行中，有時會出現(xiàn)一臺空調(diào)加濕，另一臺去濕；有一臺在制冷，另一臺在加熱的不合理現(xiàn)象。造成不必要的浪費，空調(diào)使用效率不高。 3、由于機房機架排列、建筑結(jié)構(gòu)、線纜走向等客觀因素，空調(diào)機組的氣流組織缺乏優(yōu)化處理，造成溫差大，使用不合理，加大能耗，影響空調(diào)的使用壽命。 三、自適應(yīng)節(jié)能技術(shù)的特點 1、改變 原來的空調(diào)設(shè)置“手動設(shè)定”，為“自動設(shè)定”，提 高專用空調(diào)的控制能力。 2、改變 原來每臺專用空調(diào)的一個回風(fēng)口溫濕度監(jiān)測點，為整個機房平面實時監(jiān)測，提高溫濕度動態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測精度。 3、改變 原來每臺專用空調(diào)“單兵作戰(zhàn) ” 方式，為整個機房專用空調(diào)機組群“團隊作戰(zhàn) ” 形式，提高機組的工作效率。 四、自適應(yīng)節(jié)能系統(tǒng)的核心技術(shù)： 2 1、模糊控制技術(shù)： 自動跟蹤晝夜、季節(jié)、地區(qū)、機房內(nèi)區(qū)域環(huán)境溫濕度值的變化。準確計算通信機房各“區(qū)域”與外部環(huán)境溫濕度值之間的關(guān)系。 2、 PID 技術(shù)： 動態(tài)調(diào)整空調(diào)的設(shè)定溫度、濕度、修正值等參數(shù)，根據(jù)空調(diào)設(shè)備的實時運行狀況，配以智能化的 控制算法軟件，優(yōu)化壓縮機運行周期，平衡空調(diào)設(shè)備供冷量與目標(biāo)溫濕度值之間的關(guān)系。 3、計算機溫度場模擬技術(shù) ： 根據(jù)機房不同的工況條件、空調(diào)冷量分布、風(fēng)量擴張循環(huán)等綜合數(shù)據(jù)，提高優(yōu)化冷量利用效率，排列出空調(diào)優(yōu)先資格順序，達到冷量效率最大化。精確控制“ N+1”“ N+0”、“ N-1”等臺空調(diào)數(shù)量的開啟與關(guān) 閉，使空調(diào)始終處于最佳工作狀態(tài)，有效實現(xiàn)了機房整體環(huán)境的恒溫恒濕，提高通信設(shè)備的環(huán)境安全、 節(jié)約空調(diào)能源消耗、延長空調(diào)機組的使用壽命。 五、 節(jié)約能源的主要途徑 1、利用大自然環(huán)境溫濕度的變化 是節(jié)約能源的途徑之一 大 自然的環(huán)境溫濕度，晝夜、季節(jié)、地區(qū)都在變化，而通信機房發(fā)熱量是不變的，充分利用大自然冷熱對機房熱輻射效應(yīng)的變化，自動改變空調(diào)合理運行所應(yīng)有的溫度和濕度設(shè)置值，減少壓縮機工作時間，控制空調(diào)的總制冷量輸出，做到“按需制冷、供冷” ,節(jié)約空調(diào)的耗電量。準確統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在上海地區(qū)夏季的空調(diào)用電量一般要比冬季高出約 40%左右。采用自適應(yīng)節(jié)能技術(shù)，通過精確控制把大自然溫度變化的能量轉(zhuǎn)化為空調(diào)可節(jié)約的電量部分，這是人工控制做不到的。 通信機房的空調(diào)數(shù)量或者說冷量（大卡）的配置值 n 臺數(shù)，在機房設(shè)計時就已經(jīng)充分考慮到了。其主 要的“冷量峰值”是夏季高溫季節(jié)的最高溫度時段，如午后太陽西曬時，也就是說空調(diào)的制冷大卡量是滿足夏季最高溫度時對通信設(shè)備的冷卻標(biāo)準。加上 1 臺備用空調(diào)機組（即 n+1 臺）大部分時間也會投入使用，因此隨著晝夜、季節(jié)、地區(qū)的溫度變化，空調(diào)制冷富余量幾乎永遠存在，只是大小差異而已。見如下示意圖； 3 上海市2 0 0 5 年6 月8 月最高溫度變化曲線2426283032343638日期溫度曲線溫度6 19 7 3 7 17 7 31 8 1 4 8 28上海市氣象局資料 我們通常講的采用自適應(yīng)技術(shù)平均節(jié)電率 20%是指一年的平均節(jié)電率。由外部環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生的空調(diào)富余量直接影響節(jié)電率或者說節(jié)電度數(shù)的絕對值。不同機房的 工況環(huán)境條件與節(jié)電率大小也是有密切關(guān)系的。 根據(jù)上海電信機房近幾年的空調(diào)用電數(shù)據(jù)統(tǒng)計， 1 臺 3.2 萬大卡的空調(diào)，夏季耗電 190度 /天，冬季耗電 133 度 /天。全年平均耗電 153 度 /天。夏季比冬季耗電量高 40%左右。下表數(shù)據(jù)可見，不同季節(jié)的節(jié)電率是不同的，而且節(jié)電度數(shù)的絕對值也是不同的。事實上，白天和晚上的耗電量都是不同的。 環(huán)境季節(jié) 空調(diào)大卡量 /臺 用電度數(shù) /天 節(jié)電率 % 節(jié)電數(shù)（度） 夏季 3.2 萬 190 11 20.9 冬季 3.2 萬 133 30 39.9 秋季 3.2 萬 146 20 29.2 春季 3.2 萬 142 25 35,5 全年平均 3.2 萬 153 21.5 31.6 2、跟蹤機房區(qū)域環(huán)境溫濕度，使空調(diào)更“聰明” 是節(jié)約能源的途徑之二 自動跟蹤機房“各區(qū)域”內(nèi)真實的溫濕度數(shù)據(jù)值，控制空調(diào)的“去濕”、“加濕”等功能，讓空調(diào)始終處于合理的工作狀態(tài)，避免做“無用功”。具體的辦法是： 首先將自適應(yīng)節(jié)能監(jiān)控器通過數(shù)據(jù)三通與原空調(diào)監(jiān)控平臺并聯(lián)，不影響原監(jiān)控系統(tǒng)的正常工作。 4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖： 一、 機房平面環(huán)境溫濕度監(jiān)測點分布示意圖 1 2 3 4 - n 列 程控交換機機架 溫濕度數(shù)據(jù)采集傳感器 程控交換機防震架 空調(diào)頂部的溫濕度數(shù)據(jù)采集器 機房專用精密空調(diào) 室外溫濕度數(shù)據(jù)采集傳感 器 自 適 應(yīng) 控 制節(jié)能系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集器 空調(diào)節(jié)能監(jiān)控器 網(wǎng)絡(luò)信號 轉(zhuǎn)換器 通信協(xié)議 轉(zhuǎn)換器 室內(nèi)各 溫度區(qū)域 環(huán) 境溫 濕 度監(jiān)測器 動力監(jiān)控中心平臺 空調(diào) 3 室外環(huán)境 溫度監(jiān)測器 空調(diào) 2 空調(diào) 1 空調(diào) 4 室內(nèi)各 溫度區(qū)域 環(huán) 境溫 濕 度監(jiān)測器 5 由于建立了這些虛擬的機房“溫度區(qū)域”，空調(diào)可以有的放矢，按需供冷，不會發(fā)生由于某一點的偽信息，而讓整臺空調(diào)機組產(chǎn)生誤動作。 3、在目標(biāo)溫濕度值控制范圍內(nèi)，讓空調(diào)作節(jié)能控制 是節(jié)約能源的途徑之三。 過去專用空調(diào)的控制，大部分是在 22 2 ,50 5%，其實國標(biāo)控制值是 23 2，40 70%。 下圖是以濕度控制為例，說明專用空調(diào)節(jié)電的方法。 改變手動設(shè)置壓縮機頻繁工作的狀況，讓空調(diào)濕度設(shè)置點，在目標(biāo)值內(nèi)盡可能與環(huán)境濕度接近，從而大大節(jié)約了空調(diào)用電度數(shù)。 6 4、“ N+1”臺空調(diào)富余量的自動控制，而且自動優(yōu)先排序 是節(jié)約能源的途徑之四。 根據(jù)“空調(diào)組群”里“ N+1”臺空調(diào)所產(chǎn)生的制冷量總和，自動判斷空調(diào)需要“ n+1”或者“ n-1”的物理位置，控制其合理的開啟或關(guān)閉狀態(tài)，達到節(jié)約能源的效果。 溫度與顏色的對應(yīng)關(guān)系計算機模擬溫度的簡單實況圖顯示 開啟 5 臺 空調(diào)數(shù)量， 不合理 的排序效果冷量分布不均衡、效率低、浪費能源同一個機房計算機溫度模擬圖 112345 7 開啟 4 臺 空調(diào)數(shù)量， 合理 的排序效果冷量分布均衡、效率高、節(jié)約能源同一個機房計算機溫度模擬圖 21245 機房內(nèi)發(fā)熱源（交換機、計算機）的分布是不均衡的，所以“空調(diào)組群” 里的每臺空調(diào)所對應(yīng)區(qū)域的制冷負荷量必然是不同的。對“空調(diào)組群”實現(xiàn)自動控制，而且自動優(yōu)先排序，使冷量利用效率最大化是有效的節(jié)能措施，也是確保機房恒溫恒濕工作環(huán)境的技術(shù)保障。 六、專用空調(diào)自適應(yīng)恒溫恒濕節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的安全和節(jié)能優(yōu)點 通過上述技術(shù)措施，可以達到以下效果： 1、有效降低機房內(nèi)環(huán)境的溫差 t，提高機房整體 恒溫恒濕效果，確保機房內(nèi)通信設(shè)備的安全性，降低主設(shè)備故障率。 2、自動控制空調(diào)溫濕度數(shù)據(jù)設(shè)置值，自動優(yōu)化空調(diào)工作性能和狀態(tài)，控制“空調(diào)群”的組合使用效率，減少空調(diào)不合理的耗電量部分。 3、自動優(yōu)化和控制空調(diào)壓縮機合理的負荷運行狀態(tài)，延長了空調(diào)使用壽命。 七、試驗數(shù)據(jù)： 上海電信公司南區(qū)電信局某機房 對機房自身 2 年內(nèi)的 7 個半月 同季節(jié) 用電度數(shù)和節(jié)電率的統(tǒng)計 （使用空調(diào)數(shù)量 5 臺 3.2 萬大卡力博特空調(diào)） 8 統(tǒng)計 時間 電表讀數(shù) （ 60 倍率） 總用電數(shù) 用電天數(shù)和 節(jié)能監(jiān)控使用 節(jié)電度數(shù) 節(jié)電率 % 2003 年 12 月 30 日 2 180120 度 195 天 無節(jié)能監(jiān)控 56004 度 31.09% 2004 年 07 月 13 日 3004 2004 年 12 月 30 日 5134 124116 度 195 天 使用節(jié)能監(jiān)控 2005 年 07 月 13 日 7203 9 上海電信公司浦東電信局某機房 空調(diào)數(shù)量臨界、“自動排序”、“濕度”控制等試驗數(shù)據(jù) 2005 年 9 月 試驗開始時 間 試驗結(jié)束 日 期 試 驗 方 法 機房內(nèi)有空調(diào)數(shù)量 空調(diào)實際使用數(shù)量 開機空調(diào)序列編號 9 月 23 日 9 月 27 日 機房自身 比 較 法 6 臺 3 臺 3#,4#,5# 外界溫度天氣預(yù)報 監(jiān)控狀況 電度表讀數(shù)（ 80 倍率） 用電累計 9 月 23 日 22 28 無 時間 08:22 562.8 折算 1 天 平均用電 564 度 9 月 26 日 24 28 時間 13:00 585.3 計算機溫度模擬技術(shù)，“自動排序”判斷出空調(diào)使用數(shù)量不變，改變開機空調(diào)編號 ,冷量利用最大化效率試驗數(shù)據(jù)。 開機空調(diào)序列編號 3#,4#,6# 9 月 26 日 22 29 無 時間 13:00 585.3 1 天 平均用電 458 度 9 月 27 日 22 30 時間 16:46 592.4 平均一天節(jié)電 106 度，節(jié)電率 :18.75% 節(jié)電率分析 : 1.空調(diào)制出的冷量， 其溫度場的建立、風(fēng)量擴張方向等對交換機的冷卻作用，得到最好的有效應(yīng)用。 2.以上試驗數(shù)據(jù)是在不使用溫度變設(shè)定技術(shù)的條件下，根據(jù)計算機溫度模擬排序技術(shù)，觀察改變使用空調(diào)機編號后的節(jié)能效果。 試驗開始時 間 試驗結(jié)束 日 期 試 驗 方 法 機房內(nèi)有空調(diào)數(shù)量 空調(diào)實際使用數(shù)量 開機空調(diào)序列編號 9 月 28 日 9 月 30 日 機房自身 比 較 法 6 臺 3 臺 3#,4#,6# 外界溫度天氣預(yù)報 監(jiān)控狀況 電度表讀數(shù)（ 80 倍率） 用電累計 9 月 28 日 24 28 有 時間 13:30 597.4 折算 1 天 平均用電 488 度 9 月 29 日 23 30 時間 13:30 603.5 在同樣使用空調(diào)編號 3#,4#,6#的情況下，觀察控制“濕度”后的節(jié)電效果試驗。 折算 1 天 平均用電 523 度 9 月 29 日 23 30 無 時間 13:30 603.5 9 月 30 日 24 32 時間 13:45 610.1 “去濕”控制，平均一天節(jié)電 35 度，節(jié)電率 %:6.61% 節(jié)電率分析 : 1. 控制“去濕”的節(jié)電效果 6.61%應(yīng)該大部分是晚上的體現(xiàn)。因為白天高溫時，空調(diào)壓縮機本身必須制冷，可見“去濕”效果是明 顯的。 2. 上述“自動排序”和“去濕”變設(shè)定的節(jié)電率之和是 25.36%。 10 八、結(jié)