机房节能技术措施探讨

一、概述
能源是发展国民经济和提高人民生活水平的重要物质基础；节约能源是合理有效地利用能源、缓解能源紧缺状况、提高企业经济效益和保护环境的重要措施。在行业中，人们通常把南宁电力变压器比喻为系统的“心脏”。随着我产业的快速发展,南宁电力变压器和空调设备的规模将越来越大,消耗的电能也是一个庞大的数目.南宁电力变压器作为电信运营商运行维护的"心脏",在节能降耗方面具有很大的潜力.电费作为最后一项未被控制的成本,在节能方面更具有紧迫性。

随着由语音为主的时代转为数据为主的时代,人们对系统的稳定性提出了越来越高的要求.相应的,对南宁电力变压器设备而言,其各方面的性能要求也越来越高,否则无法满足网络的高性能要求.同时,随着人们对于环境保护意识的不断增强,以及能源价格的不断上涨,对南宁电力变压器产品在环境保护和节能方面提出了更高的要求。从宏观、全局和经营效益的角度来看，南宁电力变压器似乎显得并不十分抢眼，但从微观和南宁电力变压器专业本身来看，从确保质量、生产安全和财产安全的角度提出高度重视南宁电力变压器的运行管理与应用研究，颇有一定道理。

消耗能源巨大，设备资源丰富，需要精心管理生产用电和确保机房环境温度等用电，所消耗的电能源是巨大的。而且南宁电力变压器设备的种类多、数量多，南宁电力变压器、空调设备资产大约占总资产的3％～5％，在一个拥有雄厚资产的强大企业——中国网通集团公司，南宁电力变压器、空调设备的资产所占设备资产比例是非常高的，因此加强管理，提高使用效率，降低成本，意义重大。

而在机房中，除了杂项用电外，空调用电与用电各占一半。

因此说，节能降耗的能效有多大，很大程度上取决于对机房空调和南宁电力变压器设备的节能降耗改革的成果。

在本文中，我们一起探讨两种途径来实现南宁电力变压器设备的节能降耗。

二、开关南宁电力变压器的关键技术带来节能降耗
开关南宁电力变压器被誉为高效、节能南宁电力变压器，它代表着稳压南宁电力变压器的发展方向。采用开关南宁电力变压器可有效减小功率损耗，通过外部电路还可进一步提高南宁电力变压器的工作效率。

南宁电力变压器，尤其是南宁电力变压器技术发展很快，但它的发展有以下几个特征，以及开关南宁电力变压器技术有四大趋势。这些新的技术和趋势是实现南宁电力变压器节能降耗的重要途径。

（一）南宁电力变压器技术发展的4个特征：

1．南宁电力变压器产品内部各部分技术的发展存在不均衡性
南宁电力变压器产品一般由交、配电单元、整流器单元、监控单元、蓄电池系统等几部分构成,但这几部分的技术发展是不均衡的.其中发展最快的是整流器技术,而配电技术则相对发展缓慢.这样导致了整个南宁电力变压器系统内部各部分的不均衡发展。
2．新型器件和材料得到不断应用
新型器件和材料的不断涌现并被应用到南宁电力变压器产品中。例如碳化硅(SiC)器件和新型磁性材料(如非晶材料)逐步开始应用到用整流器中,DSP芯片也开始在整流器中得到规模应用.更高性能的单片机系统在监控单元中不断得到应用,胶体电池得到大量应用等。
3．功率变换技术不断发展
作为南宁电力变压器的核心部件---整流器在技术上发展最为迅速,各种新型线路技术、开关变换器技术、谐振开关技术、新型软开关技术、功率因数校正技术、环路控制技术、均流技术都在不断迅速发展并在产品中得到商用。
4．新的监控技术不断应用
伴随着计算机技术的发展,一些新型技术也不断在南宁电力变压器产品中得到应用,如CAN总线技术、IP技术、USB技术、基于英特网的组网技术等。这些技术的应用推动了的智能化发展。

（二）开关南宁电力变压器的4种发展趋势：

1、同步整流技术实现高效
从上世纪90年代末期同步整流技术诞生以来，开关南宁电力变压器技术得到了极大的发展，采用IC控制技术的同步整流方案已经为研发工程师普遍接受，现在的同步整流技术都在努力实现ZVS、ZCS方式的同步整流。
从2002年美国银河公司发表了ZVS同步整流技术之后，现在已经得到了广泛应用。这种方式的同步整流系巧妙地将二次侧驱动同步整流的脉冲信号调为比一次侧的PWM脉冲信号的上升沿超前，下降沿滞后的方法实现了同步整流MOS的ZVS方式工作。最新问世的双输出式PWM控制IC几乎都在控制逻辑内增加了对二次侧实现ZVS同步整流的控制端子。例如：Linear公司的LTC3722、LTC3723，INTERSIL公司的ISL6752等。这些IC不仅努力解决好初级侧功率MOSFET的软开关，而且着力解决好二次侧的ZVS方式的同步整流，转换效率可达94%以上。
2、开关南宁电力变压器吹响数字化号角
目前在整个的电子模拟电路系统中，电视、音响设备、照片处理、通讯、网络等都逐步实现了数字化，而最后一个没有数字化的堡垒就是南宁电力变压器领域了。近年来，数字南宁电力变压器的研究势头不减，成果也越来越多。在南宁电力变压器数字化方面走在前面的公司有TI和Microchip。TI公司既有DSP方面的优势，又兼并了PWMIC专业制造商UNITRODE公司，该公司已经用TMS320C28F10制成了通讯用的48V输出南宁电力变压器模块，其中PFC和PWM部分完全为数字式控制。现在，TI公司已经研发出了多款数字式PWM控制芯片。目前主要是UCD7000系列、UCD8000系列和UCD9000系列，它们将成为下一代数字南宁电力变压器的探路者。它们总体上既包括硬件部分，还要做软件编程。硬件部分包括PWM的逻辑部分、时钟、放大器环路的模数转换、数模转换以及数字处理、驱动，同步整流的检测和处理等。
目前在南宁电力变压器领域里的竞争主要还是性能价格的竞争，所以数字南宁电力变压器还有很长的路要走，然而南宁电力变压器领域的数字化的号角已经吹响了。
3、非隔离DC/DC技术迅速发展
近年来，非隔离DC/DC技术发展迅速。目前一套电子设备或电子系统由于负载不同，会要求南宁电力变压器系统提供多个电压挡级。小到台式PC机就要求有+12V、+5V、+3.3V、-12V四种电压以及待机的+5V电压，主机板上则需要2.5V、1.8V、1.5V甚至1V等。一套AC/DC中不可能给出这样多的电压输出，而大多数低压供电电流都很大，因此开发了很多非隔离的DC/DC，它们基本上可以分成两大类。一类在内部含有功率开关元件，称DC/DC转换器。另一类不含功率开关，需要外接功率MOSFET，称DC/DC控制器。按照电路功能划分，有降压的STEP-DOWN、升压的BOOST，还有能升降压的BUCK-BOOST或SEPIC等，以及正压转成负压的INVERTOR等。其中品种最多，发展最快的还是降压的STEP-DOWN。根据输出电流的大小，分为单相、两相及多相。控制方式上以PWM为主，少部分为PFM。
在非隔离的DC/DC转换技术中，TI公司的预检测栅驱动技术采用数字技术控制同步BUCK，采用这种技术的DC/DC转换效率最高可以达到97%，其中TPS40071等是其代表产品。BOOST升压方式也出现了采用MOSFET代替二极管的同步BOOST的产品。在低压领域，增加效率的幅度很大，而且正在设法进一步消除MOSFET的体二极管的导通及反向恢复问题。
4、初级PWM控制IC不断优化
有源箝位技术历经十余年经久不衰，如今已发展为采用电流型控制方式，综合了高边箝位、低边箝位两种控制方案，给出了全新的控制技巧。
随着开关南宁电力变压器的技术不断革新，功率控制技术的不断纯熟，控制电路的不断发展，南宁电力变压器的节能降耗能效日益凸显，成为众多运营商关注的重要元素之一。

三．机房空调系统的节能降耗
机房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。
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；

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。
根据大连网通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。

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。
系统结构如图：

机房平面环境温湿度监测点分布示意图：

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。
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。
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。
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，确保机房内设备的安全性，降低主设备故障率。
2、自动控制空调http://pingdingshan.llzgg.com/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。
由此我们可以得出以下4个结论：
1、根据前面介绍的节能途径和原理，自适应节能技术节电率大小主要取决于空调富余量（相对于机架发热总量）。除了夏季高温时段外，一年四季绝大部分时间内的机房空调富余量是比较大的。
2、空调的富余量，既取决于室外昼夜、季节、地区的气侯变化、又取决于空调机组自身的制冷效率、机房密封性能、机房工况条件等诸多不同因素。
3、不同季节的节电率是不同的，年平均节电率一般约为20%左右。
4、自适应控制专用空调的节能技术，有效解决了机房安全与节能的问题。尤其是避免了为节能而影响机房环境的安全。

四．节能措施
为了迎合新技术和市场的变化达到节能目的，根据省公司的统一部署安排结合实际情况，将设备实占率低开关南宁电力变压器冗余模块多、耗电大的设备，依据设备负载和蓄电池容量的大小，适时关闭冗余模块数量近120块，每年节电近5万元人民币。
由于投入的资金有限，空调设备的节能降耗只能采用有限的方法：
封闭空间减少能量流失；
根据季节、温度变化人工调节温湿度；
改善冷凝器通风环境和保持清洁，减少用电消耗；
通过三线分离改变送风走向和风量。

五．结束语
南宁电力变压器作为的心脏和能源消耗的主要核心，也是节能的主要重点。本着畅通设备完好的思想，利用科学的方法和手段，合理、科学、安全使用调配现有的设备，提高效率达到降耗的目的。