CN102821581A - 一种通信机房节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通信机房节能方法。该方法首先预测机房设备散热量Q1和机房围护结构传热量Q2；然后据此计算空调制冷量需求P，其中P＝Q1+Q2；最后根据空调制冷量需求P确定机房空调运行策略和参数，包括空调开启数量和轮换机制以及空调制冷温度设置。该方法还实时监测机房温度变化趋势并据此动态调制空调制冷温度设定值。通过实施本发明的方法，不仅可以显著减少机房空调能耗，而且方便电信运营商实时掌握下属机房空调工作状态和能耗情况，根据各机房具体情况还可以动态调整其空调控制算法，以便不断优化节能效果。

Description

一种通信机房节能方法

技术领域

本发明涉及通信机房节能方法和系统，尤其涉及移动通信基站机房的节能方法和系统。

背景技术

随着中国经济的持续发展，能耗问题越来越成为影响我国经济能否长期保持繁荣的关键因素。通信行业既是高科技产业，同时也是一个高能耗行业。通信机房尤其是基站机房内通常面积狭小、通信设备密度高而且常年不间断连续工作，为保障通信网络正常工作，需要将机房内温湿度控制在一定范围。除了极少部分高寒地区，对于我国大部分区域的通信机房常年需要采取散热措施保障机房温度范围不超过标准。目前通行的做法是根据机房设备总功率和围护结构散热量估算出机房冷负荷，采用夏季冷负荷峰值再加上冗余量估算出所需空调制冷功率，最后据此选用一台或多台空调用以保证室内温度稳定在一个合适范围，且空调只设置夏、冬两套运行参数。这样做的弊端显而易见，空调制冷量配置在一年大部分时间里远远高于实际需求量，而且空调常年运行，为了保证在夏季最炎热的时间段仍能满足机房温度要求，通常空调设置的制冷温度都较低，这样做不仅消耗大量电能而且效率低下，有统计数据表明，在我国很多地区空调耗电量占整个机房总耗电量的50％以上。

近年来出现一类基站机房节能改造技术，即利用冬季和春秋过渡季节室外环境温度通常低于机房内温度的特点，采用安装热交换器或直接通风系统的办法，利用室外空气自然冷量对机房室内环境进行降温。这种方法在气候合适的地域可以减少空调压缩机工作时间，达到降低能耗的目的。但是这种方法同样存在一些问题：

原本封闭的机房环境安装热交换或通风节能系统时需要在外墙上开孔，可能带来安全、防尘、防水、防潮等新隐患；

此类系统工作机制简单，通常在室内外温差达到预设值时启动，同时通过简单联动功能停止空调运行。在季节交替时会发生节能系统和空调频繁切换，造成空调故障率升高、节能效果差甚至反而增加了能耗；

引入热交换型或通风型节能系统后增加了机房运维潜在故障点，而且此类系统大多缺少自身运行状态远程监控功能，也没有特殊情况下的应急处理方案，导致一个部件故障就引起系统工作紊乱，严重影响机房环境安全；

此类系统为了保证节能效果，必须定期到现场清洗或更换风机过滤网，给机房运维带来新的工作量，在很多空气质量不好的区域使用时此项矛盾更加突出。

中国专利200910107311.7提出一种多散热装置智能联动的节能控制系统，该发明由主控模块控制风机组和加热器，并通过RS232/485接口连接传感器模块、空调控制模块以及上位机，以期达到根据传感器反馈的机房环境参数控制空调、风机、加热器智能联动的节能目的。但是该专利未涉及控制空调、风机、加热器智能联动的具体步骤和方法，而且系统中的上位机位于受控机房本地，不能实现远端集中控制。

本发明针对目前通信机房特别是基站机房的空调控制存在的问题，提出一种方法通过动态地、智能地调整机房空调运行参数来达到节能减排目的。

发明内容

本发明提出一种通信机房节能方法，该方法首先预测机房设备散热量Q1和机房围护结构传热量Q2；然后据此计算空调制冷量需求P，其中P＝Q1+Q2；最后根据空调制冷量需求P确定机房空调运行策略和参数。

所述机房设备散热量Q1的预测根据以下公式计算：Q1＝Q0*λ*η，其中Q0是机房设备额定功耗，λ是设备负荷率，η表示设备等效热能/功耗转换率。Q0和η是设备属性参数，λ取决于设备当前的业务负荷，而当前时段的业务量通过查询数据库记录的业务量历史数据预测。

所述机房围护结构传热量Q2的预测根据以下公式计算：Q2＝R*(Tin-Tout)；其中R表示围护结构的传热系数，其值取决于机房面积、高度、墙体厚度、墙体材料等因素；Tin表示机房室内温度，由现场温度传感器实时监测获得；Tout表示机房所在地室外温度，由以下任一种方式获得：现场温度传感器实时监测获得；由数据库记录的当地历史气温数据并结合24小时气温变化规律预测获得；即时查询天气预报数据结合24小时气温变化规律预测获得。

所述机房空调运行策略包括空调开启数量，当开启数量小于机房配置的空调数量时还包括机房空调轮换开启的机制。其中空调开启数量为大于或等于P/P0的最小整数，其中P0为单台空调的制冷功率；空调运行参数包括空调的制冷温度Tt，按照下式计算Tt＝TH-Δt，其中TH是机房温度控制要求的上限，Δt是随季节变化而变化的温度控制保护区间值，夏季较高而冬季较低。

本发明方法还通过现场部署的温度传感器实时监测机房温度，跟踪记录温度变化趋势，在发现该变化有向上超过Tt的趋势时发出预警信号并将Tt调低1℃，相反在发现该变化有持续向下远离Tt的趋势时将Tt调高1℃。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是通信机房散热示意图。

图2是本发明系统架构图。

图3是机房空调集中管理平台功能框图。

图4是机房空调控制逻辑流程图。

图5是是机房空调智能控制器功能框图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

图1给出了通信机房散热示意图，机房内设备工作时会不断产生热量Q1，同时由于机房室内温度Tin和室外温度Tout的差异导致机房围护结构(四周墙体、门窗)产生热传导Q2，Q1和Q2之和即为机房空调需要提供的制冷量P，由公式(1)表示。

P＝Q1+Q2                            (1)

其中，Q1在目前的实际工作中通常粗略地以机房内设备总功耗Q0代替，即用各设备的工作电压乘以设备输入电流得出每台设备功耗并累加。但是本行业的技术人员应该理解，电子设备的功耗并不是在运行过程中完全转换成热能释放出来了，而是只有部分功耗由于电流热效应转换成热能释放出来，并且实际运行过程中设备并不是总处在满负荷工作状态，因此Q1一定小于Q0而且在大多数情况下是远小于Q0的，具体可由下式表示：

Q1＝Q0*λ*η                        (2)

其中λ表示设备负荷率，η表示设备等效热能/功耗转换率。由此可见，目前实际工作中用设备总功耗来估算机房空调制冷量需求导致很多机房空调配置大大超过实际需要，这就意味着通过精细控制空调运行参数应该可以节省大量电能消耗。(1)式中Q2表示的围护结构散热量，该值与室内外温差有关，正值表示机房通过围护结构向室外传递的热量，负值表示通过围护结构由室外向室内传递的热量，具体由下面公式(3)表示：

Q2＝R*(Tin-Tout)                    (3)

其中R表示围护结构的传热系数，其值取决于机房面积、高度、墙体厚度、墙体材料等因素。

通过上面的分析可见，为保证机房室内温度保持在设备要求的范围，需要机房空调提供的制冷量是动态变化的。这是由于电信设备每天在忙、闲时间段的负荷变化导致设备的热耗散功率Q1随之变化；同时室外温度在一年四季每天24小时都是变化的，这导致通过机房围护结构传导的热功率Q2也是动态变化的。因此，如果能够综合考虑设备工作负荷、室内外温度变化、机房大小、机房类别，通过一个智能系统实时跟踪机房热负荷变化，动态调整空调运行参数，使空调在满足负荷需求的前提下及时定量供给制冷量，做到“按需供应”，实现空调的智能节能运行，就一定能够节省大量电能、提高能源的利用率。进一步地，有些机房由于设备多、设计时考虑了较多余量，使得机房配置了多台空调，但多台空调之间只是运行参数一至但缺少联动控制，此时上述智能系统可以根据机房热负荷情况实时控制多台空调轮换工作或同时工作，达到节能目的。

图2即给出了一种通信机房空调智能控制系统架构，其中包括一个空调集中管理平台和多台机房空调智能控制器，管理平台和远端机房空调智能控制器通过通信网络保持通讯连接。管理平台通过远端的机房空调智能控制器实现对下属所有机房空调的集中控制管理，包括获取机房空调智能控制器上报的机房环境参数、根据预设的空调控制逻辑动态调整空调运行参数、下发控制指令至机房空调智能控制器、集中展示下属各机房环境参数和空调运行状况、对下属机房进行能耗统计分析等等。机房空调智能控制器通过传感器实时采集机房环境参数并上报给集中管理平台，接收管理平台下发的控制指令并据此完成空调运行参数的动态调整。

如图3所示，空调集中管理平台包括以下几个功能单元：

接口适配单元，负责基于TCP/IP协议或短信SMS完成管理平台和机房空调智能控制终端以及其它通信网络单元(如短信网关服务器)之间的通信，完成管理平台和机房空调智能控制器之间交互消息的封装与拆封。

数据库单元，由多个逻辑数据库组成，包括机房空调管理数据库、机房环境管理数据库、机房能耗数据库。机房空调管理数据库存储并管理下属所有机房空调的基本设备参数、历史运行参数，如厂商品牌、型号、功能参数、出厂日期、启用时间、历次参数调整时间和调整的参数值等等。机房环境管理数据库存储并管理下属所有机房环境基本参数、环境参数历史记录、环境告警历史记录等。机房能耗数据库存储并管理下属所有机房能耗的历史记录。

终端管理单元，负责管理下属所有机房配置的空调智能控制器，包括空调智能控制器注册、登陆、远程升级、状态上报、环境参数上报、控制指令下发等。

机房环境管理单元，负责下属所有机房基本属性登记、变更记录、管理机房环境参数控制目标、机房环境参数实际采集结果等。

空调控制逻辑单元，负责按照预先设计的控制逻辑，根据机房现场实时采集的环境参数、机房所在地的室外环境温度、机房设备当前预计的散热量、机房围护结构传热系数和机房环境参数控制目标决定当前机房空调控制参数并通知终端管理单元。

能耗统计分析单元，负责按照用户要求完成机房能耗的统计、生成并输出统计报表。该统计涉及的机房可按照地域、能耗大小、重要性高低等属性或手动灵活选择，统计起止日期可由用户定义。

其中的空调控制逻辑单元是本发明系统节能效果如何的关键，图4给出了其控制流程图。通过周期性运行此流程，空调集中控制平台可对下属各机房空调进行动态控制，实现节能运行，确保机房内的温度保持在设定范围。该控制流程包括以下步骤：

预测机房设备散热量。先根据日期和当前时间，由数据库记录的业务量历史数据预测当前业务量，并由此估算出设备负荷率λ，最终由数据库记录的设备基本属性(额定功率Q0和设备等效热能/功耗转换率η)预测设备散热量Q1。

预测机房室外温度。根据日期和当前时间，由数据库记录的当地历史气温数据或即时查询天气预报数据结合24小时气温变化数据预测当前机房室外温度Tout。也可通过现场温度传感器实时监测获得。

预测机房围护结构传热量。根据数据库记录的该机房属性数据(围护结构热传导率R)以及温度传感器实时监测的机房室内温度Tin，通过公式(3)计算出围护结构传热量Q2。为了更准确地监测机房温度，可在机房关键位置布置多个温度传感器，如接近设备进风口处、设备出风口处、空调进风口附近等，并选用这些采样值的加权平均Tin和最大值TinMax作为确定空调控制策略和运行参数的依据。

预测空调冷负荷即制冷量需求。由上述1)、3)步骤的结果通过公式(1)计算出空调制冷量需求P。

确定空调控制策略和运行参数。

首先根据机房空调配置情况和制冷量需求P决定开通几台空调制冷，假设每台空调制冷功率为P0，则开通空调数量N为：

N＝ROUNDUP{(P/P0)，0}                        (4)

式中ROUNDUP(X，0)为向上取整函数，即取大于或等于X的最小整数。

如果N小于机房配备的空调数量Nmax，则采用轮换使用的策略，保证几台空调平均承担机房的制冷负荷，延长空调压缩机使用寿命。

对于运行的空调，应在保证机房温度不超标准的前提下尽量设置较高的制冷温度，假设机房温度控制标准为TL≤Tin≤TH，则设置空调制冷温度Tt＝TH-Δt，Δt是为了防止因空调制冷响应滞后造成温度超标而设置的保护区间，可考虑季节变化因素设置1℃-3℃的保护区间初始值，夏季较高而冬季较低。

空调控制逻辑单元在执行上述控制步骤的同时还通过现场部署的温度传感器实时监测机房温度，在任何一个采样点的监测温度超过TH时即时检查空调运行状态，如果此时空调关闭则马上启动，如空调已经处于运行状态则将Tt调低1℃。管理平台一直跟踪记录温度监测值，并根据上述1)、3)、4)步骤的预测数据得出机房温度变化趋势，在发现该变化有向上超过Tt的趋势时发出预警信号并将Tt调低1℃，相反在发现该变化有持续向下远离Tt的趋势时可将Tt调高1℃。

管理平台在实现时采用分布式、模块化的架构，可视应用规模灵活采用一台或多台服务器群组构成。

机房空调智能控制器部署在每个机房内，图5给出其逻辑功能框图。其中主控单元通过控制与数据总线和通信单元、空调控制接口单元、环境参数采集单元连接，完成各功能单元初始化和工作状态控制，以及各单元之间数据包转发；通信单元根据主控单元的控制指令通过无线网络实现与空调集中管理平台的通信联接，完成智能控制器在管理平台上的注册、登陆、状态上报、环境参数上报以及接收管理平台下发的空调控制指令等操作；空调接口单元根据主控单元的控制指令实现对机房空调的运行参数动态调整，或红外接口电路实现对机房空调的控制功能，如果机房配置的是工业级精密空调，可通过RS485或RS232接口连接空调控制口，然后采用空调厂商体提供的私有控制协议实现对空调的控制，如果是一般民用空调，则通过红外收发电路和空调的红外控制口连接，先通过红外接收电路和空调红外遥控器对接学习并记录其空调控制按钮的功能，然后空调智能控制器即可通过红外发射电路模拟一个红外遥控器完成对空调的控制；环境参数采集单元通过信号线连接前端环境传感器，如温湿度传感器，在主控单元的控制下完成机房环境参数的定时采集上报。

以上主要以温度控制为例说明本发明的技术方案，对于机房湿度控制，可按照相似方案实现，在此不再赘述。

通过实施本发明的方法，不仅可以显著减少机房空调能耗，而且方便电信运营商利用现有通信网快速组建机房空调远程集中控制系统。通过该系统可实时掌握下属机房空调工作状态和能耗情况，根据各机房具体情况还可以动态调整其空调控制算法，以便不断优化节能效果。实施本发明不需要破墙开洞，工程量小、大大减少后期维护工作量，不会给主运营网络引入新的系统故障点。

不脱离本发明的范围和构思，上述机房节能方法可以做出多种改变和变形。本发明的范围由所附权利要求书确定。

Claims (8)

1.一种通信机房节能方法，其特征在于，该方法首先预测机房设备散热量Q1和机房围护结构传热量Q2；然后据此计算空调制冷量需求P，其中P＝Q1+Q2；最后根据空调制冷量需求P确定机房空调运行策略和参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机房设备散热量Q1的预测根据以下公式计算：Q1＝Q0*λ*η，其中Q0是机房设备额定功耗，λ是设备负荷率，η表示设备等效热能/功耗转换率。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述机房设备散热量Q1的计算公式中，Q0和η是设备属性参数，λ取决于设备当前的业务负荷，而当前时段的业务量通过查询数据库记录的业务量历史数据预测。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机房围护结构传热量Q2的预测根据以下公式计算：Q2＝R*(Tin-Tout)；其中R表示围护结构的传热系数，其值取决于机房面积、高度、墙体厚度、墙体材料等因素；Tin表示机房室内温度，由现场温度传感器实时监测获得；Tout表示机房所在地室外温度，由以下任一种方式获得：

1)现场温度传感器实时监测获得；

2)由数据库记录的当地历史气温数据并结合24小时气温变化规律预测获得；

3)即时查询天气预报数据结合24小时气温变化规律预测获得。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述机房空调运行策略包括空调开启数量，当开启数量小于机房配置的空调数量时还包括机房空调轮换开启的机制。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述空调开启数量为大于或等于P/P0的最小整数，其中P0为单台空调的制冷功率。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空调运行参数包括空调的制冷温度Tt，按照下式计算Tt＝TH-Δt，其中TH是机房温度控制要求的上限，Δt是随季节变化而变化的温度控制保护区间值，夏季较高而冬季较低。

8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，通过现场部署的温度传感器实时监测机房温度，跟踪记录温度变化趋势，在发现该变化有向上超过Tt的趋势时发出预警信号并将Tt调低1℃，相反在发现该变化有持续向下远离Tt的趋势时将Tt调高1℃。

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