通信机楼DC化改造及能效提升策略研究

张剑麟，田 密，周建军

（1.中国移动通信集团广东有限公司，广东 广州 510623；2.华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引 言

随着大数据和物联网等业务的爆发式增长[1-2]，传统通信网络架构已不能满足未来通信发展的需求。伴随着SDN和NFV技术的发展，全球各大运营商纷纷网络转型。国内3大运营商也提出了各自的网络重构部署计划，包括中国移动NovoNet2020、中国电信CTNet2025和中国联通CUBE-Net2.0。未来网络将以DC为部署核心，构建云网协同的极简和扁平的新型网络架构[3]，以承载未来高密度、通用化、虚拟化的计算、存储和网络资源。这对运营商现有通信机楼提出了巨大挑战[2]。

着眼当下，为满足当前及未来业务发展需求，运营商亟需对现有老旧通信机楼进行DC化升级改造。然而，改造工程规划涉及因素多，如何综合各种因素科学合理地规划改造方案，最大限度地提升机楼装机能力，成为目前需要解决的难题。

1 通信机楼DC化改造存在的问题

（1）市电引入和增容难度大。运营商很多通信机楼位于核心繁华地区，而核心地区电力资源紧张，市电引入和增容申请将受制约，影响机楼DC化改造规划和建设周期。

（2）空调系统安装条件不佳。由于制冷需求增大，现有机楼空调主机、空调管路及冷却塔等对改造空间的需求较高，而安装条件不佳将导致DC化改造难度大。

（3）建筑承重及层高不够。由于现有机楼建设较早、机楼功能定位变化等，机楼部分机房的承重及层高达不到DC化要求，导致部分机房承重及层高DC化改造困难。

（4）改造成本偏高。降本增效是机楼DC化改造的目的之一。如何有效控制DC化改造成本并提升机楼整体能效，需要关注考虑。

2 通信机楼DC化改造目标和原则

2.1 通信机楼DC化改造目标

通信机楼的DC化改造应以建设安全、维护方便、高效能、低成本以及绿色为目标。本文以运营商通信机楼为对象，通过模型构建和能效提升策略进行机楼DC化改造研究，以提升机楼装机能力，满足未来新增业务发展的需求。

2.2 通信机楼DC化改造原则

为更好地匹配业务发展，最大化提升能效及装机能力，并尽可能地规避风险，机楼DC化改造应坚持安全可靠、高效经济、绿色节能以及灵活柔性等建设原则。

2.2.1 安全可靠

通信机楼DC化改造应立足机房现状，重点关注结构安全；合理规划系统架构与配置，做好质量检验、安装及联调测试等环节管理，为DC化机楼提供可靠的动力环境条件，保障机房安全稳定运行。由于是对现有通信机楼进行DC化改造，改造过程中均存在在网设备及相关配套的运行，因此改造过程中保障在网设备及相关配套的安全运行也非常重要。

2.2.2 高效经济

实现电力、空调和空间的最佳匹配，并采用各种先进技术等提高运行效率；为达到降本增效的目的，并有效控制改造建设成本，原则上需尽可能减少通信机楼的改造，应结合具体机楼现有基础设施条件，因地制宜地在电力、空调以及空间等方面进行针对性处理[4]。

2.2.3 绿色节能

绿色节能是DC机楼当前及未来的主流发展趋势，符合国家节能环保相关规定，也符合运营商自身的利益。DC机楼的运营成本中，电费成本占比非常高。合理降低机楼PUE，符合运营商可持续发展要求。

2.2.4 灵活柔性

系统具有灵活性与可扩展性，可适应未来发展变化。规划与建设阶段，方案具有前瞻性，统一规划，分步实施，科学预留，可实现远期平滑扩容。运行阶段，根据实际装机设备与负荷特点灵活调配电力、空调等资源。

3 通信机楼DC化改造模型构建和能效提升策略

3.1 机楼模型构建

3.1.1 模型构建主要条件

构建模型的目的是得出机楼DC化的终期规划配置，而终期规划配置需要结合机楼的业务需求、机房保障等级、机房末端形式和建筑条件等，详见表1模型构建的主要条件。其中，业务需求需要根据DC化改造的机楼定位和业务发展趋势进行预测；保障等级需要结合国家相关DC标准及运营商企业相关标准，根据业务重要程度分级制定；末端形式需要根据技术发展情况灵活应用，如模块化UPS、高压直流电源+市电直供、列间空调以及热管背板空调等；建筑条件需要结合待DC化改造机楼的建筑现状。

表1 模型构建主要条件

3.1.2 模型构建思路

由于业务需求、机房末端形式以及建筑条件的差异，不同DC化改造机楼构建的模型也不同，下面将给出模型构建的思路。

（1）规划机架布局。按照机楼现有建筑平面，结合业务需求和机房末端形式进行机架布局规划。机架规划的原则是尽量不要改变现有建筑的功能分区，即按照现有机房区域规划机架。

（2）确定不同等级业务比例。考虑到机楼存在不同重要程度的业务，相应的业务保障等级也不同，机楼机电配套需要根据不同等级业务比例进行相应配置规划。

（3）规划各楼层小机电配套布局。机架布局规划完成后，可以初步得出各楼层机架的数量和总用电功耗，然后根据各楼层设备用电功耗和机楼不同等级机房比例配置相应末端电源、空调等小机电配套。相比目前业务功耗，DC业务需求功耗整体有较大提升，会造成小机电配套所需空间增加。为尽量减少小机电配套所占空间，可采用新型末端（如高压直流+市电直供），同等容量下所占空间较传统电源小；当原有配套区域空间仍不满足时，可适当占用部分机房区域空间（此时需要考虑机房承重、蓄电池等较重设备尽量不要占用原机房空间），动态调节各楼层机架与小机电配套的配置[5]。

（4）规划机楼大机电配套布局。初步确定各楼层机架及小机电配套布局后，结合不同等级机房要求，可以计算外市电及高压配电、变压器、低压配电、发电机以及空调主机等大机电配置。由于机楼整体能效提升，相应的大机电配套所需空间增大。为保障大机电安装空间，节省母线成本，建议规划改造的变压器及低压配电系统上到楼层。若仍不能满足大机电安装空间，则需要考虑占用部分楼层的空间进行合理布局。

（5）模型优化调整。按照以上思路可以初步构建DC化机楼终期模型，但由于电力、空调以及空间等之间的相互制约关系，需要将初步模型不断进行优化调整[6]。同时，不同机楼现状条件及需求不同，模型构建难度将不同。通信机楼DC化模型构建是一个复杂的过程，需要综合各种因素，不断优化调整，以达到各方面的最优匹配。

3.2 能效提升策略

3.2.1 外市电引入

（1）改造条件。与当地供电部门沟通协商，具备外市电扩容的可能性。

（2）提升策略。根据DC化机楼模型终期规划容量和近期需求容量，结合供电部门供电可能性、扩容经济性等因素，确定申请外市电扩容容量。当业务需求达到终期总装机容量的70%及以上时，外市电引入电源可按终期负荷一次申请建成；当业务需求达到终期总装机容量的30%～70%时，如业务需求较大、电力报装相对困难，可以一次申请建成，如业务需求较小、当地对投产初期负荷率有限制要求的情况下，可以分阶段建设；当业务需求低于终期总装机容量的30%时，外市电引入电源适宜分阶段建设。

3.2.2 变配电系统

（1）改造条件。现阶段业务需求容量超过现有变配电系统容量；外市电满足变配电系统扩容需求；机楼具备扩容变配电系统空间，或者经退网腾出后有扩容空间。

（2）提升策略。根据DC化机楼模型终期规划容量和近期需求容量，确定变配电系统配置。若机楼现有空间满足新增变配电系统扩容，则直接新建即可；若机楼现有空间无法满足新增变配电系统扩容，则根据机楼终期模型腾出相应扩容所需空间后再新建。当业务需求达到终期总装机容量的70%及以上时，变配电系统按总装机容量的70%设置，业务发展迅速的，可以一次建成；当业务需求达到终期总装机容量的30%～70%时，变配电系统原则上按当期容量设置；当业务需求低于终期总装机容量的30%时，变配电系统容量原则上不应超过总装机容量的30%。

3.2.3 发电机组

（1）改造条件。现阶段业务需求容量超过现有发电机配置容量；机楼具备扩容发电机空间或者室外有安装集装箱式发电机空间。

（2）提升策略。①若实际用电需求容量未超过现有发电机容量，则根据实际用电需求和变压器配置相应投入现有发电机；②若实际用电需求容量超过现有发电机容量，同时机楼有预留扩容发电机空间时，则根据实际需求配置扩容相应发电机组；③若实际用电需求容量超过现有发电机容量，同时机楼无扩容发电机空间且周边满足安装集装箱式发电机条件时，根据实际需求扩容相应集装箱式发电机（为节省空间，可考虑多层布置）；④若实际用电需求容量超过现有发电机容量，同时机楼无扩容发电机空间且周边不满足安装部分或全部集装箱式发电机条件时，可考虑配置移动发电机，但移动发电机容量有限。

3.2.4 空调冷源系统

（1）改造条件。建筑首层高度不低于4.5 m（梁下净高）；冷冻机房面积需保证改造终期面积的基本需求，即保证足够设备安装及维修空间、设备布局间距（主要通道净宽不小于1.5 m，机组与墙的距离不小于1 m，机组与其他设备间距不小于1.2 m，预留出不小于蒸发器、维修距离）等[7]；屋面需满足冷却塔扩容空间及承重要求；建筑内外有空间新建管路输配系统。

（2）提升策略。首先，根据机房建设标准，最大化利用现有制冷机房建筑面积提高冷源容量，以达到改造终期制冷需求。其次，若制冷机房面积稍显不足，考虑占用制冷机房周边设备用房，如备品间、余量较大的高低压配电室等房间，以达到室内扩大制冷机房面积的目的。再次，若制冷机房无法满足终期需求，需建造额外制冷站，而现有制冷机房面积无法扩大的情况下，可考虑室内其他楼层的空间；在地下室面积、层高以及搬运通道都满足的情况下，可考虑地下室内新建制冷站；若制冷站本身是在地下的建筑，同时首层面积、层高、承重以及防水等条件均满足时，可考虑首层建设制冷站[8]。最后，若制冷机房无法满足终期需求，需建造额外制冷站，而现有机楼内建筑条件无法满足机房新建条件的情况下，则考虑利用室外条件建设新的制冷站。

3.3 某通信机楼DC化改造指标对比

以建筑规模15 000 m2的某通信机楼进行DC化模型构建，并对该机楼进行能效评估，相关参数指标对比如表2所示。

表2 某通信机楼DC化改造指标对比

从表2可以看出，通过DC化模型构建的单机架平均额定功耗可达8 kW，而机楼的单机架平均额定功耗现状为3 kW左右，能效提升空间大；通过模型构建，机房进行合理规划、设备布局及气流组织优化后，可装机架数量明显提升，单机架占地面积及单位IT功率占地面积有效降低。

4 结 论

随着网络重构相关技术愈加成熟，运营商通信机楼DC化改造愈加紧迫，因此科学合理地推进DC化改造策略非常重要。本文从通信机楼DC化改造存在的问题入手，阐述通信机楼DC化改造目标和建设原则，提出通信机楼DC化改造模型构建和能效提升策略，以供参考研究。需要说明，机楼的具体改造方案及策略需要根据机楼实际情况进行具体分析，同时各机楼DC化改造方案及策略需要在相应的限定条件下才能实施。