通信网络节能与能效评估探讨

通信节能及能效评估探讨中国通信标准化协会潘智勇武冰梅摘要：本文旨在探讨可量化的通信节能与能效评估方法，为通信网络节能建设提供可参考依据。在研究分析国外相关研究成果的基础上，探索性地提出了可量化的通信节能与能效评估的建议。1引言2007年11月28日，全国人大常委会通过了国家《节约能源法》修订案，并决定自2008年4月1日起施行。这标志着节约能源已经作为基本国策，以法律的形式确定下来。随着信息化的日益推广普及，通信网络能源消耗量也与日俱增。根据有关统计数据，通信业每年消耗200亿度以上的电能，各种能耗费用超过100亿元人民币，耗电总量在各行业中排名第14。由此可见，通信业在能源消耗方面的影响不容小视，通信网络节能是整个国家节能工作的重要组成。令人欣喜的是，近几年，国内各大电信运营企业和设备制造企业纷纷投入力量展开了节能和能源综合利用的研发、应用工作，并取得了一些成效。但总的来讲，对通信网络节能和能源综合利用缺乏行业组织、系统研究，尚未建立成熟有效的能效指标与评估方法。通用公司首席执行官杰克韦尔奇曾说“你无法对不能测量的东西进行管理。”通信网络节能工作也是如此，通信网络公司进行节能投资时，它的管理者自然需要知道如何确认节能效果、能够达到何种节能水平、以及节能水平能维持多久。这就需要有量化指标、精确测量以及能复制的方法。总体看来，通信网络节能和能源综合利用取得了一些成效，但亟待制定一系列可量化的能效指标，建立规范的、实用的、可操作性强的评估方法，对节能技术、产品、系统、工程设计的节能效果进行科学的评估，从而保障通信网络节能工作稳健推进。所以说，能效评估是搞好通信网络节能工作的基础。2通信网络能耗环节与要素分析2.1机房是通信网络的能耗节点通信网络有很多种类，有电话交换网、传输网、数据通信网、互联网，还有移动通信网等，但不管是什么类别的通信网，从总体结构上看，均可看作是由分布在不同地点的众多通信机房和连接各机房的线路构成的。当然连接不同种类的通信网络，有不同种类的机房。机房大致可以分为交换机房、传输机房、数据机房、无线基站等业务机房，动力机房等支撑机房。不管何种通信网络，其运转的能源几乎全部来自于通信机房，可以说通信机房是通信网络能源供给与能源消耗节点。机房是通信网络能耗的关键环节，因此，通信网络的节能应主要集中在机房节能上。2.2通信机房的能耗要素分析机房能源消耗各个环节，根据功能特点总结共性，不难发现，机房能耗主要由谐波干扰、供电系统、通信设备、热交换系统（气流组织等）、照明与太阳辐射、制冷系统（空调与新风）等环节决定，它们是通信机房的能耗要素。可以构建如图一所示的机房能耗模型。当然，该模型不一定是指物理结构单一的机房。对于供电系统与通信设备放置不同物理结构房间的系统，该模型则包括全部机房。对于供电系统与通信设备放置在同一物理结构房间的系统，该模型则为单一机房。只有提高机房能耗主要环节的能源利用效率，才能有效提高机房的能源利用率，进而实现整个通信网络节能。因此，谐波干扰、供电系统、通信设备、热交换系统、照明及太阳辐射、制冷系统是通信网能耗主要环节与节能关键因素。研究通信网络节能，首先就应当研究这些能耗主要环节的能效指标与评估方法。当然，不能忽视各能效要素之间的相互影响。图一通信机房能耗模型2.3建立机房及各能耗要素的能效指标与评估方法机房是通信网络的能耗节点，谐波干扰、供电系统、通信设备、热交换系统、照明与太阳辐射、制冷系统则是通信机房的能耗要素。我们研究通信网络节能，不但要研究机房各主要能耗要素的节能，还要研究各能耗要素之间如何合理配置从而实现机房的整体节能。因此，为实现通信网络的整体节能，我们不但应当对谐波干扰、供电系统、通信设备、热交换系统、照明与太阳辐射、制冷系统等能耗要素建立能效指标与评估方法，以确保构成通信网络所有设备本身的高效节能；也应当建立机房整体能效指标与评估方法，以确保各能耗要素之间的合理配置。3国际常用的能效评估方法3.1国际节能效果测量和认证规程（IPMVP）“国际节能效果测量和认证规程”（IPMVP）由国际节能测量和认证规程委供电系统通信设备（空调、新风）制冷系统热交换系统（气流组织）照明及太阳辐射谐波干扰员会制定。该规程定义了节能量计算公式：节能量=基准年能耗量-改造后能耗量+调整量；提出了节能量测定的基本方法和步骤、测量和认证方案；详尽阐述了四类测量和认证方案的具体操作方法等。IPMVP是说明节能量定义及评估方法的框架性文件，因此特别适用于节能改造项目的节能量测评，同样也适用于通信业的节能改造项目，为测量计算节能改造项目产生的节能量提供了框架性要求。3.2美国绿格关于数据中心（IDC）的能效评估方法目前在北美通用的指标是美国绿格联盟（TheGreenGrid）定义的PUE（PowerUsageEffectiveness）指标和DCE（DataCenterEfficiency）指标，它显示的是在单位IT设备能耗的情况下，机房设施的能耗大小。PUE和DCE的计算公式如下：PUE=机房总能耗（TotalFacilityPower）/IT设施总能耗（ITEquipmentPower）DCE=1/PUEPUE值越小，表明在同样的IT设施条件下，数据中心的总耗电量越小；DCE越高，表明在同样输入功率情况下，IT设备得到的比例越高。关于PUE的测试，从定义上讲，瞬时PUE值可由某一时刻所有IT设备消耗的有功功率和此时数据中心总输入有功功率相除得到；年平均PUE可以由一年间所测得的每一个时刻的瞬时PUE取平均值得到，也可以由年IT设备消耗的有功电能与年数据中心消耗的有功电能相除得到。现场实际测量可能会复杂一些。例如，若同时测量每一个IT设备的有功功率可能会不现实，因此可以采用测量UPS输出有功功率来代替。对于全国性、大规模的普查来讲，可以采用一块有功功率计分别多次测量UPS总输出有功功率和机房总输入功率，求得多次测量PUE并求平均值的方法。PUE指标体系，是基于“同样的IT设备”的条件下，针对机房设施节能水平的衡量指标，它较适用于机房设施的能效评估。在运算能力、存储能力、通信能力的衡量指标不好量化的情况下，而使用的比较容易操作的衡量体系。理想的衡量指标，应该是基于“同样的运算能力、存储能力、通信能力”的条件下，针对机房设施和IT设施的节能水平的衡量指标。3.3美国Verizon公司关于通信设备的能效要求Verizon通信公司是美国昀大的本地电话运营商，2008年6月制定并发布了公司的通信设备能效要求（VerizonNEBSTMCompliance:EnergyEfficiencyRequirementsforTelecommunicationsEquipmentVZ.TPR.9205），并计划从2009年开始执行。该要求提出了“通信设备能效率（TelecommunicationsEquipmentEnergyEfficiencyRating(TEEER)）”的概念，分别定义了传输、交换/路由（包括数字交换、软交换、企业路由、核心路由、边界路由、骨干路由）、接入、电源（包括直流、交流电源系统、不间断电源等）、数据中心设备（包括服务器等）等类通信设备的“通信设备能效率（TEEER）”计算公式、测试方法，并且明确了Verizon公司采购这几类通信设备时的“通信设备能效率（TEEER）”要求。TEEER计算公式及Verizon公司采购要求见表一。表一TEEER计算公式及采购要求设备类别TEEER计算公式TEEER昀低允许值说明传输-log(PTotal[瓦]/数据吞吐量[比特/秒])7.54交换/路由-log(PTotal[瓦]/数据交换量[比特/秒])7.67接入(接入用户数/PTotal[瓦])+12.50电源(输出功率[瓦]/输入功率[瓦])x109.20PTotal是加权总输入功率：PTotal=(0.35xPmax)+(0.4xP50)+(0.25xPsleep)Pmax是满载输入功率；P50是负载50%输入功率；Psleep是待机或空载输入功率。4通信网络节能与能效评估建议4.1用IPMVP评估通信节能项目的效果通信网络的建设和发展是一个不断完善的过程，过去大家没有意识到节能的重要性，在通信网络建设中忽视节能设备、措施的采用。近几年来，随着国际国内对节能工作的日益重视，国内运营企业纷纷对通信网络投资进行节能改造，而对这些节能措施或项目的节能效果却缺乏统一评估标准。IPMVP提供了测量各类节能项目节能量的框架性规则，它同样适用于通信网络节能改造项目的效果评估。笔者建议针对通信网的特点，将IPMVP的基本原则和测量方法具体化，建立适用于通信节能项目的统一的测量评估方法。4.2通信机房的能效指标与评估方法通信机房是构成通信网络的节点，其唯一的功能就是提供通信业务。从能效角度来看机房的输入是能量消耗，输出是通信业务。在保障产生同样通信能力的前提下，机房能耗越小其能量利用效率越高，机房的节能效果就越好。直观分析，应当按如下方法计算能效系数，作为评价通信机房的能效指标：能效系数=机房总能耗/机房通信能力关键是机房通信能力的如何量化、怎么测量。机房种类不同，其担当的作用不同，其通信能力衡量指标也不一样。有些种类机房其通信能力易于量化，如：电话交换机房；有些种类机房其通信能力不易量化计算，如：数据中心。建议对通信能力易于量化的机房建立类似TEEER的能效指标与评估方法；对不便量化的机房建立类似PUE的能效指标与评估方法。表二是笔者关于机房通信能力衡量指标建议。表二机房通信能力衡量指标建议机房种类通信能力电话交换机房接入用户/中继数传输机房传输带宽总量基站信道数在确定机房通信能力衡量指标的基础上，即可对不同种类机房建立各自的能效系数计算公式，根据当前的设备能力、技术水平确定各类机房能效系数的设计要求，实现对通信机房的能效评估。按以上规则建立了各类机房的能效系数计算公式后，接下来我们就应研究机房能耗总量的测量、机房能耗随机房所处气候带不同而变化等问题。对于这些问题，建议通过采用机房年能耗总量作为机房总能耗、为不同气候带建立不同的TEEER设计要求等方法来解决。4.3通信网络各能耗要素的能效指标与评估方法供电系统、通信设备等通信网络能耗要素，其能效高低主要由组成系统的设备能效决定，Verizon公司的“通信设备能效要求”尽管是针对通信设备建立的能效指标与评测方法，笔者认为也完全可以用于供电系统和通信设备的能效评估。从能效角度看，制冷系统的输入为能耗，其输出为制冷能力。在保障产生同样制冷能力的前提下，制冷系统能耗越小其能量利用效率越高，其节能效果就越好。直观分析，可以按如下方法计算能效系数，作为评价制冷系统的能效指标：能效系数=制冷系统总能耗/制冷量热交换系统是机房能耗关键的关键，很多试验表明，在维持机房制冷条件不变的情况下，通过调整机房的气流组织，可以大大改进机房环境温度，扩充机房的装机容量等，因此，研究热交换系统的能效指标及评估方法很有必要。热交换系统的唯一功能是通过冷气流将机房的热量带走，直观分析，其能效高低可以通过单位制热量需要消耗的制冷量来评估：能效系数=机房制冷总量/机房制热总量机房制冷总量可通过测量制冷系统输出的总制冷量确定，关键是制热量的测量，机房制热量不但包括供电设备、通信设备产生的热量，还包括照明及太阳辐射产生的热量。前者可以通过设备电能消耗情况进行测算，后者只能根据机房大小、机房隔热情况进行估算。照明与太阳辐射也是机房能耗组成要素，为机房提供工作环境照明条件，同时也为机房带来一些直接能耗、产生了一些热量。从能效角度看，就是在保证工作环境照明条件的前提下，尽可能减少照明用电；通过改进机房建筑材料减少太阳辐射热量。机房单位面积照明能耗、太阳辐射热量可直接作为其能效评估指标。谐波干扰的存在只是增加了机房的能耗，而不会给机房提供任何功能，因此，我们要尽可能的消除其影响，将能源利用率尽可能提高，评价谐波干扰的能效指标当然是有效能源利用率。5总结本文旨在探讨可量化的通信网络节能与能效评估方法，为国内通信网络节