劉旻佳

摘要：本文對(duì)目前數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)靜態(tài)架構(gòu)下的節(jié)能策略作了分析;并提出通過(guò)IT技術(shù)在保證數(shù)據(jù)中心運(yùn)行安全的情況下，通過(guò)最小化系統(tǒng)總功率（能耗），滿足該最小能耗的運(yùn)行點(diǎn)作為最優(yōu)狀態(tài)點(diǎn)，進(jìn)行節(jié)能策略的優(yōu)化和節(jié)能措施。本文對(duì)利用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能，實(shí)行對(duì)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的的自動(dòng)化管理，提高數(shù)據(jù)中心的效率提出了初步設(shè)想。

關(guān)鍵詞：IT技術(shù);數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng);節(jié)能;人工智能

第1章 數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)的管理

對(duì)于數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)施、IT設(shè)備的負(fù)載在被采安裝部署完成時(shí)，就形成匹配關(guān)系的，這種匹配關(guān)系就固定下來(lái)。這種長(zhǎng)期穩(wěn)定的匹配關(guān)系所構(gòu)成的基礎(chǔ)架構(gòu)被認(rèn)為是一種靜態(tài)架構(gòu)。

靜態(tài)架構(gòu)是過(guò)去二十年里數(shù)據(jù)中心的一種主流模式。它的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，符合常規(guī)管理習(xí)慣，管理員在后期的運(yùn)維中可以按照規(guī)定模式進(jìn)行管理工作。它的缺點(diǎn)是能源的使用效率不能得到最高效的優(yōu)化。

如右圖所示：數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)施占據(jù)數(shù)據(jù)中心能源消耗的37%，其中集中冷源占據(jù)了25%，可見(jiàn)節(jié)能的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)施的節(jié)能優(yōu)化。

數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)施的管理的核心是保證數(shù)據(jù)中心的正常運(yùn)行，但是如何在保證設(shè)施系統(tǒng)安全的情況下，進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化和節(jié)能對(duì)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的管理者是一個(gè)挑戰(zhàn)。

第2章 數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)的節(jié)能策略

2.1水泵的節(jié)能控制

水泵在不同的轉(zhuǎn)速下，具有不同的流量、揚(yáng)程和不同的功率損耗，其中：

水泵的流量與轉(zhuǎn)速為1次方關(guān)系;

水泵的揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速為2次方關(guān)系;

水泵的功率與轉(zhuǎn)速為3次方關(guān)系;

水泵的轉(zhuǎn)速與供電頻率基本成正比

因此，對(duì)冷卻水泵的基本節(jié)能控制邏輯是：在冷機(jī)允許的范圍內(nèi)，盡可能減少流量，增大溫差。但也需要注意過(guò)度減少流量，又會(huì)導(dǎo)致冷凍機(jī)組能耗的增加，機(jī)組每減少20%流量，能耗約增加3%。

2.2設(shè)備的臺(tái)數(shù)選擇

實(shí)際冷卻水系統(tǒng)一般較少采用分組如此清晰的系統(tǒng)架構(gòu)，而多采用多臺(tái)設(shè)備先并聯(lián)再與總管路串聯(lián)的形式;但是，考慮到之前所提到的頻率（流量）與功率的關(guān)系，顯而易見(jiàn)完全分組的運(yùn)行方式，絕非最為節(jié)能的運(yùn)行方式。

如右表所示，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷介于2～3臺(tái)水泵的流量之間時(shí)（即系統(tǒng)負(fù)荷大于33%，小于66%），水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)有多種組合，而組合方式?jīng)Q定了水泵組的整體能耗。如果是4臺(tái)水泵并聯(lián)的系統(tǒng)則選擇范圍更大（25%～75%）。冷卻塔同理，當(dāng)采用變頻冷水機(jī)組時(shí)，冷水機(jī)組組群亦同理。

因此，對(duì)設(shè)備組的基本節(jié)能控制是臺(tái)數(shù)選擇。

2.3旁通調(diào)節(jié)閥的節(jié)能技術(shù)

如圖右圖所示為一個(gè)典型的空調(diào)冷卻水系統(tǒng)，冷卻水供回水間設(shè)置一個(gè)旁通調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)局部循環(huán)流量。

其中設(shè)備能耗從高到低排序?yàn)椋?/p>

1、冷水機(jī)組;

2、冷卻水泵;

3、冷卻塔;

4、旁通調(diào)節(jié)閥（自身能耗可忽略不計(jì)）。

旁通調(diào)節(jié)閥最重要的作用在于控制冷卻水進(jìn)入冷水機(jī)組的水溫，尤其在天氣寒冷，室外濕球溫度較低的情況下，必須防止冷卻水進(jìn)入冷機(jī)的溫度過(guò)低（一般應(yīng)高于冷水機(jī)組回水溫度2℃），否則容易出現(xiàn)機(jī)組冷凝壓差過(guò)低停機(jī)保護(hù)的情況。增大旁通閥的開(kāi)度，可以避免這一情況的發(fā)生，同時(shí)減少冷卻水系統(tǒng)的阻力，降低水泵功率。

但是，如之前冷卻塔節(jié)能要點(diǎn)所述，為了降低冷機(jī)的能耗，應(yīng)提供盡可能低的冷卻水溫度，因此旁通調(diào)節(jié)閥的就成為兩者平衡的重要調(diào)節(jié)點(diǎn)。

因此，對(duì)旁通調(diào)節(jié)閥的基本節(jié)能控制邏輯是：平衡冷卻塔出水溫度T1與冷卻水進(jìn)水溫度T2。

冷卻塔、冷卻水泵及旁通調(diào)節(jié)閥是冷卻水系統(tǒng)的三大要件，可以說(shuō)在低溫臨界工況與高溫設(shè)計(jì)工況之間，三者的組合工況可以有無(wú)窮多。

第3章 IT技術(shù)對(duì)節(jié)能策略的提升

3.1節(jié)能控制的要求

在冷機(jī)允許的范圍內(nèi)，盡可能減少流量，增大溫差。要點(diǎn)：判斷末端系統(tǒng)負(fù)荷;通過(guò)對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷的監(jiān)測(cè)計(jì)算出最小安全運(yùn)行流量（流量不能低于冷機(jī)的基本要求）;反饋流量至冷卻水泵頻率及臺(tái)數(shù)控制。

在冷機(jī)允許的范圍內(nèi)，盡可能降低冷卻水進(jìn)水溫度。要點(diǎn)：判斷室外濕球溫度，確定冷卻塔能提供的最低冷卻水出水溫度，進(jìn)行冷卻塔頻率及臺(tái)數(shù)控制。

平衡冷卻塔出水溫度T1與冷卻水進(jìn)水溫度T2。要點(diǎn)：判斷冷卻塔出水溫度與冷卻水進(jìn)水溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)旁通流量，在保持冷卻水進(jìn)水溫度高于冷機(jī)的前提下，減少流經(jīng)冷卻塔的水流量。

在部分負(fù)荷時(shí)進(jìn)行臺(tái)數(shù)選擇。要點(diǎn)：通過(guò)前期數(shù)據(jù)輸入，水泵性能曲線、冷卻塔性能曲線，在設(shè)備組工作時(shí)，始終選擇綜合性能最優(yōu)，能耗最小的運(yùn)行方式。

從以上的節(jié)能邏輯，可以看到尋找最優(yōu)狀態(tài)點(diǎn)的難度：

1、實(shí)際運(yùn)行工況與理論計(jì)算一定存在偏差;設(shè)備的性能曲線不僅僅受設(shè)備本身的影響，與管道特性，安裝條件等也有關(guān)聯(lián);大量數(shù)據(jù)需要修正。

2、不難發(fā)現(xiàn)部分控制策略之間本身存在相互關(guān)聯(lián)性，一個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)也會(huì)引起其他參數(shù)的變化，系統(tǒng)能耗是整個(gè)系統(tǒng)所有參數(shù)綜合作用的結(jié)果。例如負(fù)荷的變化就能改變所有參數(shù)的設(shè)置。也有些參數(shù)間本身存在矛盾。

3、同一個(gè)參數(shù)可以由多種不同的調(diào)節(jié)方式實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)方式的不同也決定了系統(tǒng)能耗的不同。例如T2，要調(diào)節(jié)T2的溫度，即可以通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)旁通閥開(kāi)度，也可以通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻塔臺(tái)數(shù)或頻率，還可以調(diào)節(jié)水泵的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)，事實(shí)上任意一個(gè)時(shí)刻，對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)幾乎有無(wú)窮多的工況選擇，如何在這之中選擇最優(yōu)狀態(tài)點(diǎn)。

4、大量的數(shù)據(jù)采集、分析、比較、控制靠人工和簡(jiǎn)單的控制邏輯無(wú)法提供近乎完美的最優(yōu)解，通常只能為系統(tǒng)提供分段分區(qū)間的相對(duì)優(yōu)化點(diǎn)，而無(wú)法在任意時(shí)刻都是最優(yōu)狀態(tài)點(diǎn)。

3.2IT技術(shù)的應(yīng)用

目標(biāo)定位：在滿足若干元件運(yùn)行條件的前提下，最小化系統(tǒng)總功率（能耗），滿足該最小能耗的運(yùn)行點(diǎn)即為最優(yōu)狀態(tài)點(diǎn)。

元件與運(yùn)行條件：系統(tǒng)包含若干元件：冷卻水泵，冷卻塔，旁通調(diào)節(jié)閥和冷機(jī)。每個(gè)元件有其必須滿足的運(yùn)行條件：如調(diào)節(jié)閥必須滿足開(kāi)度與流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，多臺(tái)水泵必須滿足并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的能耗關(guān)系，等等。

方法選型：約束最優(yōu)化算法（Constrained Optimization Algorithm）：為一系列求解“滿足一定約束的目標(biāo)函數(shù)的最大/最小值”的數(shù)學(xué)算法，在這類算法中，我們需要明確的概念包括：

·目標(biāo)函數(shù)的定義

·約束條件的定義

最終產(chǎn)品：一個(gè)適應(yīng)特定暖通運(yùn)行系統(tǒng)的最優(yōu)方案求解器（Solver），該求解器以若干環(huán)境變量（濕球溫度，系統(tǒng)冷負(fù)荷要求）為輸入變量，輸出為所有元件在最優(yōu)狀態(tài)點(diǎn)的操作指標(biāo)，如運(yùn)行設(shè)備臺(tái)數(shù)，運(yùn)行頻率等等。

3.3數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的認(rèn)知系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)想

隨著動(dòng)態(tài)架構(gòu)數(shù)據(jù)中心解決方案的逐步發(fā)展，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的認(rèn)知系統(tǒng)項(xiàng)目也被提出來(lái)。認(rèn)知系統(tǒng)項(xiàng)目可以基本理解為：利用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能，實(shí)行對(duì)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的的自動(dòng)化管理，提高數(shù)據(jù)中心的效率。

見(jiàn)上圖，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的認(rèn)知系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)中心的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)和樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)，采集現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù);通過(guò)外部接口采集數(shù)據(jù)中心所在的氣象信息;預(yù)測(cè)IT負(fù)載。在這三部分?jǐn)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立預(yù)測(cè)模型，利用人工智能來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)數(shù)據(jù)中心能效。

數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的認(rèn)知系統(tǒng)需要跟蹤IT設(shè)備能耗、機(jī)外氣溫以及制冷和機(jī)械設(shè)備的設(shè)置情況：包括IT設(shè)施的總負(fù)載，水泵、冷卻塔、冷水機(jī)組、干式冷卻器、運(yùn)行中的冷水注水泵數(shù)量;冷卻塔水溫、濕球溫度、戶外濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等等。在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，然后自動(dòng)生成最佳匹配模型的特征。

自動(dòng)生成最佳匹配模型的特征后，可以對(duì)機(jī)電設(shè)施提供管理參數(shù)，最為復(fù)雜的暖通系統(tǒng)控制點(diǎn)：板交切換時(shí)間點(diǎn)，冷凍機(jī)負(fù)載比，水泵開(kāi)啟數(shù)量和頻率，冷卻塔的流量和風(fēng)機(jī)控制等等，都可以由數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的認(rèn)知系統(tǒng)通過(guò)比對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合天氣趨勢(shì)和IT負(fù)載趨勢(shì)，建立起最佳匹配模型，結(jié)合專家知識(shí)庫(kù)，直接給出設(shè)備運(yùn)行最佳運(yùn)營(yíng)參數(shù)，并可以通過(guò)樓宇自控系統(tǒng)將參數(shù)設(shè)定送達(dá)設(shè)備。這樣，在保證數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施安全可靠的基礎(chǔ)上，大幅提升數(shù)據(jù)中心能效。

結(jié)束語(yǔ)：

IT技術(shù)及人工智能技術(shù)可以在數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)節(jié)能中，通過(guò)動(dòng)態(tài)架構(gòu)找到數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)最小能耗的運(yùn)行點(diǎn)作為最優(yōu)狀態(tài)點(diǎn)，以達(dá)到節(jié)能的目的。

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