李 菁，龍志國，李 磊

（中國電信武漢分公司，湖北 武漢 430071）

0 引 言

中華人民共和國工業(yè)和信息化部印發(fā)的《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2021—2023年）》中明確指出，我國存量數(shù)據(jù)中心數(shù)量龐大，普遍存在建成年代較久、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低、設(shè)備老化、能耗高及電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）較高等問題，隨著“雙碳”目標(biāo)推進(jìn)，高能耗數(shù)據(jù)中心將受到運(yùn)營成本高昂、政策擠壓等多重影響，面臨嚴(yán)峻的生存危機(jī)，改造意愿強(qiáng)烈。要加速改造升級“老舊小散”數(shù)據(jù)中心。因此，為適應(yīng)節(jié)能政策的要求和自身運(yùn)維成本的實(shí)際訴求，存量數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造項(xiàng)目已成為數(shù)據(jù)中心低碳發(fā)展的重要路徑之一[1]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息技術(shù)的不斷發(fā)展，市場對數(shù)據(jù)、算力的需求呈爆發(fā)式增長，數(shù)據(jù)中心發(fā)展也步入高速發(fā)展期，但隨著互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）機(jī)房能耗占比越發(fā)趨高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)房能耗分布中，機(jī)房空調(diào)用電量占到用電總量的30%～40%，能耗高、效率低，導(dǎo)致老舊數(shù)據(jù)中心PUE普遍高于1.5。如何有效降低機(jī)房空調(diào)的耗電量、提高能效比、充分壓降整體PUE，已經(jīng)成為信息能源領(lǐng)域長期關(guān)注和持續(xù)研究的一個(gè)專項(xiàng)課題[2]。

1 老舊數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能的難點(diǎn)

老舊數(shù)據(jù)中心由于機(jī)房能耗計(jì)量顆粒度一般到配電柜，單臺精密空調(diào)無獨(dú)立計(jì)量，因此無法通過大數(shù)據(jù)分析每臺空調(diào)的運(yùn)行負(fù)載率情況，判斷空調(diào)能源轉(zhuǎn)換效率之比（Coefficient Of Performance，COP）衰減情況。精密空調(diào)的獨(dú)立計(jì)量及能耗管理、COP采集時(shí)本次實(shí)踐的關(guān)鍵點(diǎn)。

湖北省武漢市屬北亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，具有四季分明、日照充足、夏季酷熱、冬季寒冷的特點(diǎn)，武漢地區(qū)全年室外溫度分布曲線如圖1所示。數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷量按夏季最大負(fù)荷需要配置，在其他季節(jié)具有冷量冗余，但老舊數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)定頻空調(diào)的剛性調(diào)節(jié)方式使空調(diào)能耗高，目前采用人工節(jié)能方式調(diào)整空調(diào)運(yùn)行數(shù)量，溫度設(shè)定值等進(jìn)行粗放式節(jié)能，故精密空調(diào)的節(jié)能技改是本次實(shí)踐的關(guān)鍵點(diǎn)。

圖1 武漢地區(qū)全年室外溫度分布曲線圖

2 精密空調(diào)自適應(yīng)節(jié)能技術(shù)

精密空調(diào)自適應(yīng)節(jié)能技術(shù)是中國電信武漢分公司重點(diǎn)研究并成功應(yīng)用的一項(xiàng)新型節(jié)能技術(shù)，該技術(shù)歷經(jīng)前期的全面論證、小批量試點(diǎn)以及數(shù)據(jù)中心的規(guī)模應(yīng)用。

2.1 技術(shù)方案架構(gòu)

方案架構(gòu)如圖2所示。

圖2 方案架構(gòu)

（1）空調(diào)側(cè)。增加智能電表，完善單臺精密空調(diào)能耗計(jì)量及負(fù)荷分析；一對一增加精密空調(diào)自適應(yīng)節(jié)能控制器，實(shí)現(xiàn)空調(diào)負(fù)荷實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)?？照{(diào)自適應(yīng)技術(shù)節(jié)能改造現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 空調(diào)自適應(yīng)技術(shù)節(jié)能改造現(xiàn)場

（2）機(jī)房側(cè)。每個(gè)機(jī)房增加1套通信網(wǎng)關(guān)，將所有智能電表、節(jié)能設(shè)備全部接入電信動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2 自適應(yīng)節(jié)能技術(shù)原理

2.2.1 將原精密空調(diào)有級啟停變?yōu)闊o極調(diào)速

精密空調(diào)風(fēng)機(jī)24 h運(yùn)行，風(fēng)機(jī)調(diào)速分3檔調(diào)節(jié)，壓縮機(jī)全關(guān)時(shí)最低風(fēng)量運(yùn)行；壓縮機(jī)開1臺時(shí)中檔風(fēng)量運(yùn)行；壓縮機(jī)全開時(shí)最高風(fēng)量運(yùn)行。壓縮機(jī)根據(jù)回風(fēng)溫度值頻繁加載、卸載控制冷量輸出，總體冷量調(diào)節(jié)模式為0、50%、100%這3個(gè)檔位調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)幅度過大，實(shí)際冷量輸出無法實(shí)時(shí)與末端實(shí)際熱負(fù)荷需求匹配，浪費(fèi)部分負(fù)載下的冗余制冷量。

自適應(yīng)節(jié)能改造后，風(fēng)機(jī)與壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)同步調(diào)速控制，且全部實(shí)現(xiàn)在安全溫度比例帶內(nèi)的無極調(diào)節(jié)，空調(diào)冷量輸出實(shí)時(shí)與末端實(shí)際熱負(fù)荷需求所匹配，大幅降低了空調(diào)回風(fēng)溫度震蕩幅度，節(jié)約部分負(fù)載下的制冷冗余量。節(jié)能原理如圖4所示。

圖4 節(jié)能原理

2.2.2 充分利用換熱面積提升制冷效率

兩臺壓縮機(jī)的精密空調(diào)調(diào)節(jié)模式為0、50%、100%這3個(gè)檔位調(diào)節(jié)?？照{(diào)處于0%、50%檔位控制時(shí)，機(jī)組蒸發(fā)器、冷凝器處于閑置狀態(tài)；空調(diào)處于100%檔位控制時(shí)，蒸發(fā)器與冷凝器又限制空調(diào)的冷量輸出。此種控制模式的蒸發(fā)器與冷凝器不能被充分利用，機(jī)組制冷效率低。在輸出相同冷量的條件下，壓縮機(jī)運(yùn)行能耗增加。針對原精密空調(diào)的控制模式，在溫度比例帶內(nèi)引入自適應(yīng)無極調(diào)速技術(shù)，當(dāng)壓縮機(jī)變速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)制冷劑流量減小，由于系統(tǒng)冷凝器換熱面積固定，保持原有換熱能力，將產(chǎn)生更好的冷凝壓力，降低了高壓壓力，并適當(dāng)提升了蒸發(fā)壓力，壓縮機(jī)的背壓減少，從而降低了壓縮機(jī)運(yùn)行電流，發(fā)揮明顯的節(jié)能作用。

2.3 自適應(yīng)節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)

（1）壓縮機(jī)回油控制技術(shù)。傳統(tǒng)渦旋壓縮機(jī)的回油是通過自身的一部分壓力作為回油動(dòng)力。壓縮系統(tǒng)冷媒管路集油主要在于蒸發(fā)器出口至氣液分離器管段，該管路由于低溫、低壓可能會導(dǎo)致部分潤滑油析出黏滯在管壁上。采用自適應(yīng)節(jié)能運(yùn)行模式下，由于壓縮機(jī)運(yùn)行頻率降低，長期低速運(yùn)行可能導(dǎo)致部分潤滑油黏滯在壓縮機(jī)壁上，降低壓縮機(jī)回油潤滑能力。基于此，使用自適應(yīng)節(jié)能技術(shù)必須配套對應(yīng)的回油保障控制策略，末端控制系統(tǒng)將按照現(xiàn)有空調(diào)的回油管路情況及回油周期，在各不同頻率段累加運(yùn)行時(shí)間到達(dá)閾值后，定期自動(dòng)啟動(dòng)回油控制程序，加大冷媒壓力、流速，進(jìn)而將可能黏滯在管壁上的潤滑油回流到壓縮機(jī)內(nèi)，且確?；赜统绦蜻\(yùn)行時(shí)間大于原精密空調(diào)的回油周期的1.5倍，以此確保壓縮機(jī)順利回油，保證壓縮機(jī)運(yùn)行安全。

（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法。自適應(yīng)節(jié)能裝置可依據(jù)空調(diào)回風(fēng)溫度數(shù)據(jù)、空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷數(shù)據(jù)、室外溫度數(shù)據(jù)，構(gòu)建以空調(diào)回風(fēng)溫度優(yōu)先保障的負(fù)荷輸入、輸出模型，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，自動(dòng)尋優(yōu)輸出空調(diào)側(cè)的調(diào)頻指令，可確保在節(jié)能運(yùn)行過程中，空調(diào)側(cè)的回風(fēng)溫度控制水平得到充足保證。

（3）旁路接入設(shè)計(jì)。采用旁路設(shè)計(jì)方式與精密空調(diào)對接，在保留原精密空調(diào)電氣回路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并聯(lián)回路。一方面，確保即使節(jié)能設(shè)備出現(xiàn)故障，可自動(dòng)跳轉(zhuǎn)旁路不影響精密空調(diào)運(yùn)行；另一方面，此種模式與精密空調(diào)主控制板無物理接連，完全不改變原精密空調(diào)風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)的啟停機(jī)制及報(bào)警機(jī)制，充分確保安全性。

3 合同能源項(xiàng)目管理關(guān)鍵點(diǎn)

2021年10月國務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》中指出：“積極推行合同能源管理，推廣節(jié)能咨詢、診斷、設(shè)計(jì)、融資、改造、托管等“一站式”綜合服務(wù)模式”。本次節(jié)能改造項(xiàng)目采用合同能源的商務(wù)模式，即節(jié)能服務(wù)公司與用能單位以契約形式約定節(jié)能項(xiàng)目的節(jié)能目標(biāo)，節(jié)能服務(wù)公司為實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)向用能單位提供必要的服務(wù)，用能單位以節(jié)能效益支付節(jié)能服務(wù)公司的投入及其合理利潤的節(jié)能服務(wù)機(jī)制，其實(shí)質(zhì)是以減少的能源費(fèi)用來支付節(jié)能項(xiàng)目全部成本的節(jié)能業(yè)務(wù)方式。對于用能單位不需要承擔(dān)節(jié)能項(xiàng)目實(shí)施的資金、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，降低用能成本。同時(shí)，用能單位和節(jié)能公司根據(jù)國家和地方相關(guān)政策能享受相應(yīng)的補(bǔ)貼、獎(jiǎng)勵(lì)、稅費(fèi)等優(yōu)惠。合同能源管理方式的關(guān)鍵在于依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、科學(xué)計(jì)量、透明核算3個(gè)方面，充分激勵(lì)合作伙伴，確保項(xiàng)目節(jié)能成效和運(yùn)營質(zhì)量。

3.1 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

節(jié)能測試依據(jù)《用能單位節(jié)能量計(jì)算方法》（GB/T 13234—2018）進(jìn)行，根據(jù)本次應(yīng)用技術(shù)特性，采用直接的“有無對比法”進(jìn)行，即定時(shí)開關(guān)節(jié)能系統(tǒng)，直接對比一定周期內(nèi)的節(jié)能效果[3]。

3.2 科學(xué)計(jì)量

每臺空調(diào)的能耗計(jì)量接入動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，所有基礎(chǔ)電量數(shù)據(jù)來源于監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)記錄，客觀準(zhǔn)確。節(jié)能效果測試周期選擇為每月，每個(gè)月查詢天氣預(yù)報(bào)，選擇室外溫差1 ℃以內(nèi)的相鄰兩天，定時(shí)開關(guān)節(jié)能系統(tǒng)，進(jìn)行當(dāng)月節(jié)能效率的測試。如存在較大偏差，可進(jìn)行補(bǔ)充測試。

當(dāng)月節(jié)電率計(jì)算公式為

式中：D0為 24 h 非節(jié)能模式總耗電量；D1為 24 h 節(jié)能模式總耗電量。

當(dāng)月節(jié)電量計(jì)算公式為

式中：T0為當(dāng)月非節(jié)能模式下的總耗電量；T1為當(dāng)月節(jié)能模式下的總耗電量。

同時(shí)統(tǒng)計(jì)該數(shù)據(jù)中心的歷史實(shí)際繳納電費(fèi)，與實(shí)際測試的節(jié)能量進(jìn)行比對，作為參考比對指標(biāo)。

3.3 透明核算

雙方形成固有機(jī)制，每個(gè)月由動(dòng)環(huán)系統(tǒng)導(dǎo)出每臺空調(diào)的實(shí)際用電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并且在每個(gè)月的測試期及結(jié)算的起始時(shí)間點(diǎn)，由雙方共同至現(xiàn)場對每臺智能電表進(jìn)行拍照留存。

每個(gè)月形成4張標(biāo)準(zhǔn)化表格，分別是節(jié)能率測試表、節(jié)能量統(tǒng)計(jì)表、原始電表現(xiàn)場照片圖表、動(dòng)環(huán)原始數(shù)據(jù)記錄表，由雙方專人簽字確認(rèn)。結(jié)算周期為每個(gè)季度結(jié)算一次，按照雙方每個(gè)月統(tǒng)計(jì)的實(shí)際節(jié)能量，按照實(shí)際電單價(jià)及合同約定分享比例，進(jìn)行節(jié)能費(fèi)用分享。

為充分激勵(lì)節(jié)能公司采用最優(yōu)方案，持續(xù)推進(jìn)節(jié)能服務(wù)和擴(kuò)大節(jié)能成效，節(jié)能效益采用保底機(jī)制和封頂，若實(shí)際節(jié)能效益未達(dá)到承諾值，用能單位按照保底收益收取，多余部分支付節(jié)能服務(wù)公司。同時(shí)，節(jié)能分享時(shí)間及總分享金額均設(shè)置上限，任達(dá)其一即結(jié)束分享，設(shè)備產(chǎn)權(quán)全部移交用能單位所有。

4 效益分析

4.1 應(yīng)用概況

應(yīng)用地點(diǎn)為武漢電信某IDC數(shù)據(jù)中心；應(yīng)用規(guī)模，改造12個(gè)獨(dú)立機(jī)房，51臺精密空調(diào)（2015—2017年投運(yùn)），改造總制冷量5 230 kW；項(xiàng)目實(shí)施周期，2021年11月15日啟動(dòng)實(shí)施，總計(jì)實(shí)施周期43 d（包含初驗(yàn)及試運(yùn)行7 d）；項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)間，2022年1月正式進(jìn)入運(yùn)營收益期。

4.2 節(jié)能效益

根據(jù)2022年1月至6月，實(shí)際測試節(jié)能效益匯總?cè)绫?所示。

表1 2022年某IDC機(jī)房節(jié)能效益統(tǒng)計(jì)表

2022年1月—2022年6月，某IDC 51臺精密空調(diào)總計(jì)節(jié)能約117.7×104kW·h。目前武漢公司平均電單價(jià)0.789元/（kW·h）（含稅），2022年1月至2022年6月總計(jì)節(jié)約能耗費(fèi)用約92.9萬元，整體平均節(jié)能率達(dá)到33.6%，節(jié)能效果超過預(yù)期。

圖5 2022年1月至2022年6月某數(shù)據(jù)中心節(jié)能效果

某IDC機(jī)房實(shí)施節(jié)能后，數(shù)據(jù)中心機(jī)房平均PUE最低值到1.39，但目前仍有個(gè)別機(jī)房PUE高于1.5的情況，主要因?yàn)闄C(jī)柜上架率不高、機(jī)房存在局部熱點(diǎn)等原因?qū)е?。改造前后PUE對比如圖6所示。

圖6 改造前后PUE對比圖

4.3 管理效益

通過本次實(shí)踐，某數(shù)據(jù)中心能耗計(jì)量顆粒度精細(xì)至每臺空調(diào)，同時(shí)每臺空調(diào)負(fù)荷情況可監(jiān)、可測、可追溯。通過精密空調(diào)自適應(yīng)節(jié)能系統(tǒng)，將人工管理變?yōu)樽詣?dòng)管理節(jié)能方式，空調(diào)送回風(fēng)溫度信息、空調(diào)及節(jié)能設(shè)備運(yùn)行信息、空調(diào)的負(fù)載率信息等實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管控，對后續(xù)推進(jìn)AI節(jié)能提供了大數(shù)據(jù)支撐[4,5]。

4.4 經(jīng)濟(jì)及社會效益

某數(shù)據(jù)中心改造后預(yù)計(jì)每年可節(jié)約能耗超過235×104kW·h，每年節(jié)約電費(fèi)支出超過183萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯，每年可減排折算標(biāo)煤超過190 t，減排二氧化碳超過 234×104kg，碳排放量降低 67×104 kg，具有良好的社會效益。

5 結(jié) 論

本案例是老舊數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造的成功案例之一，是中國電信集團(tuán)有限公司踐行央企責(zé)任，實(shí)踐綠色低碳發(fā)展的創(chuàng)新應(yīng)用，對于PUE超過1.5的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行空調(diào)節(jié)能改造后降低至1.4以下，具有示范和借鑒價(jià)值?？照{(diào)自適應(yīng)節(jié)能技術(shù)旁路接入空調(diào)，安全性高、實(shí)施簡便、部署靈活，兼容各品牌直膨式精密空調(diào)，適合大多數(shù)采用風(fēng)冷型定頻精密空調(diào)的存量數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造場景。此外，雖然數(shù)據(jù)中心合同能源管理項(xiàng)目具有“一樓一案”的特點(diǎn)，本案例明確了空調(diào)自適應(yīng)節(jié)能改造合同能源項(xiàng)目的關(guān)鍵點(diǎn)，即在確保依托標(biāo)準(zhǔn)、科學(xué)計(jì)量、透明核算的基礎(chǔ)上的節(jié)能收益核算，可推進(jìn)實(shí)現(xiàn)用能單位和節(jié)能公司的合作共贏。