邢曉曄，陳翰功

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)北京有限公司，北京 100027）

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)通信行業(yè)高速發(fā)展，與此同時(shí)也帶來(lái)了數(shù)據(jù)中心高能耗問(wèn)題[1]。2020年9月22日，國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話，指出中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[2]。隨著網(wǎng)絡(luò)云化和5G技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功耗提升，機(jī)房?jī)?nèi)的單機(jī)架散熱量也不斷增加。與此同時(shí)，現(xiàn)網(wǎng)核心機(jī)樓由于建設(shè)年代久遠(yuǎn)，普遍存在制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)落后的問(wèn)題，與機(jī)房?jī)?nèi)后期上線的高能耗設(shè)備無(wú)法匹配，從而導(dǎo)致能耗利用率較低。比起新建數(shù)據(jù)中心，解決傳統(tǒng)存量機(jī)房的能耗問(wèn)題更加緊急且具有挑戰(zhàn)性。

1 傳統(tǒng)機(jī)房改造方案

1.1 改造前機(jī)房現(xiàn)狀

采用機(jī)房專用空調(diào)設(shè)備對(duì)室內(nèi)的溫濕度進(jìn)行獨(dú)立控制，機(jī)房專用空調(diào)共3臺(tái)（2臺(tái)主用、1臺(tái)備用），分別為1臺(tái)艾默生水/風(fēng)冷精密空調(diào)和2臺(tái)阿爾西風(fēng)冷精密空調(diào)。其中，艾默生水/風(fēng)冷精密空調(diào)的制冷量為90 kW，額定功率34 kW；阿爾西風(fēng)冷精密空調(diào)的制冷量為94.1 kW，額定功率42.7 kW?？照{(diào)機(jī)組設(shè)置于機(jī)房室內(nèi)，采用地板送風(fēng)、室內(nèi)空間混合回風(fēng)的方式。

機(jī)房因建設(shè)年代久遠(yuǎn)，通風(fēng)地板內(nèi)線路雜亂，地板存在漏缺和不統(tǒng)一的問(wèn)題，風(fēng)口板出風(fēng)量小，靠近空調(diào)側(cè)靜電地板下部支架部分塌陷，靜電地面無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效密封，導(dǎo)致送風(fēng)地板不嚴(yán)、漏風(fēng)嚴(yán)重，遠(yuǎn)處無(wú)送風(fēng)壓力，無(wú)法輸送冷量。由于冷量不能有效到達(dá)散熱設(shè)備，因此空調(diào)回風(fēng)溫度被迫降低，空調(diào)能耗大幅上升。

1.2 改造目標(biāo)

此次改造重新規(guī)劃地板送風(fēng)通道，改造平面圖如圖1所示。

圖1 靜電地板改造平面圖

將原來(lái)的一般下送風(fēng)方式改為封閉式下送風(fēng)方式，減少下送風(fēng)通道靜壓區(qū)域面積，使空調(diào)扇形送風(fēng)變?yōu)樨Q直送風(fēng)，利用對(duì)氣流模型的修改增大送風(fēng)壓力。同時(shí)，在每排機(jī)柜前、中、后部以及熱密度較高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備機(jī)柜處增加無(wú)線溫濕度傳感器14處，對(duì)機(jī)架內(nèi)服務(wù)器溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在空調(diào)控制系統(tǒng)中安裝智慧流體管控系統(tǒng)，保障網(wǎng)絡(luò)設(shè)備正常運(yùn)行環(huán)境溫度下，優(yōu)化空調(diào)運(yùn)行策略作為空調(diào)機(jī)組補(bǔ)償計(jì)算分析信息參考依據(jù)。智慧流體管控系統(tǒng)通過(guò)機(jī)架監(jiān)測(cè)溫度與空調(diào)回風(fēng)設(shè)定溫度的雙控方式對(duì)空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，始終保持空調(diào)供冷量與機(jī)房的需冷量動(dòng)態(tài)一致，以此保證機(jī)組最大限度的節(jié)能運(yùn)行。

1.3 AI智慧流體管控系統(tǒng)說(shuō)明

每個(gè)通道安裝1套智能控制柜，內(nèi)含精密空調(diào)智能控制器，如圖2所示。

圖2 精密空調(diào)智能控制器

通過(guò)模糊算法輸出第二天預(yù)測(cè)的每個(gè)時(shí)段的能耗量，通過(guò)人機(jī)交互界面展示運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，接入人工智能（Artificial Intelligence，AI）智慧流體管控系統(tǒng)，利用自學(xué)習(xí)算法給出的控制模型優(yōu)化空調(diào)運(yùn)行策略，智能管控?cái)?shù)據(jù)機(jī)房。此外，利用自學(xué)習(xí)算法給出的每個(gè)溫度場(chǎng)模型、氣流組織場(chǎng)模型、數(shù)據(jù)機(jī)房的控制模型形成單獨(dú)的控制策略，從而實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)全方位精細(xì)化智能節(jié)能管控。AI智慧流體管控系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 AI智慧流體管控系統(tǒng)

2 測(cè)試分析

通過(guò)間隔日設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)的AI智慧流體管控系統(tǒng)啟閉狀態(tài)，按照AI智慧流體管控系統(tǒng)關(guān)閉模式（以下簡(jiǎn)稱關(guān)閉模式）和AI智慧流體管控系統(tǒng)開(kāi)啟模式（以下簡(jiǎn)稱開(kāi)啟模式）的控制邏輯對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行切換。將測(cè)試周期內(nèi)控制器關(guān)閉期作為基準(zhǔn)期，將控制系統(tǒng)開(kāi)啟期間做為核定期，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)基準(zhǔn)期和核定期檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出能源控制系統(tǒng)開(kāi)啟模式下的節(jié)能效果[3-5]。

2.1 機(jī)房室內(nèi)和機(jī)架內(nèi)溫度

在2021年11月8日10:00—2021年11月12日10:00、2021年11月15日10:00—2021 年11月19日10:00，分別采集機(jī)房室內(nèi)和機(jī)架內(nèi)的逐時(shí)溫度，對(duì)溫濕度傳感器的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

AI智慧流體管控系統(tǒng)開(kāi)啟模式下，機(jī)房?jī)?nèi)離空調(diào)機(jī)組最近端與最遠(yuǎn)端的室內(nèi)環(huán)境平均溫度差為1.3 ℃，機(jī)架人行通道內(nèi)的平均溫度為26.9 ℃。其中，室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最高溫度值為28.6 ℃，最低溫度值為25.3 ℃；機(jī)架內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最高溫度值為30.9 ℃，最低溫度值為27.2 ℃。

AI智慧流體管控系統(tǒng)關(guān)閉模式下，機(jī)房離空調(diào)機(jī)組最近端與最遠(yuǎn)端的室內(nèi)環(huán)境平均溫度差為2.0 ℃，機(jī)架人行通道內(nèi)的平均溫度為22.9 ℃。其中，室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最高溫度值為25.0 ℃，最低溫度值為20.5 ℃；機(jī)架內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最高溫度值為26.6 ℃，最低溫度值為22.2 ℃。

開(kāi)啟模式下，機(jī)房室內(nèi)2次測(cè)量的各時(shí)段平均溫度分別為 26.5 ℃、26.8 ℃和 26.6 ℃、26.6 ℃。關(guān)閉模式下，機(jī)房室內(nèi)兩次測(cè)量的各時(shí)段平均溫度分別為 22.5 ℃、22.6 ℃和 22.7 ℃、22.6 ℃。第一次測(cè)試期間，開(kāi)啟模式下的室內(nèi)平均溫度比關(guān)閉模式下的室內(nèi)平均溫度高4.1 ℃；第二次測(cè)試期間，開(kāi)啟模式下的室內(nèi)平均溫度比關(guān)閉模式下的室內(nèi)平均溫度高4.0 ℃。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)耗電量

在2021年11月8日10:00—2021年11月12日10:00、2021年11月15日10:00至2021年11月19日10:00，采集機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的逐時(shí)耗電量，并按照測(cè)試要求切換系統(tǒng)的控制邏輯，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的逐時(shí)耗電量分階段整理。開(kāi)啟模式與關(guān)閉模式下各時(shí)段空調(diào)系統(tǒng)每小時(shí)運(yùn)行的耗電量如圖4和圖5所示。

圖4 開(kāi)啟模式下各時(shí)段空調(diào)系統(tǒng)每小時(shí)的運(yùn)行耗電量

圖5 關(guān)閉模式下各時(shí)段空調(diào)系統(tǒng)每小時(shí)的運(yùn)行耗電量

在以上空調(diào)系統(tǒng)每小時(shí)運(yùn)行耗電量逐時(shí)變化曲線中，方框所勾選出的點(diǎn)為開(kāi)啟模式與關(guān)閉模式切換時(shí)刻，圓框所勾選出的點(diǎn)為空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行異常點(diǎn)。通過(guò)查閱空調(diào)機(jī)組運(yùn)行儲(chǔ)存記錄發(fā)現(xiàn)，開(kāi)啟模式與關(guān)閉模式相互切換時(shí)，由于空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)定溫度不同，室內(nèi)環(huán)境溫度相互存在干擾和延遲，在該時(shí)段的空調(diào)機(jī)組處于低功耗運(yùn)行狀態(tài)或高功耗運(yùn)行狀態(tài)。

由圖4可知，控制系統(tǒng)切換之初，空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行耗電量基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。關(guān)閉模式的設(shè)定溫度低于開(kāi)啟模式的設(shè)定溫度，此時(shí)室內(nèi)環(huán)境溫度處于緩慢升溫階段，當(dāng)回風(fēng)溫度等于或大于機(jī)組設(shè)定溫度時(shí)，空調(diào)機(jī)組壓縮機(jī)開(kāi)始正常做功。

由圖5可知，控制系統(tǒng)切換之初，空調(diào)機(jī)組處于高功耗運(yùn)行狀態(tài)。開(kāi)啟模式的設(shè)定溫度高于關(guān)閉模式的設(shè)定溫度，此時(shí)環(huán)境溫度需要快速降溫，以恢復(fù)至空調(diào)設(shè)定溫度范圍，空調(diào)機(jī)組壓縮機(jī)開(kāi)始高負(fù)荷做功。第一次測(cè)試期間，開(kāi)啟模式下空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行每小時(shí)平均耗電量約為24.1 kW·h，關(guān)閉模式下空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行每小時(shí)平均耗電量約為31.8 kW·h；第二次測(cè)試期間，開(kāi)啟模式下空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行每小時(shí)平均耗電量約為26.3 kW·h，關(guān)閉模式下空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行每小時(shí)平均耗電量約為29.5 kW·h。

2.3 節(jié)能率

根據(jù)節(jié)能率核定原則，由于空調(diào)系統(tǒng)改造前后的氣象條件、室內(nèi)熱環(huán)境、室內(nèi)負(fù)荷精況以及設(shè)備運(yùn)行時(shí)間4個(gè)客觀條件不同，因此以改造前的基本情況作為基準(zhǔn)，將改造后的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能量與基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比并計(jì)算節(jié)能率。

本次僅對(duì)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)和地板送風(fēng)通道進(jìn)行改造，建筑內(nèi)部負(fù)荷和設(shè)備運(yùn)行時(shí)間不發(fā)生改變，且機(jī)房受室外氣象條件影響較?。ㄏ噜徦闹芫鶠槠渌?jì)算機(jī)房），可忽略不計(jì)。整個(gè)測(cè)試期間，開(kāi)啟模式下的空調(diào)系統(tǒng)每小時(shí)平均耗電量約為25.2 kW·h，關(guān)閉模式下的空調(diào)系統(tǒng)每小時(shí)平均耗電量約為30.6 kW·h，節(jié)能率約為21.4%。

3 結(jié) 論

綜上所述，選取一個(gè)具有氣流組織差、冷量冗余、局部有熱點(diǎn)等典型問(wèn)題的現(xiàn)網(wǎng)傳統(tǒng)機(jī)房，通過(guò)搭建AI智慧流體管控系統(tǒng)改善氣流組織情況，使機(jī)房具備智能運(yùn)維能力，細(xì)化監(jiān)控顆粒度。經(jīng)過(guò)測(cè)試，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率達(dá)到21.4%，驗(yàn)證了節(jié)能改造方案的有效性和可行性，未來(lái)可以根據(jù)其他傳統(tǒng)機(jī)房的實(shí)際情況進(jìn)行推廣應(yīng)用。