肖丹陽

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司徐州市分公司，江蘇 徐州 221000）

0 引 言

隨著數(shù)字經(jīng)濟的騰飛，作為通信與網(wǎng)絡的載體，我國數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模越來越大。截止到2021 年底，在用數(shù)據(jù)中心機架規(guī)模達到520 萬架[1]。隨著東數(shù)西算國家戰(zhàn)略的提出，我國將在西部地區(qū)建設(shè)大量的數(shù)據(jù)中心，為現(xiàn)代化建設(shè)和數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。在建設(shè)網(wǎng)絡能源基礎(chǔ)設(shè)施早期，由于技術(shù)相對匱乏，數(shù)據(jù)中心精密空調(diào)大多采用低效的定頻技術(shù)和管路復雜的冷凍水建設(shè)模式，存在能耗高、運維難度大、成本高等問題。目前，數(shù)據(jù)中心耗電量已達社會總用電量的1.25%[2]。對于數(shù)據(jù)中心能源行業(yè)，很多省（自治區(qū)、直轄市）從2018 年開始陸續(xù)出臺電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）約束政策?！侗本┦行略霎a(chǎn)業(yè)的禁止和限制目錄（2018年版）》指導文件中規(guī)定，新建互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心PUE值不得高于1.4[3]。江蘇省工業(yè)和信息化廳印發(fā)的《江蘇省新型數(shù)據(jù)中心統(tǒng)籌發(fā)展實施意見》中提到，到2023 年底，要求新建大型及以上數(shù)據(jù)中心PUE 值降到1.3 以下。同時，隨著“3060 國家雙碳戰(zhàn)略”的提出，數(shù)據(jù)中心作為用能大戶，節(jié)能降耗勢在必行。運營商作為數(shù)據(jù)中心建設(shè)的主力軍，擔負著節(jié)能降耗的任務。除了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet Technology，IT）基礎(chǔ)設(shè)備的能耗，精密空調(diào)制冷系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)是能耗相對較大的部分，其中空調(diào)耗能約占總能源基礎(chǔ)設(shè)施能耗的60%，供配電耗能約占30%。市面主流電源制造商的電源產(chǎn)品效率普遍能夠達到94%以上，效率提升空間有限。受制于電源效率瓶頸，電源端節(jié)能效果有限?？照{(diào)系統(tǒng)具備多種不同原理的制冷方式，且各種制冷方式的硬件機械效率差異較大，因此應從降低空調(diào)系統(tǒng)著手降低數(shù)據(jù)中心的PUE 值。為滿足各地PUE 約束政策的要求，落實推進國家雙碳戰(zhàn)略，采用更加節(jié)能的硬件空調(diào)設(shè)備和軟件控制技術(shù)新建數(shù)據(jù)中心勢在必行。

1 數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能技術(shù)探討

1.1 蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)

蒸發(fā)冷卻是一項利用水蒸發(fā)吸熱帶走熱量的制冷方式。按照噴淋水和被處理空氣的接觸方式，可以分為直接蒸發(fā)冷卻和間接蒸發(fā)冷卻[4]。數(shù)據(jù)中心經(jīng)常使用間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)。首先，噴淋水和室外空氣具備壓力差，在濕通道內(nèi)利用水蒸發(fā)吸熱進行制冷，從而得到溫度較低的濕空氣（二次側(cè)）；其次，在空-空換熱器中，二次側(cè)濕空氣與待處理的一次側(cè)空氣換熱，從而降低一次側(cè)空氣的溫度；最后，將一次側(cè)冷空氣加壓后送至數(shù)據(jù)中心。蒸發(fā)冷卻空調(diào)在數(shù)據(jù)中心一般有3種運行模式，即干工況、濕工況以及混合工況。干工況和濕工況的耗能設(shè)備是風機和水泵，只有混合工況才會使用機械制冷，因此蒸發(fā)冷卻空調(diào)全年的綜合能效比較高。但是，蒸發(fā)冷卻技術(shù)受室外空氣濕度的影響較大。在我國南方地區(qū)，由于空氣濕潤，水蒸發(fā)能力有限，該技術(shù)使用受限。此外，換熱芯體對水質(zhì)要求較高，通常需要設(shè)置水處理裝置，增加造價和運維難度。市場上的蒸發(fā)冷卻空調(diào)單臺制冷量一般為200 kW 或260 kW，多應用于大型數(shù)據(jù)中心。

1.2 全變頻風冷氟泵技術(shù)

目前，全變頻風冷氟泵技術(shù)是數(shù)據(jù)中心運用較多的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)。變頻技術(shù)在民用空調(diào)領(lǐng)域應用成熟，在數(shù)據(jù)中心的應用相對較晚，但節(jié)能效果顯著。它利用變頻壓縮機和變頻風機，根據(jù)實際負載率動態(tài)調(diào)節(jié)壓縮機開度和風機轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)節(jié)能效果。氟泵技術(shù)是指在冬季或過渡季節(jié)室外溫度較低時，利用氟泵（制冷劑泵）驅(qū)動制冷劑進行室外換熱循環(huán)，充分利用室外自然冷源，減少壓縮機的機械制冷時間，從而降低空調(diào)系統(tǒng)整體的能耗。與蒸發(fā)冷卻技術(shù)類似，氟泵技術(shù)的使用效果也受地理位置的影響。在我國北方地區(qū)，由于冬季時間跨度長且溫度低，更適合使用氟泵自然冷技術(shù)。

為降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗，中國聯(lián)通徐州銅山數(shù)據(jù)中心項目采用了維諦技術(shù)PEX4S 全變頻風冷氟泵空調(diào)系統(tǒng)。

1.3 AI 控制技術(shù)

隨著人工智能（Artificial Intelligence，AI）和機器學習技術(shù)的發(fā)展，AI 自動控制技術(shù)逐漸應用于數(shù)據(jù)中心能源領(lǐng)域。

針對空調(diào)系統(tǒng)采用維諦技術(shù)AI 控制技術(shù)，采取長短期記憶（Long Short Term Memory，LSTM）神經(jīng)網(wǎng)絡、深度Q 網(wǎng)絡（Deep Q Network，DQN）算法、DynaQ 算法，通過學習IT（服務器）功率、空調(diào)配置、天氣與數(shù)據(jù)中心溫度和PUE 之間的關(guān)系，不斷尋找更優(yōu)的空調(diào)開機數(shù)、空調(diào)開機位置、空調(diào)送風溫度設(shè)定點，從而達到降低PUE 值和維護數(shù)據(jù)中心安全的目的。運行過程中，算法以1.5 h 為周期提供節(jié)能方案，同時以5 min 為周期檢測環(huán)境安全。檢測到安全問題時，系統(tǒng)會提供新的節(jié)能方案，否則不進行處理。1.5 h 的周期和5 min 的采集間隔均為理想時間，實際檢測過程中，數(shù)據(jù)獲取和運行耗時等因素會造成略微滯后，誤差不超過1 min。本項目采用AI 自動控制解決方案，具有免工程、免調(diào)試、快速上線等特點，節(jié)能效果顯著，并且能夠?qū)崿F(xiàn)全鏈路可視化，全方位打造低碳數(shù)據(jù)中心。

2 運營商數(shù)據(jù)中心能耗指標實測及節(jié)能分析

2.1 數(shù)據(jù)中心能耗指標實測

中國聯(lián)通徐州銅山數(shù)據(jù)中心位于徐州市銅山區(qū)鳳山路3 號，項目建設(shè)面積為350 m2，建設(shè)4 套維諦技術(shù)Smart Aisle 微模塊機房，共計128 個規(guī)格為600 mm×1 200 mm×2 200 mm（寬×深×高）的機柜，單臺機柜設(shè)計負載為5.2 kW。制冷系統(tǒng)采用維諦技術(shù)PEX4S 全變頻風冷氟泵房間級空調(diào)方案，氣流組織采用地板下送風的形式，同時搭載維諦技術(shù)的AI 控制技術(shù)。項目測試現(xiàn)場如圖1 所示。

圖1 項目測試現(xiàn)場

能耗指標實測概況如下。

（1）測試對象：選取其中一套微模塊共32 個機柜，單機柜負載為了更加真實有效地模擬其工作環(huán)境，在架高地板靜壓箱和機房熱通道環(huán)境設(shè)置了封擋組件。

（2）測試時間：2022 年9 月19 日—2022 年9月22 日。

（3）測試環(huán)境：溫度為19 ～27 ℃，相對濕度為45%～75%，氣壓為86 ～106 kPa。

（4）測試方法：根據(jù)《數(shù)據(jù)中心能效限定值及能效等級》（GB 40879—2021）中的數(shù)據(jù)采樣點位置，選取列頭柜輸入端為測點，測量IT 負載用電量；選取不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）輸入端、空調(diào)輸入端、安防照明輸入端為測點，分別測量用電量，用于計算總用電量[5]。

（5）測試工況：利用假負載，分別測試開啟AI功能和未開啟AI 功能時，25%負載率、50%負載率、75%負載率以及100%負載率工況下，該模塊化機房的PUE 值。

2.2 關(guān)閉AI 功能工況能耗指標分析

開啟變頻空調(diào)，AI 功能關(guān)閉時，4 種負載率工況實測數(shù)據(jù)如表1 所示。需要注意的是，由于測試時間為9 月份，氟泵模式關(guān)閉。

表1 AI 功能關(guān)閉時，4 種負載率工況下的PUE 實測值

經(jīng)實測，25%負載率、50%負載率、75%負載率以及100%負載率工況下的PUE 值分別為1.291、1.196、1.169 和1.248，均小于1.300，能夠滿足新建數(shù)據(jù)中心能耗標準要求。

存量數(shù)據(jù)中心大多采用定頻空調(diào)技術(shù)，PUE 值通常達1.6 以上?？梢姡捎媚K化機房搭載變頻氟泵技術(shù)能夠極大低降低數(shù)據(jù)中心能耗。以100%負載率為例，數(shù)據(jù)中心能源基礎(chǔ)設(shè)施整體能耗降低至41.3%。

2.3 開啟AI 功能工況能耗指標分析

開啟變頻空調(diào)，AI 功能開啟時，4 種負載率工況實測數(shù)據(jù)如表2 所示。需要注意的是，由于測試時間為9 月份，氟泵模式關(guān)閉。

經(jīng)對比分析可知：25%負載率下，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能22.1 個百分點；50%負載率下，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能11.2 個百分點；75%負載率下，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能33.1個百分點；100%負載率下，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能18.1 個百分點，節(jié)能效果明顯。

3 結(jié) 論

中國聯(lián)通徐州銅山數(shù)據(jù)中心采用AI 控制技術(shù)，能夠顯著降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。經(jīng)理論計算可知，在滿載工況下，每年能夠節(jié)省電能192 412 kW·h。電能成本按照0.8 元/（kW·h）計算，一年可節(jié)省電費153 930 元。