基于AI 控制技术的运营商数据中心空调节能研究

肖丹阳

（中国联合网络通信有限公司徐州市分公司，江苏 徐州 221000）

0 引 言

随着数字经济的腾飞，作为通信与网络的载体，我国数据中心的建设规模越来越大。截止到2021 年底，在用数据中心机架规模达到520 万架[1]。随着东数西算国家战略的提出，我国将在西部地区建设大量的数据中心，为现代化建设和数字经济的发展打下坚实的基础。在建设网络能源基础设施早期，由于技术相对匮乏，数据中心精密空调大多采用低效的定频技术和管路复杂的冷冻水建设模式，存在能耗高、运维难度大、成本高等问题。目前，数据中心耗电量已达社会总用电量的1.25%[2]。对于数据中心能源行业，很多省（自治区、直辖市）从2018 年开始陆续出台电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）约束政策。《北京市新增产业的禁止和限制目录（2018年版）》指导文件中规定，新建互联网数据中心PUE值不得高于1.4[3]。江苏省工业和信息化厅印发的《江苏省新型数据中心统筹发展实施意见》中提到，到2023 年底，要求新建大型及以上数据中心PUE 值降到1.3 以下。同时，随着“3060 国家双碳战略”的提出，数据中心作为用能大户，节能降耗势在必行。运营商作为数据中心建设的主力军，担负着节能降耗的任务。除了互联网技术（Internet Technology，IT）基础设备的能耗，精密空调制冷系统和供配电系统是能耗相对较大的部分，其中空调耗能约占总能源基础设施能耗的60%，供配电耗能约占30%。市面主流电源制造商的电源产品效率普遍能够达到94%以上，效率提升空间有限。受制于电源效率瓶颈，电源端节能效果有限。空调系统具备多种不同原理的制冷方式，且各种制冷方式的硬件机械效率差异较大，因此应从降低空调系统着手降低数据中心的PUE 值。为满足各地PUE 约束政策的要求，落实推进国家双碳战略，采用更加节能的硬件空调设备和软件控制技术新建数据中心势在必行。

1 数据中心空调节能技术探讨

1.1 蒸发冷却空调技术

蒸发冷却是一项利用水蒸发吸热带走热量的制冷方式。按照喷淋水和被处理空气的接触方式，可以分为直接蒸发冷却和间接蒸发冷却[4]。数据中心经常使用间接蒸发冷却技术。首先，喷淋水和室外空气具备压力差，在湿通道内利用水蒸发吸热进行制冷，从而得到温度较低的湿空气（二次侧）；其次，在空-空换热器中，二次侧湿空气与待处理的一次侧空气换热，从而降低一次侧空气的温度；最后，将一次侧冷空气加压后送至数据中心。蒸发冷却空调在数据中心一般有3种运行模式，即干工况、湿工况以及混合工况。干工况和湿工况的耗能设备是风机和水泵，只有混合工况才会使用机械制冷，因此蒸发冷却空调全年的综合能效比较高。但是，蒸发冷却技术受室外空气湿度的影响较大。在我国南方地区，由于空气湿润，水蒸发能力有限，该技术使用受限。此外，换热芯体对水质要求较高，通常需要设置水处理装置，增加造价和运维难度。市场上的蒸发冷却空调单台制冷量一般为200 kW 或260 kW，多应用于大型数据中心。

1.2 全变频风冷氟泵技术

目前，全变频风冷氟泵技术是数据中心运用较多的空调系统节能技术。变频技术在民用空调领域应用成熟，在数据中心的应用相对较晚，但节能效果显著。它利用变频压缩机和变频风机，根据实际负载率动态调节压缩机开度和风机转速，从而实现节能效果。氟泵技术是指在冬季或过渡季节室外温度较低时，利用氟泵（制冷剂泵）驱动制冷剂进行室外换热循环，充分利用室外自然冷源，减少压缩机的机械制冷时间，从而降低空调系统整体的能耗。与蒸发冷却技术类似，氟泵技术的使用效果也受地理位置的影响。在我国北方地区，由于冬季时间跨度长且温度低，更适合使用氟泵自然冷技术。

为降低空调系统的能耗，中国联通徐州铜山数据中心项目采用了维谛技术PEX4S 全变频风冷氟泵空调系统。

1.3 AI 控制技术

随着人工智能（Artificial Intelligence，AI）和机器学习技术的发展，AI 自动控制技术逐渐应用于数据中心能源领域。

针对空调系统采用维谛技术AI 控制技术，采取长短期记忆（Long Short Term Memory，LSTM）神经网络、深度Q 网络（Deep Q Network，DQN）算法、DynaQ 算法，通过学习IT（服务器）功率、空调配置、天气与数据中心温度和PUE 之间的关系，不断寻找更优的空调开机数、空调开机位置、空调送风温度设定点，从而达到降低PUE 值和维护数据中心安全的目的。运行过程中，算法以1.5 h 为周期提供节能方案，同时以5 min 为周期检测环境安全。检测到安全问题时，系统会提供新的节能方案，否则不进行处理。1.5 h 的周期和5 min 的采集间隔均为理想时间，实际检测过程中，数据获取和运行耗时等因素会造成略微滞后，误差不超过1 min。本项目采用AI 自动控制解决方案，具有免工程、免调试、快速上线等特点，节能效果显著，并且能够实现全链路可视化，全方位打造低碳数据中心。

2 运营商数据中心能耗指标实测及节能分析

2.1 数据中心能耗指标实测

中国联通徐州铜山数据中心位于徐州市铜山区凤山路3 号，项目建设面积为350 m2，建设4 套维谛技术Smart Aisle 微模块机房，共计128 个规格为600 mm×1 200 mm×2 200 mm（宽×深×高）的机柜，单台机柜设计负载为5.2 kW。制冷系统采用维谛技术PEX4S 全变频风冷氟泵房间级空调方案，气流组织采用地板下送风的形式，同时搭载维谛技术的AI 控制技术。项目测试现场如图1 所示。

图1 项目测试现场

能耗指标实测概况如下。

（1）测试对象：选取其中一套微模块共32 个机柜，单机柜负载为了更加真实有效地模拟其工作环境，在架高地板静压箱和机房热通道环境设置了封挡组件。

（2）测试时间：2022 年9 月19 日—2022 年9月22 日。

（3）测试环境：温度为19 ～27 ℃，相对湿度为45%～75%，气压为86 ～106 kPa。

（4）测试方法：根据《数据中心能效限定值及能效等级》（GB 40879—2021）中的数据采样点位置，选取列头柜输入端为测点，测量IT 负载用电量；选取不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）输入端、空调输入端、安防照明输入端为测点，分别测量用电量，用于计算总用电量[5]。

（5）测试工况：利用假负载，分别测试开启AI功能和未开启AI 功能时，25%负载率、50%负载率、75%负载率以及100%负载率工况下，该模块化机房的PUE 值。

2.2 关闭AI 功能工况能耗指标分析

开启变频空调，AI 功能关闭时，4 种负载率工况实测数据如表1 所示。需要注意的是，由于测试时间为9 月份，氟泵模式关闭。

表1 AI 功能关闭时，4 种负载率工况下的PUE 实测值

经实测，25%负载率、50%负载率、75%负载率以及100%负载率工况下的PUE 值分别为1.291、1.196、1.169 和1.248，均小于1.300，能够满足新建数据中心能耗标准要求。

存量数据中心大多采用定频空调技术，PUE 值通常达1.6 以上。可见，采用模块化机房搭载变频氟泵技术能够极大低降低数据中心能耗。以100%负载率为例，数据中心能源基础设施整体能耗降低至41.3%。

2.3 开启AI 功能工况能耗指标分析

开启变频空调，AI 功能开启时，4 种负载率工况实测数据如表2 所示。需要注意的是，由于测试时间为9 月份，氟泵模式关闭。

经对比分析可知：25%负载率下，空调系统节能22.1 个百分点；50%负载率下，空调系统节能11.2 个百分点；75%负载率下，空调系统节能33.1个百分点；100%负载率下，空调系统节能18.1 个百分点，节能效果明显。

3 结 论

中国联通徐州铜山数据中心采用AI 控制技术，能够显著降低空调系统能耗。经理论计算可知，在满载工况下，每年能够节省电能192 412 kW·h。电能成本按照0.8 元/（kW·h）计算，一年可节省电费153 930 元。