雙碳背景下數據中心節能改造創新實踐

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和信息化部印發的《新型數據中心發展三年行動計劃（2021—2023年）》中明確指出，我國存量數據中心數量龐大，普遍存在建成年代較久、設計標準偏低、設備老化、能耗高及電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）較高等問題，隨著“雙碳”目標推進，高能耗數據中心將受到運營成本高昂、政策擠壓等多重影響，面臨嚴峻的生存危機，改造意愿強烈。要加速改造升級“老舊小散”數據中心。因此，為適應節能政策的要求和自身運維成本的實際訴求，存量數據中心節能改造項目已成為數據中心低碳發展的重要路徑之一[1]。

隨著互聯網、大數據、云計算等信息技術的不斷發展，市場對數據、算力的需求呈爆發式增長，數據中心發展也步入高速發展期，但隨著互聯網數據中心（Internet Data Center，IDC）機房能耗占比越發趨高。據統計，在機房能耗分布中，機房空調用電量占到用電總量的30%～40%，能耗高、效率低，導致老舊數據中心PUE普遍高于1.5。如何有效降低機房空調的耗電量、提高能效比、充分壓降整體PUE，已經成為信息能源領域長期關注和持續研究的一個專項課題[2]。

1 老舊數據中心空調節能的難點

老舊數據中心由于機房能耗計量顆粒度一般到配電柜，單臺精密空調無獨立計量，因此無法通過大數據分析每臺空調的運行負載率情況，判斷空調能源轉換效率之比（Coefficient Of Performance，COP）衰減情況。精密空調的獨立計量及能耗管理、COP采集時本次實踐的關鍵點。

湖北省武漢市屬北亞熱帶季風性濕潤氣候，具有四季分明、日照充足、夏季酷熱、冬季寒冷的特點，武漢地區全年室外溫度分布曲線如圖1所示。數據中心空調制冷量按夏季最大負荷需要配置，在其他季節具有冷量冗余，但老舊數據中心傳統定頻空調的剛性調節方式使空調能耗高，目前采用人工節能方式調整空調運行數量，溫度設定值等進行粗放式節能，故精密空調的節能技改是本次實踐的關鍵點。

圖1 武漢地區全年室外溫度分布曲線圖

2 精密空調自適應節能技術

精密空調自適應節能技術是中國電信武漢分公司重點研究并成功應用的一項新型節能技術，該技術歷經前期的全面論證、小批量試點以及數據中心的規模應用。

2.1 技術方案架構

方案架構如圖2所示。

圖2 方案架構

（1）空調側。增加智能電表，完善單臺精密空調能耗計量及負荷分析；一對一增加精密空調自適應節能控制器，實現空調負荷實時動態調節。空調自適應技術節能改造現場如圖3所示。

圖3 空調自適應技術節能改造現場

（2）機房側。每個機房增加1套通信網關，將所有智能電表、節能設備全部接入電信動力環境監控系統。

2.2 自適應節能技術原理

2.2.1 將原精密空調有級啟停變為無極調速

精密空調風機24 h運行，風機調速分3檔調節，壓縮機全關時最低風量運行；壓縮機開1臺時中檔風量運行；壓縮機全開時最高風量運行。壓縮機根據回風溫度值頻繁加載、卸載控制冷量輸出，總體冷量調節模式為0、50%、100%這3個檔位調節，調節幅度過大，實際冷量輸出無法實時與末端實際熱負荷需求匹配，浪費部分負載下的冗余制冷量。

自適應節能改造后，風機與壓縮機實現同步調速控制，且全部實現在安全溫度比例帶內的無極調節，空調冷量輸出實時與末端實際熱負荷需求所匹配，大幅降低了空調回風溫度震蕩幅度，節約部分負載下的制冷冗余量。節能原理如圖4所示。

圖4 節能原理

2.2.2 充分利用換熱面積提升制冷效率

兩臺壓縮機的精密空調調節模式為0、50%、100%這3個檔位調節。空調處于0%、50%檔位控制時，機組蒸發器、冷凝器處于閑置狀態；空調處于100%檔位控制時，蒸發器與冷凝器又限制空調的冷量輸出。此種控制模式的蒸發器與冷凝器不能被充分利用，機組制冷效率低。在輸出相同冷量的條件下，壓縮機運行能耗增加。針對原精密空調的控制模式，在溫度比例帶內引入自適應無極調速技術，當壓縮機變速運行時，系統制冷劑流量減小，由于系統冷凝器換熱面積固定，保持原有換熱能力，將產生更好的冷凝壓力，降低了高壓壓力，并適當提升了蒸發壓力，壓縮機的背壓減少，從而降低了壓縮機運行電流，發揮明顯的節能作用。

2.3 自適應節能技術的關鍵創新點

（1）壓縮機回油控制技術。傳統渦旋壓縮機的回油是通過自身的一部分壓力作為回油動力。壓縮系統冷媒管路集油主要在于蒸發器出口至氣液分離器管段，該管路由于低溫、低壓可能會導致部分潤滑油析出黏滯在管壁上。采用自適應節能運行模式下，由于壓縮機運行頻率降低，長期低速運行可能導致部分潤滑油黏滯在壓縮機壁上，降低壓縮機回油潤滑能力。基于此，使用自適應節能技術必須配套對應的回油保障控制策略，末端控制系統將按照現有空調的回油管路情況及回油周期，在各不同頻率段累加運行時間到達閾值后，定期自動啟動回油控制程序，加大冷媒壓力、流速，進而將可能黏滯在管壁上的潤滑油回流到壓縮機內，且確保回油程序運行時間大于原精密空調的回油周期的1.5倍，以此確保壓縮機順利回油，保證壓縮機運行安全。

（2）神經網絡控制算法。自適應節能裝置可依據空調回風溫度數據、空調運行負荷數據、室外溫度數據，構建以空調回風溫度優先保障的負荷輸入、輸出模型，采用神經網絡算法，自動尋優輸出空調側的調頻指令，可確保在節能運行過程中，空調側的回風溫度控制水平得到充足保證。

（3）旁路接入設計。采用旁路設計方式與精密空調對接，在保留原精密空調電氣回路的基礎上，設計并聯回路。一方面，確保即使節能設備出現故障，可自動跳轉旁路不影響精密空調運行；另一方面，此種模式與精密空調主控制板無物理接連，完全不改變原精密空調風機、壓縮機的啟停機制及報警機制，充分確保安全性。

3 合同能源項目管理關鍵點

2021年10月國務院印發《2030年前碳達峰行動方案》中指出：“積極推行合同能源管理，推廣節能咨詢、診斷、設計、融資、改造、托管等“一站式”綜合服務模式”。本次節能改造項目采用合同能源的商務模式，即節能服務公司與用能單位以契約形式約定節能項目的節能目標，節能服務公司為實現節能目標向用能單位提供必要的服務，用能單位以節能效益支付節能服務公司的投入及其合理利潤的節能服務機制，其實質是以減少的能源費用來支付節能項目全部成本的節能業務方式。對于用能單位不需要承擔節能項目實施的資金、技術風險，降低用能成本。同時，用能單位和節能公司根據國家和地方相關政策能享受相應的補貼、獎勵、稅費等優惠。合同能源管理方式的關鍵在于依據標準、科學計量、透明核算3個方面，充分激勵合作伙伴，確保項目節能成效和運營質量。

3.1 依據標準

節能測試依據《用能單位節能量計算方法》（GB/T 13234—2018）進行，根據本次應用技術特性，采用直接的“有無對比法”進行，即定時開關節能系統，直接對比一定周期內的節能效果[3]。

3.2 科學計量

每臺空調的能耗計量接入動力環境監控系統，所有基礎電量數據來源于監控系統自動記錄，客觀準確。節能效果測試周期選擇為每月，每個月查詢天氣預報，選擇室外溫差1 ℃以內的相鄰兩天，定時開關節能系統，進行當月節能效率的測試。如存在較大偏差，可進行補充測試。

當月節電率計算公式為

式中：D0為 24 h 非節能模式總耗電量；D1為 24 h 節能模式總耗電量。

當月節電量計算公式為

式中：T0為當月非節能模式下的總耗電量；T1為當月節能模式下的總耗電量。

同時統計該數據中心的歷史實際繳納電費，與實際測試的節能量進行比對，作為參考比對指標。

3.3 透明核算

雙方形成固有機制，每個月由動環系統導出每臺空調的實際用電量進行統計，并且在每個月的測試期及結算的起始時間點，由雙方共同至現場對每臺智能電表進行拍照留存。

每個月形成4張標準化表格，分別是節能率測試表、節能量統計表、原始電表現場照片圖表、動環原始數據記錄表，由雙方專人簽字確認。結算周期為每個季度結算一次，按照雙方每個月統計的實際節能量，按照實際電單價及合同約定分享比例，進行節能費用分享。

為充分激勵節能公司采用最優方案，持續推進節能服務和擴大節能成效，節能效益采用保底機制和封頂，若實際節能效益未達到承諾值，用能單位按照保底收益收取，多余部分支付節能服務公司。同時，節能分享時間及總分享金額均設置上限，任達其一即結束分享，設備產權全部移交用能單位所有。

4 效益分析

4.1 應用概況

應用地點為武漢電信某IDC數據中心；應用規模，改造12個獨立機房，51臺精密空調（2015—2017年投運），改造總制冷量5 230 kW；項目實施周期，2021年11月15日啟動實施，總計實施周期43 d（包含初驗及試運行7 d）；項目運行時間，2022年1月正式進入運營收益期。

4.2 節能效益

根據2022年1月至6月，實際測試節能效益匯總如表1所示。

表1 2022年某IDC機房節能效益統計表

2022年1月—2022年6月，某IDC 51臺精密空調總計節能約117.7×104kW·h。目前武漢公司平均電單價0.789元/（kW·h）（含稅），2022年1月至2022年6月總計節約能耗費用約92.9萬元，整體平均節能率達到33.6%，節能效果超過預期。

圖5 2022年1月至2022年6月某數據中心節能效果

某IDC機房實施節能后，數據中心機房平均PUE最低值到1.39，但目前仍有個別機房PUE高于1.5的情況，主要因為機柜上架率不高、機房存在局部熱點等原因導致。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

通過本次實踐，某數據中心能耗計量顆粒度精細至每臺空調，同時每臺空調負荷情況可監、可測、可追溯。通過精密空調自適應節能系統，將人工管理變為自動管理節能方式，空調送回風溫度信息、空調及節能設備運行信息、空調的負載率信息等實現數字化管控，對后續推進AI節能提供了大數據支撐[4,5]。

4.4 經濟及社會效益

某數據中心改造后預計每年可節約能耗超過235×104kW·h，每年節約電費支出超過183萬元，經濟效益明顯，每年可減排折算標煤超過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 論

本案例是老舊數據中心節能改造的成功案例之一，是中國電信集團有限公司踐行央企責任，實踐綠色低碳發展的創新應用，對于PUE超過1.5的數據中心進行空調節能改造后降低至1.4以下，具有示范和借鑒價值。空調自適應節能技術旁路接入空調，安全性高、實施簡便、部署靈活，兼容各品牌直膨式精密空調，適合大多數采用風冷型定頻精密空調的存量數據中心節能改造場景。此外，雖然數據中心合同能源管理項目具有“一樓一案”的特點，本案例明確了空調自適應節能改造合同能源項目的關鍵點，即在確保依托標準、科學計量、透明核算的基礎上的節能收益核算，可推進實現用能單位和節能公司的合作共贏。