奖项巡礼 | 基于AI等多技术融合的“慧节能”数据中心低碳节能技术与应用

采用大数据、AI、物联网和自动控制技术，计算最高效工况的温度、运行模式、运行数量及其频率等参数，针对制冷设备全局调优，实现制冷能耗精细化运营。在运行维护阶段，智慧节能利用 IT 技术，提升制冷系统运行管理水平，达到节能和降低PUE的目的。方案基于现网动环数字化能力，采用大数据、AI、物联网和自动控制技术，针对制冷设备全局调优，实现制冷能耗精细化运营，并与传统节能方案相辅相成。

自主研发的《S-Cloud 可视化智慧运维管理平台》以大屏可视化、3D 建模等多种方式，展示节能相关数据。包括各级能耗、能效、设备数量统计值；能耗随时间变化的趋势；制冷设备运行状态和关键指标；调控策略和告警输出等；支持自定义展现元素。

本系统主要的创新点如下：

（1）海量数据预处理

采用大数据分析和预处理技术针对海量的采集数据进行压缩和清洗。利用小波分析方法进行噪声数据预处理，利用 K-Means 和 KNN 算法对数据进行异常值识别与修复。

（2）设备数据模型建立

根据公司多年冷机和机房空调设备的经验，采用基于机器学习RNN算法的方法进行历史数据训练，识别出热环境系统中各个设备模型中的未知量。所有设备的数据模型在后期数据中心的持续运行中会不断更新，以实现数学模型与实际热力学模型的磨合，逐渐缩小两者的差异（如图4）。

（3）负荷预测技术

通过数据中心机房环境动态温度场的建模及CFD温度场模拟，对整个数据中心环境进行热负荷响应模型的建立，真实的反应当前数据中心机房的负荷情况，为动态调节提供数据支撑和数学模型（如图5）。

(4）优化运行学习算法

对于数据中心热环境系统，需要确定一个函数关系，作为最终约束的目标函数。很显然，最终的目的是优化相关的控制参数，使得数据中心热环境系统的总能耗最低。这涉及到多个参数、多个目标的求解问题，需要运用一些机器学习算法进行多参数多目标问题的求解。例如对冷水机组性能的主要因素进行皮尔森分析，找出影响冷机性能的主要因素。

在数据中心建设阶段，采用新技术融合并贯穿至整个项目建设周期，达到降低PUE值以及节能减排的目的。

新技术的采用主要包括以下内容：CFD仿真及气流组织优化：实现满足温度限值时的最小风送风量；利用板式换热器：冬季及多度季节利用自然冷源；热管背板空调应用：提高空调制冷效率；对UPS系统的优化控制：在负载率30%以上时效率基本达到满载的效率；对变频系统的优化控制：多台并机、降频运行可以极大地节省设备功耗；对精密空调系统的优化控制：IT负载未满载时，增加运行数量，降低单台风量有助于节能；优化冷却塔选型：提升自然冷源利用时间；冷水机组的选型（变频）：采用 COP/IPLV 的变频离心机组；变压器选型（非晶合金变压器）：空载损耗仅为硅钢变压器的20%。

（1）高频UPS供电技术

当前，在数据中心庞大的耗能情况下，我们除了关注供电系统的安全可靠性以及系统可用性等方面外，我们开始更加关注供电系统的效率问题，因为作为数据中心的核心构成部分，供电系统本身供电效率的高低也一定程度上影响了数据中心的能耗比（PUE）高低。近年来，数据中心大容量UPS高频化的趋势越来越明显，应用“高频UPS供电技术”，极大提高了能源转换的效率。

（2）热管背板技术应用

热管背板空调可以充分的利用自然冷源、并解决系统对水质的高要求问题，具有良好的节能节水效果，可以提升数据中心综合能源利用率，降低PUE，还可以实现高功率机柜的部署，规划更大冷量节能空调机组的研发。制冷原理：服务器排出的热风与安装在机柜背后的直冷背板进行交换，热量使得背板内部的环保工质发生相变，有液体变为气态，将服务器排出的热量带到中间冷却装置-高效板式换热器，经板换冷却后的环保工质变为液体，工质依靠自身重力和相变产生的动力回流直冷背板，完成换热循环。

特点：1、热管背板技术排热量大，单机柜排热量＞10kW；2、安装不占用地面空调，十分适用于发热密度高，且安装空间有限的数据机房；3、节能效果好；4、设备初投资大。

（3）全变频冷水主机系统

数据中心基于自身的应用特点，对离心式冷水机组有着更高的要求，比如要求机组更加稳定可靠、节能、避免喘振、快速重启等等。而变频离心式冷水机组契合了数据中心的应用要求. 数据中心冷水机组设计为 N+1 冗余设计，结合变频机组热备模式运行，即使数据中心 IT 设备负载率很高的情况下，冷机绝大部分时间也在部分负荷状态运行。变频离心冷水机组在部分负荷下效率比定频机组高很多。并且，随着冷却水进水温度降低，变频机组的节能效果更加明显。

（4）行级空调技术

行级空调是放在服务器机柜列间，热源直接散热的设备，行级机房精密空调属于机房空调的一种，为水平送风机组，行级式机房空调专门为通信机房列间进行研发设计的，主要应用于高热密度数据中心。由于数据中心所使用的服务器或通信用设备本身的散热量愈来愈大，用传统的空调制冷方式已经不能满足设备对温、湿度的要求，为了达到设备高效率冷却、不产生局部过热现象，冷空气必须由组织的进入设备的内部进行排热，此时采用冷、热通道隔离或是封闭冷、热通道的方式，可以有效地控制因冷风气流和热风气流短路，导致冷却的效果减弱。行级机房空调的设计，冷风是从冷通道送风、后由热通道回风的水平送风方式，从而完全解决了冷热气流短路的问题，保障了服务器机柜温度的均匀，消除了局部热点，进而增加了服务器的运行可靠性同时有效的降低了不必要的能耗。

（5）微模块一体化机房

“微模块一体化机房”，即主机房（含 IT 机柜区域与空调间），是指数据中心建筑物内承载IT 设备（通用机柜、整装服务器机柜、DC 舱及同类产品）的机房空间，同时也包括安装在主机房中的 IT 机柜、空调末端、配电柜、各类管线以及监控、照明、消防和机房装修等，通过对这些组成部分的整体考虑与设计，形成一体化的方案。一体化机房是构成数据中心的核心单元，直接决定了数据中心的业务能力。

微模块数据中心是将传统机房的机架，空调，消防，布线，配电，监控，照明等系统集成为一体化的产品，充分发挥了模块化设计的优势，可以实现系统的快速、灵活部署，这不仅可以大幅降低建设成本，而且能够大幅缩短数据中心的建设周期，微模块数据中心的建设周期减少至 8-12周。

图 8：微模块一体化机房

（6）设备

选用非晶合金变压器。通过变压器合理选型，尽可能地降低空载损耗（铁损），适当降低变压器的负载损耗（铜损）。非晶合金铁心变压器是利用铁、硼、碳和硅四种元素合成的非晶合金做铁心材料而制作成的变压器，铁磁损失极小。例如 SCRBH15 系列非晶合金变压器空载损耗比普通 SCB 系列干式变压器平均空载损耗低 70%左右，是目前空载损耗最低、最为节能的变压器。非晶合金变压器拥有 99%以上的超高效率，节能效果显著，每年节省可观的电费支出。

一个机柜内集成供配电、UPS、变频空调、应急通风、线缆管理等功能，一个机柜即一个功能齐全的数据中心。自主研发的《多业务前端一体化控制箱》产品可应用于绿色数据中心建设阶段，产品将多个单独模块集成一体，有效节约设备安装部署时间，节约空间。电能管理、环境控制等集成在一个控制箱内，具备功能全、易建设、易扩容、节能环保的特点，由此可扩大为一个机柜内集成供配电、UPS、变频空调、应急通风、线缆管理等功能，一个机柜即一个功能齐全的数据中心。其中UPS效率可达到0.94以上，且全封闭设计，无需对环境制冷，可节省风机耗能。本产品各系统功能独立，但可以联动。产品采用模块化设计，产品功能根据用户需求定制。工业化预生产，节约施工调试时间。

中邮建技术有限公司应用项目成果，数据中心业务为公司最主要核心业务之一，每年收入数亿元，根据研究技术成果，形成了绿色数据中心建设定制化方案，在京津冀数据中心、江苏移动无锡数据中心、江苏电信南京吉山数据中心等多个大中型数据中心进行了实践应用，有效的缩短建设时间，极大提升了建设及维护的绿色节能效果，产生明显经济效益与社会效益。

社会效益

（1)节约能源和降低碳排放。通过智能监控和管理,提高数据中心的能源利用效率,实现精准供电和精准制冷,减少能源浪费和碳排放。

（2)提高设备利用率和运维效率。智能化手段可以实现设备健康预测、状态监测和自动运维.避免设备闲置和人工运维带来的资源浪费。

（3)确保服务可靠性。智能控制技术可以实现数据中心基础设施的自动监控、故障预测和快速灰复,避免人为操作失误,确保数据中心高可用性和服务连续性。

（4)节省人力成本。智能控制及运维管理可以实现自动化运营,减少人工运维成本,优化人力资原配置。

（5)提高运营灵活性。软件定义数据中心技术可以实现数据中心资源的虚拟化管理和按需分配大大提高数据中心运营的灵活性和弹性。

（6)实现新的业务模式。绿色智能数据中心还可以为客户提供新型的资源或服务交付模式,如基诎设施即服务(IaaS)、平台即服务(PaaS)等,创新数据中心的商业模式。