双碳背景下数据中心节能改造创新实践

李 菁，龙志国，李 磊

（中国电信武汉分公司，湖北 武汉 430071）

0 引 言

中华人民共和国工业和信息化部印发的《新型数据中心发展三年行动计划（2021—2023年）》中明确指出，我国存量数据中心数量庞大，普遍存在建成年代较久、设计标准偏低、设备老化、能耗高及电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）较高等问题，随着“双碳”目标推进，高能耗数据中心将受到运营成本高昂、政策挤压等多重影响，面临严峻的生存危机，改造意愿强烈。要加速改造升级“老旧小散”数据中心。因此，为适应节能政策的要求和自身运维成本的实际诉求，存量数据中心节能改造项目已成为数据中心低碳发展的重要路径之一[1]。

随着互联网、大数据、云计算等信息技术的不断发展，市场对数据、算力的需求呈爆发式增长，数据中心发展也步入高速发展期，但随着互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）机房能耗占比越发趋高。据统计，在机房能耗分布中，机房空调用电量占到用电总量的30%～40%，能耗高、效率低，导致老旧数据中心PUE普遍高于1.5。如何有效降低机房空调的耗电量、提高能效比、充分压降整体PUE，已经成为信息能源领域长期关注和持续研究的一个专项课题[2]。

1 老旧数据中心空调节能的难点

老旧数据中心由于机房能耗计量颗粒度一般到配电柜，单台精密空调无独立计量，因此无法通过大数据分析每台空调的运行负载率情况，判断空调能源转换效率之比（Coefficient Of Performance，COP）衰减情况。精密空调的独立计量及能耗管理、COP采集时本次实践的关键点。

湖北省武汉市属北亚热带季风性湿润气候，具有四季分明、日照充足、夏季酷热、冬季寒冷的特点，武汉地区全年室外温度分布曲线如图1所示。数据中心空调制冷量按夏季最大负荷需要配置，在其他季节具有冷量冗余，但老旧数据中心传统定频空调的刚性调节方式使空调能耗高，目前采用人工节能方式调整空调运行数量，温度设定值等进行粗放式节能，故精密空调的节能技改是本次实践的关键点。

图1 武汉地区全年室外温度分布曲线图

2 精密空调自适应节能技术

精密空调自适应节能技术是中国电信武汉分公司重点研究并成功应用的一项新型节能技术，该技术历经前期的全面论证、小批量试点以及数据中心的规模应用。

2.1 技术方案架构

方案架构如图2所示。

图2 方案架构

（1）空调侧。增加智能电表，完善单台精密空调能耗计量及负荷分析；一对一增加精密空调自适应节能控制器，实现空调负荷实时动态调节。空调自适应技术节能改造现场如图3所示。

图3 空调自适应技术节能改造现场

（2）机房侧。每个机房增加1套通信网关，将所有智能电表、节能设备全部接入电信动力环境监控系统。

2.2 自适应节能技术原理

2.2.1 将原精密空调有级启停变为无极调速

精密空调风机24 h运行，风机调速分3档调节，压缩机全关时最低风量运行；压缩机开1台时中档风量运行；压缩机全开时最高风量运行。压缩机根据回风温度值频繁加载、卸载控制冷量输出，总体冷量调节模式为0、50%、100%这3个档位调节，调节幅度过大，实际冷量输出无法实时与末端实际热负荷需求匹配，浪费部分负载下的冗余制冷量。

自适应节能改造后，风机与压缩机实现同步调速控制，且全部实现在安全温度比例带内的无极调节，空调冷量输出实时与末端实际热负荷需求所匹配，大幅降低了空调回风温度震荡幅度，节约部分负载下的制冷冗余量。节能原理如图4所示。

图4 节能原理

2.2.2 充分利用换热面积提升制冷效率

两台压缩机的精密空调调节模式为0、50%、100%这3个档位调节。空调处于0%、50%档位控制时，机组蒸发器、冷凝器处于闲置状态；空调处于100%档位控制时，蒸发器与冷凝器又限制空调的冷量输出。此种控制模式的蒸发器与冷凝器不能被充分利用，机组制冷效率低。在输出相同冷量的条件下，压缩机运行能耗增加。针对原精密空调的控制模式，在温度比例带内引入自适应无极调速技术，当压缩机变速运行时，系统制冷剂流量减小，由于系统冷凝器换热面积固定，保持原有换热能力，将产生更好的冷凝压力，降低了高压压力，并适当提升了蒸发压力，压缩机的背压减少，从而降低了压缩机运行电流，发挥明显的节能作用。

2.3 自适应节能技术的关键创新点

（1）压缩机回油控制技术。传统涡旋压缩机的回油是通过自身的一部分压力作为回油动力。压缩系统冷媒管路集油主要在于蒸发器出口至气液分离器管段，该管路由于低温、低压可能会导致部分润滑油析出黏滞在管壁上。采用自适应节能运行模式下，由于压缩机运行频率降低，长期低速运行可能导致部分润滑油黏滞在压缩机壁上，降低压缩机回油润滑能力。基于此，使用自适应节能技术必须配套对应的回油保障控制策略，末端控制系统将按照现有空调的回油管路情况及回油周期，在各不同频率段累加运行时间到达阈值后，定期自动启动回油控制程序，加大冷媒压力、流速，进而将可能黏滞在管壁上的润滑油回流到压缩机内，且确保回油程序运行时间大于原精密空调的回油周期的1.5倍，以此确保压缩机顺利回油，保证压缩机运行安全。

（2）神经网络控制算法。自适应节能装置可依据空调回风温度数据、空调运行负荷数据、室外温度数据，构建以空调回风温度优先保障的负荷输入、输出模型，采用神经网络算法，自动寻优输出空调侧的调频指令，可确保在节能运行过程中，空调侧的回风温度控制水平得到充足保证。

（3）旁路接入设计。采用旁路设计方式与精密空调对接，在保留原精密空调电气回路的基础上，设计并联回路。一方面，确保即使节能设备出现故障，可自动跳转旁路不影响精密空调运行；另一方面，此种模式与精密空调主控制板无物理接连，完全不改变原精密空调风机、压缩机的启停机制及报警机制，充分确保安全性。

3 合同能源项目管理关键点

2021年10月国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》中指出：“积极推行合同能源管理，推广节能咨询、诊断、设计、融资、改造、托管等“一站式”综合服务模式”。本次节能改造项目采用合同能源的商务模式，即节能服务公司与用能单位以契约形式约定节能项目的节能目标，节能服务公司为实现节能目标向用能单位提供必要的服务，用能单位以节能效益支付节能服务公司的投入及其合理利润的节能服务机制，其实质是以减少的能源费用来支付节能项目全部成本的节能业务方式。对于用能单位不需要承担节能项目实施的资金、技术风险，降低用能成本。同时，用能单位和节能公司根据国家和地方相关政策能享受相应的补贴、奖励、税费等优惠。合同能源管理方式的关键在于依据标准、科学计量、透明核算3个方面，充分激励合作伙伴，确保项目节能成效和运营质量。

3.1 依据标准

节能测试依据《用能单位节能量计算方法》（GB/T 13234—2018）进行，根据本次应用技术特性，采用直接的“有无对比法”进行，即定时开关节能系统，直接对比一定周期内的节能效果[3]。

3.2 科学计量

每台空调的能耗计量接入动力环境监控系统，所有基础电量数据来源于监控系统自动记录，客观准确。节能效果测试周期选择为每月，每个月查询天气预报，选择室外温差1 ℃以内的相邻两天，定时开关节能系统，进行当月节能效率的测试。如存在较大偏差，可进行补充测试。

当月节电率计算公式为

式中：D0为 24 h 非节能模式总耗电量；D1为 24 h 节能模式总耗电量。

当月节电量计算公式为

式中：T0为当月非节能模式下的总耗电量；T1为当月节能模式下的总耗电量。

同时统计该数据中心的历史实际缴纳电费，与实际测试的节能量进行比对，作为参考比对指标。

3.3 透明核算

双方形成固有机制，每个月由动环系统导出每台空调的实际用电量进行统计，并且在每个月的测试期及结算的起始时间点，由双方共同至现场对每台智能电表进行拍照留存。

每个月形成4张标准化表格，分别是节能率测试表、节能量统计表、原始电表现场照片图表、动环原始数据记录表，由双方专人签字确认。结算周期为每个季度结算一次，按照双方每个月统计的实际节能量，按照实际电单价及合同约定分享比例，进行节能费用分享。

为充分激励节能公司采用最优方案，持续推进节能服务和扩大节能成效，节能效益采用保底机制和封顶，若实际节能效益未达到承诺值，用能单位按照保底收益收取，多余部分支付节能服务公司。同时，节能分享时间及总分享金额均设置上限，任达其一即结束分享，设备产权全部移交用能单位所有。

4 效益分析

4.1 应用概况

应用地点为武汉电信某IDC数据中心；应用规模，改造12个独立机房，51台精密空调（2015—2017年投运），改造总制冷量5 230 kW；项目实施周期，2021年11月15日启动实施，总计实施周期43 d（包含初验及试运行7 d）；项目运行时间，2022年1月正式进入运营收益期。

4.2 节能效益

根据2022年1月至6月，实际测试节能效益汇总如表1所示。

表1 2022年某IDC机房节能效益统计表

2022年1月—2022年6月，某IDC 51台精密空调总计节能约117.7×104kW·h。目前武汉公司平均电单价0.789元/（kW·h）（含税），2022年1月至2022年6月总计节约能耗费用约92.9万元，整体平均节能率达到33.6%，节能效果超过预期。

图5 2022年1月至2022年6月某数据中心节能效果

某IDC机房实施节能后，数据中心机房平均PUE最低值到1.39，但目前仍有个别机房PUE高于1.5的情况，主要因为机柜上架率不高、机房存在局部热点等原因导致。改造前后PUE对比如图6所示。

图6 改造前后PUE对比图

4.3 管理效益

通过本次实践，某数据中心能耗计量颗粒度精细至每台空调，同时每台空调负荷情况可监、可测、可追溯。通过精密空调自适应节能系统，将人工管理变为自动管理节能方式，空调送回风温度信息、空调及节能设备运行信息、空调的负载率信息等实现数字化管控，对后续推进AI节能提供了大数据支撑[4,5]。

4.4 经济及社会效益

某数据中心改造后预计每年可节约能耗超过235×104kW·h，每年节约电费支出超过183万元，经济效益明显，每年可减排折算标煤超过190 t，减排二氧化碳超过 234×104kg，碳排放量降低 67×104 kg，具有良好的社会效益。

5 结 论

本案例是老旧数据中心节能改造的成功案例之一，是中国电信集团有限公司践行央企责任，实践绿色低碳发展的创新应用，对于PUE超过1.5的数据中心进行空调节能改造后降低至1.4以下，具有示范和借鉴价值。空调自适应节能技术旁路接入空调，安全性高、实施简便、部署灵活，兼容各品牌直膨式精密空调，适合大多数采用风冷型定频精密空调的存量数据中心节能改造场景。此外，虽然数据中心合同能源管理项目具有“一楼一案”的特点，本案例明确了空调自适应节能改造合同能源项目的关键点，即在确保依托标准、科学计量、透明核算的基础上的节能收益核算，可推进实现用能单位和节能公司的合作共赢。