传统机房AI智慧流体管控系统应用实践

2023-01-31邢晓晔陈翰功

通信电源技术 2022年20期

邢晓晔，陈翰功

（中国移动通信集团北京有限公司，北京 100027）

0 引言

近年来，我国通信行业高速发展，与此同时也带来了数据中心高能耗问题[1]。2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，指出中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[2]。随着网络云化和5G技术的快速发展，网络设备功耗提升，机房内的单机架散热量也不断增加。与此同时，现网核心机楼由于建设年代久远，普遍存在制冷系统设计落后的问题，与机房内后期上线的高能耗设备无法匹配，从而导致能耗利用率较低。比起新建数据中心，解决传统存量机房的能耗问题更加紧急且具有挑战性。

1 传统机房改造方案

1.1 改造前机房现状

采用机房专用空调设备对室内的温湿度进行独立控制，机房专用空调共3台（2台主用、1台备用），分别为1台艾默生水/风冷精密空调和2台阿尔西风冷精密空调。其中，艾默生水/风冷精密空调的制冷量为90 kW，额定功率34 kW；阿尔西风冷精密空调的制冷量为94.1 kW，额定功率42.7 kW。空调机组设置于机房室内，采用地板送风、室内空间混合回风的方式。

机房因建设年代久远，通风地板内线路杂乱，地板存在漏缺和不统一的问题，风口板出风量小，靠近空调侧静电地板下部支架部分塌陷，静电地面无法实现有效密封，导致送风地板不严、漏风严重，远处无送风压力，无法输送冷量。由于冷量不能有效到达散热设备，因此空调回风温度被迫降低，空调能耗大幅上升。

1.2 改造目标

此次改造重新规划地板送风通道，改造平面图如图1所示。

图1 静电地板改造平面图

将原来的一般下送风方式改为封闭式下送风方式，减少下送风通道静压区域面积，使空调扇形送风变为竖直送风，利用对气流模型的修改增大送风压力。同时，在每排机柜前、中、后部以及热密度较高网络设备机柜处增加无线温湿度传感器14处，对机架内服务器温度进行监测。在空调控制系统中安装智慧流体管控系统，保障网络设备正常运行环境温度下，优化空调运行策略作为空调机组补偿计算分析信息参考依据。智慧流体管控系统通过机架监测温度与空调回风设定温度的双控方式对空调系统送风温度进行调节，始终保持空调供冷量与机房的需冷量动态一致，以此保证机组最大限度的节能运行。

1.3 AI智慧流体管控系统说明

每个通道安装1套智能控制柜，内含精密空调智能控制器，如图2所示。

图2 精密空调智能控制器

通过模糊算法输出第二天预测的每个时段的能耗量，通过人机交互界面展示运行状态。同时，接入人工智能（Artificial Intelligence，AI）智慧流体管控系统，利用自学习算法给出的控制模型优化空调运行策略，智能管控数据机房。此外，利用自学习算法给出的每个温度场模型、气流组织场模型、数据机房的控制模型形成单独的控制策略，从而实现空调系统全方位精细化智能节能管控。AI智慧流体管控系统如图3所示。

图3 AI智慧流体管控系统

2 测试分析

通过间隔日设置空调系统的AI智慧流体管控系统启闭状态，按照AI智慧流体管控系统关闭模式（以下简称关闭模式）和AI智慧流体管控系统开启模式（以下简称开启模式）的控制逻辑对系统进行切换。将测试周期内控制器关闭期作为基准期，将控制系统开启期间做为核定期，依据相关标准对基准期和核定期检测数据进行对比分析，得出能源控制系统开启模式下的节能效果[3-5]。

2.1 机房室内和机架内温度

在2021年11月8日10:00—2021年11月12日10:00、2021年11月15日10:00—2021 年11月19日10:00，分别采集机房室内和机架内的逐时温度，对温湿度传感器的测试结果进行分析。

AI智慧流体管控系统开启模式下，机房内离空调机组最近端与最远端的室内环境平均温度差为1.3 ℃，机架人行通道内的平均温度为26.9 ℃。其中，室内环境监测点的最高温度值为28.6 ℃，最低温度值为25.3 ℃；机架内监测点的最高温度值为30.9 ℃，最低温度值为27.2 ℃。

AI智慧流体管控系统关闭模式下，机房离空调机组最近端与最远端的室内环境平均温度差为2.0 ℃，机架人行通道内的平均温度为22.9 ℃。其中，室内环境监测点的最高温度值为25.0 ℃，最低温度值为20.5 ℃；机架内监测点的最高温度值为26.6 ℃，最低温度值为22.2 ℃。

开启模式下，机房室内2次测量的各时段平均温度分别为 26.5 ℃、26.8 ℃和 26.6 ℃、26.6 ℃。关闭模式下，机房室内两次测量的各时段平均温度分别为 22.5 ℃、22.6 ℃和 22.7 ℃、22.6 ℃。第一次测试期间，开启模式下的室内平均温度比关闭模式下的室内平均温度高4.1 ℃；第二次测试期间，开启模式下的室内平均温度比关闭模式下的室内平均温度高4.0 ℃。

2.2 空调系统耗电量

在2021年11月8日10:00—2021年11月12日10:00、2021年11月15日10:00至2021年11月19日10:00，采集机房空调系统的逐时耗电量，并按照测试要求切换系统的控制逻辑，对空调系统的逐时耗电量分阶段整理。开启模式与关闭模式下各时段空调系统每小时运行的耗电量如图4和图5所示。

图4 开启模式下各时段空调系统每小时的运行耗电量

图5 关闭模式下各时段空调系统每小时的运行耗电量

在以上空调系统每小时运行耗电量逐时变化曲线中，方框所勾选出的点为开启模式与关闭模式切换时刻，圆框所勾选出的点为空调系统运行异常点。通过查阅空调机组运行储存记录发现，开启模式与关闭模式相互切换时，由于空调控制系统设定温度不同，室内环境温度相互存在干扰和延迟，在该时段的空调机组处于低功耗运行状态或高功耗运行状态。

由图4可知，控制系统切换之初，空调机组的运行耗电量基本处于平稳状态。关闭模式的设定温度低于开启模式的设定温度，此时室内环境温度处于缓慢升温阶段，当回风温度等于或大于机组设定温度时，空调机组压缩机开始正常做功。

由图5可知，控制系统切换之初，空调机组处于高功耗运行状态。开启模式的设定温度高于关闭模式的设定温度，此时环境温度需要快速降温，以恢复至空调设定温度范围，空调机组压缩机开始高负荷做功。第一次测试期间，开启模式下空调系统运行每小时平均耗电量约为24.1 kW·h，关闭模式下空调系统运行每小时平均耗电量约为31.8 kW·h；第二次测试期间，开启模式下空调系统运行每小时平均耗电量约为26.3 kW·h，关闭模式下空调系统运行每小时平均耗电量约为29.5 kW·h。

2.3 节能率

根据节能率核定原则，由于空调系统改造前后的气象条件、室内热环境、室内负荷精况以及设备运行时间4个客观条件不同，因此以改造前的基本情况作为基准，将改造后的空调系统节能量与基准进行对比并计算节能率。

本次仅对机房空调系统的控制系统和地板送风通道进行改造，建筑内部负荷和设备运行时间不发生改变，且机房受室外气象条件影响较小（相邻四周均为其他计算机房），可忽略不计。整个测试期间，开启模式下的空调系统每小时平均耗电量约为25.2 kW·h，关闭模式下的空调系统每小时平均耗电量约为30.6 kW·h，节能率约为21.4%。