大型數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)綠色節(jié)能技術(shù)研究

侯嘉HOU Jia；朱振華ZHU Zhen-hua

（四川曠谷信息工程有限公司，成都 610000）

0 引言

隨著全球進(jìn)入數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，我國(guó)已將數(shù)據(jù)中心建設(shè)作為新基建戰(zhàn)略七大領(lǐng)域之一，是國(guó)家未來信息化建設(shè)與發(fā)展的重要方向。大型數(shù)據(jù)中心是耗能大戶，在“碳達(dá)峰、碳中和”，“東數(shù)西算”等政策背景下，綠色節(jié)能成為大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)的主旋律，近年來國(guó)家相關(guān)部委頒布多項(xiàng)政策文件，推動(dòng)大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)不斷提升能源利用效率、降低PUE。

制冷系統(tǒng)能耗通常占大型數(shù)據(jù)中心總能耗的30%左右，是數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施最主要的耗能系統(tǒng)。因此，數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)節(jié)能降耗技術(shù)應(yīng)用空間最大、成效最快且節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本最多，應(yīng)用大型數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)綠色節(jié)能技術(shù)可以有效降低數(shù)據(jù)中心的能耗，優(yōu)化PUE 值，提升節(jié)能技術(shù)水平。本文主要針對(duì)大型數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)節(jié)能，從制冷系統(tǒng)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)、液冷技術(shù)以及AI 節(jié)能技術(shù)三個(gè)方面進(jìn)行研究和分析。

1 間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)

1.1 技術(shù)原理 蒸發(fā)冷卻技術(shù)是利用空氣與水的直接接觸，通過兩者間的水蒸氣分壓力差以及溫差，利用水的蒸發(fā)吸熱進(jìn)行制冷，其本身以水作為制冷劑，按照被處理空氣與水的接觸方式不同，一般可分為直接蒸發(fā)冷卻與間接蒸發(fā)冷卻兩種方式。

間接蒸發(fā)冷卻是指通過非直接接觸式換熱器，將直接蒸發(fā)冷卻得到的濕空氣的冷量傳遞給機(jī)房循環(huán)空氣，實(shí)現(xiàn)空氣等濕降溫的過程。在此過程中，二次空氣經(jīng)處理后其干球溫度和濕球溫度都下降，而含濕量不變，對(duì)送風(fēng)氣流實(shí)現(xiàn)減焓等濕降溫過程。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成 間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)由噴淋裝置、換熱芯體、室內(nèi)風(fēng)機(jī)、室外風(fēng)機(jī)、機(jī)械制冷補(bǔ)充裝置、控制系統(tǒng)等組成。（圖1）

圖1 間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)構(gòu)成圖

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的待處理空氣通過板式換熱裝置，首先利用室外空氣對(duì)待處理空氣進(jìn)行冷卻，同時(shí)噴淋系統(tǒng)噴淋水利用室外空氣的熱量，在板式換熱裝置中蒸發(fā)，利用蒸發(fā)吸熱，來降低待處理空氣溫度，使其最大程度地冷卻機(jī)房?jī)?nèi)部循環(huán)空氣。整個(gè)處理過程，室內(nèi)空氣是一個(gè)閉式循環(huán)系統(tǒng)，而室外空氣是一個(gè)開系統(tǒng)。室外空氣并不進(jìn)入數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，從而避免室外空氣中水分、污染物進(jìn)入數(shù)據(jù)中心。由于處理空氣不與水直接接觸，其含濕量不變，實(shí)現(xiàn)空氣的等濕降溫。

1.3 運(yùn)行模式

根據(jù)室外新風(fēng)溫濕度和負(fù)載情況，系統(tǒng)分別運(yùn)行在三種工作模式，實(shí)現(xiàn)按需制冷，最大程度利用自然冷源。（圖2）

圖2 間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行模式示意圖

①干模式，采用自然冷卻。在冬季室外溫度低的情況下，室外空氣溫度低足夠在換熱器內(nèi)冷卻服務(wù)器機(jī)房回風(fēng)。經(jīng)過換熱器后，吸收熱量的室外空氣由風(fēng)機(jī)墻排放到室外。冷卻后的機(jī)房回風(fēng)，經(jīng)過室內(nèi)側(cè)風(fēng)機(jī)墻被送入服務(wù)器機(jī)房。

②噴淋模式，采用蒸發(fā)冷卻。春秋季室外溫度較低的情況下，因?yàn)槭彝饪諝鉁囟炔粔虻?，需要開啟水泵通過高壓微霧噴淋進(jìn)行絕熱蒸發(fā)制冷的來補(bǔ)充制冷量。

③混合制冷模式，采用機(jī)械補(bǔ)冷。夏季室外溫度較高，僅依靠自然冷卻無法滿足制冷需求的情況下，通過循環(huán)噴水帶走部分熱量，不足部分開啟變頻壓縮制冷系統(tǒng)補(bǔ)充冷量。

1.4 節(jié)能效果及適用環(huán)境區(qū)域分析

間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)與傳統(tǒng)水冷冷凍水系統(tǒng)主要對(duì)比如表1。

表1 間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)與傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)對(duì)比表

間接蒸發(fā)冷卻通過水的蒸發(fā)吸熱來制冷，只有當(dāng)所使用的空氣具有較大的干濕球溫度差的情況下，才可能有良好的制冷效果。因此，間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)十分適合新疆、甘肅、內(nèi)蒙古等夏季室外干濕球溫度相差較大的地區(qū)，與一般常規(guī)機(jī)械制冷方式相比，采用間接蒸發(fā)冷卻在西北寒冷干燥地區(qū)可更加節(jié)能約75%～85%，在華南炎熱潮濕地區(qū)通常可節(jié)能20%～30%，在西南、華中、華東等中等濕度地區(qū)可達(dá)到40%左右，總體來說能夠大幅降低大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷系統(tǒng)能耗。

2 液冷技術(shù)

2.1 技術(shù)原理 隨著數(shù)據(jù)中心高密度設(shè)備的快速發(fā)展，服務(wù)器級(jí)的冷卻開始出現(xiàn)并被使用。液冷技術(shù)使用液體取代空氣作為冷媒，與IT 設(shè)備發(fā)熱元器件進(jìn)行熱交換并帶走熱量。由于液體比空氣的比熱容高，散熱速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)快過空氣，因此液冷的制冷效率遠(yuǎn)高于風(fēng)冷，相對(duì)于傳統(tǒng)的風(fēng)冷制冷方具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：①液體冷媒導(dǎo)熱量是同體積空氣的近3000 倍。②液體冷媒導(dǎo)熱效率更快，超過空氣的25 倍。③同等散熱水平時(shí)，采用液冷相比風(fēng)冷方式噪音降低20-35 分貝。④相比風(fēng)冷系統(tǒng)節(jié)省電量約30%~40%，采用液冷服務(wù)器配套基礎(chǔ)設(shè)施解決方案的數(shù)據(jù)中心年均PUE 值可降低至1.2 以下。

2.2 液冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式 按照液體與發(fā)熱器件的接觸方式，液冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式主要分為冷板式（間接接觸）、噴淋式和全浸沒式（直接接觸）。

①冷板式液冷。將液冷冷板固定在服務(wù)器電源模塊、CPU 等主要發(fā)熱元器件上，依靠流經(jīng)冷板的冷卻液進(jìn)行散熱，冷板的液體不接觸被冷卻器件，中間采用導(dǎo)熱板傳熱，安全性高。冷板液冷解決了IT 設(shè)施主要發(fā)熱元器件的散熱問題，其他發(fā)熱量小的器件還得依靠風(fēng)冷，所以采用冷板式液冷的服務(wù)器也稱為氣液雙通道服務(wù)器。

②噴淋式液冷。噴淋式液冷技術(shù)主要根據(jù)發(fā)熱體位置和發(fā)熱量大小不同在服務(wù)器機(jī)箱頂部?jī)?chǔ)液并開孔，通過冷卻液對(duì)發(fā)熱器件進(jìn)行噴淋，通過直接接觸實(shí)現(xiàn)極高的冷卻效率。冷卻液在噴淋過程中會(huì)有少量飄逸和蒸發(fā)現(xiàn)象，霧滴和氣體沿機(jī)箱孔洞縫隙散發(fā)到機(jī)箱外面對(duì)機(jī)房環(huán)境清潔度下降或?qū)ζ渌鸌T 設(shè)備造成影響。

③浸沒式液冷。將IT 設(shè)備發(fā)熱元器件直接浸沒在冷卻液中，依靠液體的流動(dòng)循環(huán)帶走設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量。由于發(fā)熱元器件與冷卻液直接接觸，浸沒式液冷散熱效率更高，相對(duì)于冷板式液冷，噪音更低，適用于更高熱密度應(yīng)用場(chǎng)景。

目前國(guó)內(nèi)外設(shè)備廠商主要以冷板式液冷服務(wù)器產(chǎn)品為主，噴淋式和浸沒式液冷服務(wù)器產(chǎn)品較少，以少量驗(yàn)證性應(yīng)用為主。但是另一方面，采用液冷服務(wù)器在有效降低PUE 的同時(shí)也將大幅增加IT 設(shè)施投資成本。

2.3 冷卻液研究 液冷常用的冷卻液有水、礦物油和氟化液。其中水是一種優(yōu)秀的散熱媒介，價(jià)格低廉無污染，有良好的比熱容，但由于水并非絕緣體，只能應(yīng)用于非直接接觸的冷板式液冷技術(shù)。礦物油是冷卻液通常選擇之一，具有絕緣性強(qiáng)、無味無毒不易揮發(fā)且價(jià)格相對(duì)低廉的特點(diǎn)，但是礦物油粘性較高比較容易殘留，特定條件下有燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。氟化液由于具有絕緣且不燃的惰性特點(diǎn)，是目前應(yīng)用中最理想最廣泛的浸沒式冷卻液，但價(jià)格較為昂貴。

3 AI 節(jié)能技術(shù)

3.1 技術(shù)概述 傳統(tǒng)大型數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)通常采用群控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組及末端空調(diào)的運(yùn)行控制，在節(jié)能運(yùn)行方面往往存在冷水系統(tǒng)與負(fù)載系統(tǒng)缺少精確聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，無法基于環(huán)境參數(shù)和負(fù)載率實(shí)時(shí)調(diào)優(yōu)的問題。針對(duì)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)，在傳統(tǒng)群控系統(tǒng)基礎(chǔ)上構(gòu)建AI 節(jié)能控制平臺(tái)，部署AI 深度學(xué)習(xí)算法，通過軟硬件深度耦合，實(shí)時(shí)采集制冷系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，基于AI 節(jié)能技術(shù)進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而生成和下發(fā)最優(yōu)節(jié)能運(yùn)行策略，通過對(duì)制冷機(jī)組和末端精密空調(diào)的AI 智能控制，確保大型數(shù)據(jù)中心低能耗高性能運(yùn)行。

3.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn) AI 節(jié)能技術(shù)主要通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)治理、模型訓(xùn)練、推理運(yùn)算和控制策略下發(fā)五個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)AI 能效優(yōu)化。（圖3）

圖3 AI 節(jié)能技術(shù)架構(gòu)示意圖

①數(shù)據(jù)采集：大型數(shù)據(jù)中心AI 控制系統(tǒng)將制冷系統(tǒng)各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一管理，周期性將采集到的大量制冷系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳到AI 數(shù)據(jù)采集和推理平臺(tái)，提供運(yùn)算基礎(chǔ)。AI 算法通過大型數(shù)據(jù)中心提供的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，不斷迭代優(yōu)化升級(jí)。

②數(shù)據(jù)治理：訓(xùn)練平臺(tái)對(duì)采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行特征參數(shù)自動(dòng)識(shí)別，并根據(jù)各項(xiàng)參數(shù)的業(yè)務(wù)特性進(jìn)行聚合分析，提取出影響能效指標(biāo)的主要特征值參數(shù)（如室外溫濕度、冷機(jī)數(shù)量、冷凍水供回水溫度等）。

③模型訓(xùn)練：首先針對(duì)數(shù)據(jù)中心PUE 模型進(jìn)行訓(xùn)練，通過建立PUE 值與室外環(huán)境、IT 負(fù)荷、制冷系統(tǒng)控制參數(shù)之間的因果關(guān)系，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)PUE 值進(jìn)行擬合，將提取到的特征參數(shù)輸入到深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行自適應(yīng)學(xué)習(xí)。然后進(jìn)行數(shù)據(jù)中心控制策略優(yōu)化模型訓(xùn)練，構(gòu)建基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的能耗最小化策略模型，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)生成潛在控制策略，并結(jié)合控制策略約束條件利用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)策略進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終完成對(duì)控制策略優(yōu)化模型的訓(xùn)練。

④推理運(yùn)算：以PUE 模型為約束條件，利用實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)高效識(shí)別出能效最優(yōu)的制冷控制參數(shù)組合（如提高水溫、增加冷水機(jī)組運(yùn)行數(shù)量等）。

⑤控制策略下發(fā)：將控制參數(shù)下發(fā)到群控系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)中心運(yùn)維專業(yè)工程師確認(rèn)控制參數(shù)的合理性，并進(jìn)一步通過制冷系統(tǒng)群控系統(tǒng)執(zhí)行控制動(dòng)作?？刂茀?shù)經(jīng)過AI 系統(tǒng)、運(yùn)維工程師、群控系統(tǒng)三重優(yōu)化及確認(rèn)，確保數(shù)據(jù)中心安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 應(yīng)用效果分析 近年來國(guó)內(nèi)部分頭部IDC 企業(yè)已逐步采用AI 節(jié)能技術(shù)對(duì)大型數(shù)據(jù)中心制冷空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制升級(jí)，節(jié)能降耗應(yīng)用效果明顯。華為等業(yè)界廠商也推出了較為的成熟的iCooling AI 能效優(yōu)化技術(shù)整體解決方案。通過AI 節(jié)能技術(shù)，可以在不改變數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)模式和產(chǎn)品配置基礎(chǔ)上，對(duì)制冷全鏈路進(jìn)行智能管理。

根據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心采用AI 節(jié)能技術(shù)通常在水冷冷凍水系統(tǒng)基礎(chǔ)上能夠降低PUE 值8%~15%；在風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)基礎(chǔ)上能夠降低PUE 值5%~10%；在間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)基礎(chǔ)上能夠有效降低PUE 值3%~5%，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心從“制冷”到“智冷”的進(jìn)化。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，大型數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施是數(shù)字化和信息化建設(shè)的重要基礎(chǔ)支撐，對(duì)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)水平起到?jīng)Q定性作用。本文主要針對(duì)大型數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)相關(guān)節(jié)能技術(shù)，從間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)、液冷技術(shù)以及AI 節(jié)能技術(shù)三個(gè)方面進(jìn)行研究分析，各項(xiàng)技術(shù)在節(jié)能減排、綠色運(yùn)營(yíng)、降本增效等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，有利于實(shí)現(xiàn)大型數(shù)據(jù)中心安全、可靠和高效的運(yùn)行，推動(dòng)大型數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)水平的提升。