摘 要：减少暖通空调耗电、提高用能效率已成为数据中心企业降本增效、实现可持续发展的必然要求。某电信运营商持续致力于通过试点应用、规模推广数据中心暖通节能先进技术，包括推动间接蒸发冷却、CO2载冷、水源热泵、AI智能控制等技术方案落地，努力实现节费降碳,取得了较好的经济效益和社会效益。

关键词：暖通节能；间接蒸发；CO2载冷；AI；水源热泵

数据中心要消耗大量的电能，以某电信运营商2021年运营数据为例，电费支出占网络运营总支出已超过40%，成为当之无愧的网络运营第一成本。降低电费开支成为公司降本增效、实现高质量发展的重要途径。同时随着“2030年碳达峰、2060年碳中和”目标上升为国家战略，以及《北京市数据中心统筹发展实施方案(2021-2023年》的发布，数据中心行业低碳、环保、集约发展已成为必然趋势[1]。国家与行业主管、监管部门鼓励各运营企业在减少碳排放方面积极进行技术成果创新与转化。

数据中心内IT设备耗电大部分要转化成热量，为了维持机房环境恒温恒湿，制冷系统需要全年7*24小时不间断工作。经统计，暖通空调耗电约占全网生产性耗电的30%以上，因此要想节省电费和降低碳排放，减少空调耗电是关键。因此对数据中心运营企业而言，不论是企业内部降本增效，还是对外完成行业、政策监管，降低暖通系统耗电成为实现可持续发展的必然要求。

1  暖通节能技术

某电信运营商做为首都地区基础网络和数据中心主流运营商，掌握着丰富的网络、客户和机房资源,并始终将履行央企社会责任，建设运营绿色网络基础设施为己任。近几年，公司在数据中心领域持续致力于通过试点和推广暖通节能先进技术，努力实现节费降碳。通过规模部署间接蒸发冷却技术、CO2载冷技术、水源热泵、AI控制、水冷冷媒直膨、微模块机房、自然冷源、冰蓄冷等技术方案在自有大型数据中心的成功落地，在安全可靠运营的基础上，实现暖通系统年节省耗电超过3500万度，年节省电费超过3000万元，折合减排二氧化碳气体超过3.49万吨，取得了优异的经济效益和社会效益。不少技术路线和管理经验已在中国电信其他兄弟省份开始推广。下面选取间接蒸发冷却、CO2载冷、水源热泵、AI控制这几个有代表性的应用案例从技术方案和实际应用效果两方面进行简述。

2  间接蒸发冷却技术

2.1 技术原理

蒸发冷却技术是利用空气与水的直接接触，由于两者间的水蒸气分压力差以及温差利用水的蒸发潜热进行制冷，其本身以水作为制冷剂而替代了传统制冷剂。按照被处理空气与水的接触方式不同，蒸发冷却一般可分为直接蒸发冷却与间接蒸发冷却[2-3]。

间接蒸发冷却技术在系统工作过程中的冷却介质以水和空气为主。产出介质与工作介质进行热湿交换，在此过程中获取冷空气或冷水。故按产出介质形式可分为风侧间接蒸发冷却技术和水侧间接蒸发冷却技术[4]。本项目涉及的技术为水侧间接蒸发冷却技术。

2.2 技术方案

某电信运营商Y数据中心在楼顶平台增设10台间接蒸发冷水机组接入原冷却水系统，增设供水管和回水管，通过三通实现跟原冷却水供回水管路互通。供回水管路间并联布置10台，按照9主1备配置，见图1。新增设备的控制系统在原有群控系统上完成开发，每台均单独设置电动阀控制启停，可实现远程自动监测和控制。此方案最大限度保持原系统架构，原冷却塔可作为备份使用，安全性得到保障。由于机组采用模块化设计，可实现工厂预制，现场拼接，施工周期可较大幅度缩短。

图 1 Y数据中心间接蒸发冷却冷水系统示意图

2.3 应用效果

采用间接蒸发冷水机组替代原有冷却塔运行，通过两级蒸发过程，可实现低于湿球温度2-3℃的亚湿球出水，即间接蒸发冷水机组出水温度可较常规冷却塔出水温度低5-8℃，从而延长自然冷却时长约2500小时。同时其与机械制冷复合运行时，更低的冷却水温度可提高压缩机能效比，从而实现系统全年节能运行。设备外观见图 2。

图 2 Y数据中心间接蒸发冷水机组外观

根据当前运行实测数据，间接蒸发冷水系统可实现年节省耗电400余万度，按照当前瀛海数据中心执行的北京市开发区大工业用电平均单价0.72元/度计算，节省空调系统运行电费约290万元，机房年均PUE降至1.29。在2021年第四季度已启动Y数据中心剩余未改造机房进行节能改造，二期方案主要参考一期项目间接蒸发冷却节能技术路线，并在设备选型、系统配置上进一步优化。

3 CO2载冷技术

3.1 技术原理

CO2常温常压下是气态，在常温一定压力下可以凝结成液体（乃至固体），压力撤销后迅速蒸发（升华），带走大量热，达到降温的目的。

3.2 技术方案

某电信运营商Y数据中心建设一套CO2载冷系统。CO2载冷系统属于间接制冷系统，由R134a制冷端和CO2载冷端两部分构成，制冷侧采用小型磁悬浮变频离心式压缩机制冷；制冷侧和载冷侧通过热交换器进行热量传递，CO2泵供液进入数据机房内的CO2空气冷却器，液态CO2蒸发吸热冷却机房内空气，由原空调风机向地板夹层送风对服务器进行高效冷却，示意图见图 3。

图 3 Y数据中心CO2载冷系统示意图

改造方案为完全保留现有机房空调系统，在楼顶为两间机房增加一套总制冷量为600kW的CO2载冷空调系统，同时在原机房精密空调冷凝器上端加装CO2冷却器，使原空调冷凝器作为备份使用。新建CO2载冷模块机组和蒸发式冷凝器放置在屋顶，室内侧在原有空调机的回风侧设置CO2冷却器，仍利用原有空调机的风机送风。由于冷却器盘管管径较细，空气侧风阻较低，对空调机的送风风压几乎不造成影响见图 4。

图 4 Y数据中心CO2载冷系统外观

3.3 应用效果

CO2制冷作为制冷行业具有发展潜力的新型技术之一，具有节能、环保、可靠、安全等特点。本项目应用的CO2载冷系统主要优势如下[5]：

（1）采用蒸发式冷凝器以及CO2作为载冷剂，提高系统蒸发温度（蒸发温度11℃，较原有系统6℃蒸发提高5℃），同时降低冷凝温度（冷凝温度35℃以下，较原有40℃冷凝降低5℃），大幅度降低制冷系统压缩比（蒸发压力0.45MPa，冷凝压力0.9Mpa，压缩比仅为2），实现整体能耗的降低；

（2）利用CO2蒸发潜热大的特性，与现有冷冻水系统相比，所需载冷剂流量大幅降低，从而使泵的能耗大大降低；

（3）制冷循环采用变频磁悬浮离心式压缩机制冷，相比传统的离心机组，磁悬浮轴承无任何接触摩擦，无需润滑油系统，换热器内无油膜热阻，提高了蒸发器、冷凝器的换热效率。由于不需要考虑压缩机的回油问题，管路系统更加简单；

（4）CO2具有化学性质稳定、无毒、不可燃、价格低廉的优势，同时其臭氧消耗指数为0，温室效应指数只有1，对环境非常友好。

Y数据中心CO2载冷系统可充分利用制冷侧压缩比小、能效高，载冷侧压损小、载冷量大的优势，同时可以更长时间利用自然冷源，应用于数据中心可实现制冷系统整体能耗的大幅度降低。根据运行实测数据，CO2载冷制冷系统年节能65万度，节省电费47万元。

4 水源热泵技术

4.1 技术原理

水源热泵技术是利用地球表面浅层的水源,采用热泵原理，通过少量的高位电能输入, 实现低位热能向高位热能转移的一种技术[6]。水源热泵的应用可行性主要集中在经济性及其投入使用后系统与环境的相互影响作用[7]。

4.2 技术方案

某电信运营商Y数据中心办公区域夏季制冷由集中供冷系统提供，冬季制热是由水源热泵机组提供。北京冬季供暖时间一般是从11月10日到第二年3月20日约130天，由于园区物业、现场维护班组、客户驻场均为全年7*24小时值守，故整个供暖期内热泵机组需要持续不间断工作，供暖对象包括大厅、物业值班室、维护值班室、客户工作室、会议室、食堂等，同时在卫生间、淋浴室还有24小时生活热水供应，其工作示意图见图 5。

图 5 Y数据中心水源热泵工作示意图

热泵机组供回水管路与集中供冷系统通过阀门相连，标准工况下离心式冷水机组产生10℃冷冻水进入分水器，再经分水器分配至各层机房给网络设备降温，从机房回来的冷冻水温度升高到15℃再进入集水器。集水器有一根出水管连接到热泵机组的蒸发器供水，热泵机组蒸发器出水管连接至分水器进水管，即热泵机组蒸发器内流入的是给机房降温后回来的15℃冷冻回水，经冷媒蒸发吸热后温度降低到10℃，再从蒸发器流出进入机房制冷；热泵机组冷凝器进水管路上连办公区风机盘管出口，出水管路下连风机盘管进口，即冷凝器流入的是给机房供暖后回来的30℃冷热水，经冷媒冷却放热后温度升高到45℃，再进入办公区域供暖，设备外观见图 6。

图 6 Y数据中心水源热泵机组外观

4.3 应用效果

由于Y数据中心内没有市政供暖和燃气管路，只能采用空调自采暖方式供暖，故水源热泵节能情况可相比于相同制热量的风冷空调机组。北京冬季室外平均温度为-5至2℃，风冷空调内的冷媒需要克服室外较低的温度，即从室外0℃以下的环境蒸发吸收热量，再经压缩机升压升温到45℃，再通过室内机冷凝放热从而对办公区进行供暖，如此高的蒸发冷凝温差会导致机组压缩机在较高的压缩比工况运行，制热效率较低。而水源热泵是从15℃的机房冷冻水回水吸热，其蒸发温度始终保持稳定在8℃左右。提高蒸发温度、降低冷凝温度均可明显提升制热效率。水源热泵的节能表现在两方面，一方面相比于风冷空调在制热时节省的能耗，一方面是给机房额外供冷（即余热回收）所节省的制冷能耗[8]。

水源热泵系统巧妙的将数据中心内IT设备产生的原本应排放到大气中的低品位热能提升品质，转变为“暖流”进入办公区供暖，不仅大幅提高制热能效减少制热功耗，同时还有效减少机房制冷能耗。经过测算，相比常规风冷空调系统一年可减少能耗约36万度，节省电费26万元。

5  AI 节能技术

5.1 技术原理

AI技术通过对以往用户的历史使用数据进行分析，建立相关的学习模型，并且根据实时的数据变化，来对其模型不断进行优化，最后再制定出合理、科学的节能策略。对其时间以及空间上的节能配置进行优化，有效解决了用户服务质量和节能要求之间的矛盾[9-10]。

5.2 技术方案

某电信运营商W数据中心内新建一套针对制冷系统的边缘控制系统，采集机房和空调运行参数，利用AI技术进行分析，生成和下发运行策略，通过冷冻站和末端精密空调的AI智能控制，实现节省空调耗电。AI节能系统架构见图7，主要建设内容包括：

（1）打通冷站群控系统及动环系统接口，实现冷源侧、输配侧、室外散热侧和末端换热侧几个子系统的统一控制；

（2）对冷站和末端精密空调增加AI能效控制，实现冷量按需供给，降低系统运行能耗；

（3）建立智慧能耗监测系统，完成动环数据采集、整理和上传，实现本地动环同集团大数据平台数据打通及能耗监测，满足政府监管、集团考核要求。

图 7 W数据中心制冷AI节能系统架构图

5.3 应用效果

某电信运营商W数据中心制冷系统AI节能技术应用效果和先进性表现在节能成效、AI算法、技术架构、数字化运维、推广价值几个方面，详见表 1。

表 1 W数据中心制冷系统AI节能应用成效表

6  结语

经了解，某电信运营商应用的间接蒸发冷水项目是该技术在华北地区首次大规模应用，同时也是国内首个间接蒸发冷水技术复合机械制冷联合制冷案例。使用的CO2载冷项目是CO2载冷技术在我国大型数据中心的首次应用。以上技术的应用，对于我们探索资源节约、环境友好的数据中心高效暖通技术和实现企业降本增效、助力国家实现“双碳”目标具有积极示范性效果。

当前正值国家加快新型基础设施建设、促进数字经济创新发展政策利好之际，北京电信将继续严格依照国家和北京市对数据中心行业发展要求，落实节能减排重大举措，在自我革新的同时，推进京津冀区域内乃至全国数据中心行业的整体可持续、绿色发展。展望未来，北京电信将继续通过创新应用先进暖通、供电节能技术，完善运维管理制度，提高可再生能源等措施实现能源最高效利用，有信心在目前取得的成效基础上再创佳绩。

作者：许洪，康志勇，林武隽，张渊

参考文献：

[1] 北京市经济和信息化局. 北京市数据中心统筹发展实施方案（2021-2023 年）[ R].2021-4-26.

[2] 夏青,黄翔,殷清海.直接蒸发冷却术语诠释[J].制冷与空调,2012,3:234-237.

[3] 贾晨昱,黄翔,田振武,刘振宇,金洋帆.间接蒸发冷却技术在国内外数据中心的应用研究[J].制冷与空调,2020,20(01):61-67.

[4] 黄翔,孙铁柱,汪超.蒸发冷却空调技术的诠释（1）[J].制冷与空调,2012,12(2):1-6,14.

[5] 张渊,林武隽,刘永彬.“北京电信某数据中心二氧化碳载冷技术节能改造案例分析”《2020 年信息通信大会论文集》第 516-519 页.

[6] 魏忠风.水源热泵技术在集中采暖、制冷系统中的应用[J].中国石油和化工标准与质量,2019,39(01):109-110.

[7] 曹晓庆,郑洁,李菊.江水源热泵在上海地区应用的可行性分析[J].制冷与空调 , 2009 , 9(01) : 32 - 35 + 49.

[8] 张渊,林武隽,翟骏.“某大型数据中心水源热泵余热回收技术节能效果分析”,《通信电源技术（2019 年增刊）》通刊号 CN 42-1380/TN,ISSN 1009-3664.

[9] 张青.AI 技术在 5G 基站节能应用的展望[J].广东通信技术,2019,39(10):29-32.

[10] 马维锟.基于 AI 技术下的 5G 基站智能节能科技研究[J].中小企业管理与科技(上旬刊),2021,(09):182-184.

来源：数据中心基础设施运营管理