机房智能通风过滤节能系统研究报告

　　摘 要

　　为践行交通运输领域绿色低碳发展要求，赋能交通基础设施新质生产力升级，针对交通机房制冷能耗高、运维管理效率低等行业真问题，山东高速泰安发展有限公司研发团队自主研发基于ARM架构的机房智能通风过滤节能系统。该系统融合嵌入式智能温控、通风尘度协同调控、空调智能联动及云端监测技术，实现机房温度与尘度的一体化动态管控，利用自然温差完成低温季节的自然降温，辅助或替代空调制冷。系统经2023年4月至12月设计、2023年10月至2024年9月试验改进后，于2024年10月正式规模化应用，截至目前在26个机房(含隧道机房)落地45套设备，累计节约电费45.4万元、电量62万度，减少碳排放434吨，单机房5P空调电费同比下降40%，系统单套研发成本仅2800元，兼具经济性、稳定性与实用性。本研究为交通机房基础设施绿色升级提供了低成本、可复制的新技术方案，已申请5项自主知识产权(2项外观专利、1项实用新型专利已授权，1项发明专利进入实质审查)，其创新的技术模组与应用模式可在交通运输行业各类机房广泛推广，助力交通领域实现降本增效与节能减排的双重目标。

　　关键词：新质生产力;绿色交通;机房节能;ARM嵌入式系统;智能通风过滤;动态温控;交通基础设施运维

　　一、研究背景

　　在新质生产力赋能交通运输高质量发展的时代背景下，绿色交通成为交通行业转型升级的核心方向之一。交通机房作为高速公路运营的核心管控节点，其持续稳定运行依赖空调制冷系统的不间断工作，制冷能耗居高不下成为运营成本的重要组成部分，同时与绿色低碳的发展要求存在显著差距。

　　山东高速泰安发展有限公司立足高速公路基层运营实际，以山东高速集团创新发展理念为引领，聚焦机房制冷能耗高这一行业痛点，组建研发团队，践行降本增效与节能减排的发展要求。通过自主技术创新研发机房智能通风过滤节能系统(图1)，利用季节性自然温差实现机房温度的智能一体化动态调控，替代传统单一的空调制冷模式，旨在通过新技术、新模式、新机制降低机房制冷设备能耗，推动交通基础设施向绿色化、智能化升级，为交通运输领域新质生产力发展提供基层技术实践。

　
　图1 机房智能通风过滤节能系统

　　二、研究内容与系统设计

　　2.1 系统研发周期与整体设计理念

　　本系统研发历经设计、试验改进、规模化应用三个阶段：2023年4月—12月完成核心模组设计与系统整体架构搭建;2023年10月—2024年9月同步开展试验运行与设计迭代，对核心模组进行7次优化及长期不停机测试;2024年10月起正式进入规模化应用阶段，在公司26个机房(含隧道机房)完成45套系统部署。

　　系统以“自然冷源利用+智能设备联动+云端数字化管理+低成本易维护”为核心设计理念，基于ARM架构研发RaspberryPi智能温控嵌入式系统，将传统空调制冷与自然通风降温优化结合。通过采集机房室内外温度、尘度数据，以嵌入式程序逻辑自动判断系统启停，动态吸入室外过滤后的清洁冷空气实现自然降温，同时正压溢出室内热空气，在保证机房运行环境的前提下，最大限度降低空调运行时间，实现节能降耗与智能运维的统一。系统同步开发多平台云端管控模块，实现温度在线检测、历史数据记录与远程管理，契合数字交通的发展要求。2.2核心硬件模组构成与功能

　　系统由四大核心模组组成，各模组协同工作形成完整的智能通风过滤节能体系，结构紧凑、功能完善，兼顾技术实用性与经济合理性，系统结构图如图2所示。

　　系统的具体设计如下：

　　(1) 负反馈嵌入式系统智能温控模组

　　该模组为系统“智慧大脑”，以ARM架构RaspberryPi为核心，经7次自主迭代优化及长期不停机测试后性能稳定。可实时采集机房室内外温度数据，通过负反馈控制逻辑动态调控其他模组运行状态，并将温度数据实时上传至云端，实现机房温度的智能调控、超温报警、定时开关及云端节能化管理，精准保持机房内部温度在标准范围内，为系统运行提供核心决策依据。

　　(2) 通风与尘度调控模组

　　作为系统节能降温的关键执行模块，负责机房空气流通与尘度控制。采用EC轴流风机作为通风设备，产生稳定轴向气流，实现室外冷空气的高效吸入与室内热空气的正压溢出;过滤材质选用可重复清洗的聚氨酯活性炭爆破海绵，拆装便捷、使用寿命长，大幅降低综合使用成本;滤盒载体采用自主研发的独创3D打印件组装，为核心创新点之一，兼顾结构合理性与定制化需求。该模组通过初效+中效双重过滤，在保证自然通风降温效果的同时，有效控制机房尘度，避免灰尘对机房设备造成损害。

　　(3) 空调断电自启动模组

　　与机房空调联动实现智能管控，是系统安全稳定运行的重要保障，集成于自主设计的带时控开关电源箱内。模组预设空调运行参数，植入红外遥控编码指令，通过智能算法根据机房温度需求动态调控空调状态;当空调意外断电后重新来电时，可自动恢复预设制冷模式与温度，实现空调自行重启，确保无人值守机房迅速恢复规范运行温度，降低人工管理成本与设备运行安全隐患。

　　(4) 供电模组

　　为自主设计的带时控开关电源箱，集成空调自检启动功能模块，实现系统各功能模组及空调设备的电源集中管理，保障整个系统在各类工况下的供电稳定性，避免因供电问题导致的系统停机或机房环境失控，同时通过时控功能为系统启停提供时间维度的控制支撑。

　　2.2 系统工作流程

　　系统采用“时间控制+温度感应+尘度监测”三重触发机制，实现无人值守的全自动运行，工作流程如下：

　　①　传感器24小时采集机房室内外温度、尘度数据，实时传输至智能温控模组;

　　②　温控模组通过内嵌程序逻辑判断是否满足自然通风条件(室外温度低于室内适宜温度、尘度符合机房标准);

　　③　满足条件时，自动启动通风与尘度调控模组，关闭或降低空调运行功率，吸入室外过滤后冷空气实现自然降温;

　　④　当室外温度升高、尘度超标或机房温度达到阈值时，温控模组自动关闭通风系统，重启空调至预设模式;

　　⑤　若空调出现断电故障，空调断电自启动模组在来电后立即触发自启动程序，恢复空调运行;

　　⑥　所有运行数据实时上传至云端管控系统，实现在线监测、历史数据存储与异常报警。

　　三、系统试验与规模化应用效果验证

　　3.1 试验与应用方案

　　为验证系统的实际节能效果与温度控制能力，研发团队分阶段开展试验与应用：

　　①　预监测阶段：2023年10月10日至15日对测试点位进行温度预监测，连续采集每日22时至次日10时的温度数据，明确该时段室外气温显著下降、早间5:30后逐步回升的规律性，为系统时间控制设定提供数据支撑;

　　②　试运行阶段：2023年10月15日至2024年4月15日开展首期试运行，选取单台5匹柜式空调所在机房为测试对象，通过时控与温控结合的方式自动控制空调非必要时段关闭，验证系统单套设备的降温与节能效果;

　　③　试验改进阶段：2023年10月至2024年9月，结合试运行数据对核心模组进行7次迭代优化，完成长期不停机稳定性测试，解决实际运行中的细节问题;

　　④　规模化应用阶段：2024年10月起，在公司26个机房(含隧道机房)完成45套系统的全面部署，实现机房节能改造的规模化落地。

　　3.2 应用效果

　　(1) 温度控制效果

　　首期试运行及实机测试中，机房室内外气温变化曲线显示，系统在22:00启动后，可快速将机房室内温度稳定在适宜区间，与室外温度保持合理差值;直至次日气温回升后，系统自动切换回空调模式，整个测试期间机房温度未出现超标情况。规模化应用后，各机房(含隧道机房)温度均持续保持在标准范围内，验证了系统在不同类型机房场景下的适配性与稳定性。

　　(2) 节能与经济效益

　　系统规模化应用一年，取得显著的节能与经济效益，节电数据如下表所示：

地点	机房	10-12月	1-3月	4-6月	7-9月
青龙崮隧道	1＃变配电室	140.12	0	1514.51	2020.25
青龙崮隧道	2＃变配电室	161.25	0	1349.5	2017.25
角峪收费站	UPS室	510.22	0	1433.9	1925.67
新泰北收费站	UPS室	0	0	732.04	1396.11
新泰北收费站	隧道机房	184.64	254.48	948.15	1130.76
新泰北收费站	通信机房	330.6	547.57	1784.6	2191.815
泰安东收费站	通信机房	366.28	524.85	2870.54	3862.26
化马湾收费站	UPS室	42.31	38.04	359.51	1013.25
化马湾收费站	通信机房	42.17	54.8	1337.05	2248.56
新泰西收费站	通信机房	23.44	44.06	1181.2	2423.61
新泰西收费站	通信机房	1.35	2.83	835.19	1449
泰安收费站	通信机房	7.73	89.29	1420	2933.58
泰安收费站	UPS室	0	63.32	1181.2	1863.675
泰安南收费站	通信机房	5.76	137.86	1671.65	2969.52
新泰东收费站	UPS室	11.83	3.56	347.45	1208.52
新泰东收费站	通信机房	222.5	838.94	1894.62	3150
新泰北收费站	通信机房	0	26.02	1647.3	3326.73
新泰南收费站	UPS室	0	0	1086.22	2062.65
角峪收费站	通信机房	76.61	13.83	2076.35	3222.81
范镇收费站	通信机房	23.26	244.68	1725.21	2358.555
总和		2150.07	2884.13	27396.19	44774.575
20个机房安装的29套智能过滤节能系统所花费的电费				9374.4
29套智能过滤节能系统节省的电费				146667.91
45套智能过滤节能系统节省的电费				227588.1362
备注： 1、本数据均来源于在18个站加隧道机房所安装的智能电表。其中，10 - 12月的数据对应的是2024年10月至2024年12月期间各机房空调所产生的电费；1 - 9月的数据则是2025年1月至2025年9月各机房空调的电费支出。 2、电表所测量的数据仅涵盖机房空调的电费，并不包含智能过滤节能系统的电费。对于智能过滤节能系统产生的电费，已依据实际测量数据结合其工作天数进行了相应扣除。 3、在本期（2024年10月1日 - 2025年4月30日）内，机房智能过滤节能系统累计工作212天，该工作时长基本符合设计预期。 4、由于智能电表未覆盖所有机房，45套智能过滤节能系统节省的电费由29套智能过滤节能系统节省的电费除以29套，乘以45套总数得出。

　　单机房配置5P空调时，年均电费约1.3万元，安装2套本系统后，年节省电费0.52万元，电费同比下降40%;

　　系统单套研发成本仅2800元，过滤材质可重复清洗、核心模组稳定性高，无额外高能耗运维成本，投资回报周期短。

　　(3) 环境效益

　　通过减少机房制冷电能消耗，间接降低了电力生产过程中的碳排放，45套系统累计减少碳排放434吨，践行了交通运输领域的绿色低碳发展要求，助力高速公路基础设施实现“双碳”目标。

　　(4) 稳定性与运维效益

　　规模化应用期间，各核心模组均稳定运行，未出现故障停机情况：智能温控模组数据采集精准、指令下发及时;通风与尘度调控模组气流稳定、过滤效果达标;空调断电自启动模组联动响应灵敏，有效应对突发断电情况。系统实现机房的无人值守智能管控，大幅减少人工巡检与操作成本，降低了设备故障风险，提升了机房运维的智能化与高效性。

　　3.3 知识产权成果

　　本系统为自主研发、试验制作的创新成果，山东高速泰安发展有限公司拥有全部自主知识产权，截至目前已完成5项专利申请，知识产权布局成果如下：

　　外观专利2项：已完成授权;

　　实用新型专利2项：1项已授权(CN202422334504.9)，1项在审;

　　发明专利1项：已进入公布、实质审查阶段。

　　四、系统创新点

　　本系统紧扣新质生产力“新技术、新模式、新机制”的发展要求，在技术、设计、应用与管理层面实现多重创新，创新点突出且贴合基层运营实际，具体如下：

　　技术创新：自主研发基于ARM架构的RaspberryPi智能温控嵌入式模组，经7次迭代优化及长期不停机测试，实现温度与尘度的一体化动态管控，突破传统机房单一温控或通风的技术局限;研发的用于通风设备过滤件的固定装置获实用新型专利授权，解决了过滤件拆装与固定的行业痛点。

　　设计创新：滤盒载体采用独创的3D打印件组装，过滤材质选用可重复清洗的聚氨酯活性炭爆破海绵，兼顾过滤效果与使用成本;自主设计带时控开关的电源箱，集成空调自检启动功能模块，实现电源管理与空调智能联动的一体化设计，单套系统成本仅2800元，大幅降低研发与应用成本。

　　模式创新：构建“自然冷源利用+空调智能联动”的机房降温新模式，替代传统空调不间断制冷的模式，利用季节性自然温差实现节能降耗，契合绿色交通的发展理念;打造“本地智能控制+云端数字化管理”的运维模式，实现机房温度的在线监测、历史数据记录与远程管控，提升运维效率。

　　机制创新：建立“时间控制+温度感应+尘度监测”的三重系统启停触发机制，通过嵌入式程序逻辑实现无人值守的自动控制，减少人工干预，形成机房节能管理的新机制;空调断电自启动模块的设计，建立了机房制冷设备的故障自动恢复机制，提升了机房运行的安全韧性。

　　五、总结与展望

　　本研究针对高速公路机房制冷能耗高的行业痛点，由山东高速泰安发展有限公司研发团队自主研发的机房智能通风过滤节能系统，通过ARM嵌入式智能温控、通风尘度协同调控、空调智能联动及云端数字化管理的技术融合，实现了机房温度与尘度的一体化动态管控，有效利用自然温差降低了制冷能耗。系统历经设计、试验改进、规模化应用三个阶段，核心模组经7次迭代优化后性能稳定，在26个机房(含隧道机房)部署45套设备后，取得了累计节约电费22.7万元、减少碳排放217吨的显著效益，单机房电费同比下降40%，且形成了5项自主知识产权，兼具创新性、科学性、实用性与经济性。

　　未来，研发团队将基于现有研究成果进一步优化系统功能、拓展应用范围：一是引入AI算法，结合历史气象数据与机房热负荷数据，实现系统运行的精准预测与智能调控，进一步提升节能效率;二是拓展系统的监测维度，增加温湿度、设备运行状态等监测指标，打造全维度的机房智能管控体系;三是加快系统在山东高速集团内部及全国高速公路行业的规模化推广应用，结合不同地区的气候特征与机房需求进行定制化升级;四是推动技术成果的跨行业应用，为通信、市政等领域的机房节能改造提供参考，让低成本绿色节能技术惠及更多行业。

　　参考文献

　　[1] 中共中央国务院。关于加快经济社会发展全面绿色转型的意见[J].国务院公报，2024(24):1-15.

　　[2] 北京市人民政府。北京市公共建筑能效分级管理办法政策解读[Z].2025.

　　[3] 山西移动太原分公司.AI+算力为绿色机房建设加动力[J].中国工信新闻，2025(09):28-29.

　　[4] 山东移动枣庄分公司。机房新风智能调控系统引领绿色节能新风尚[J].大众网，2025(11):35.

　　[5] 山东移动济南分公司。药山机房水帘新风系统打造高效节能范例[J].齐鲁壹点，2025(07):42-43.

　　[6] 佚名。超算中心环境监测系统的设计和实现[J].电子技术应用，2016(02):89-92.

　　[7] 张雷，赵子怡，尹子豪，等。一种用于通风设备上安装过滤件的固定装置[P].CN202422334504.9,2025-07-08.