智能換熱系統在樓宇自控中的應用

中建八局西北公司 西安 710075

1 智能換熱系統介紹[1,2]

隨著信息化進程的深入，全球每年產生的數據量以50%的規模遞增，極大地帶動了全球數據中心的建設和發展，我國整體規模也有較大發展，2012年，我國數據中心增長已經達到23.2%。龐大的電費成為眾多新建或傳統數據中心面臨的巨大挑戰，越來越多的數據中心運營者將節能作為未來數據中心建設的最重要因素之一。經過長期調研，中國電信選擇在內蒙古建設云基地。其中，自然環境條件是個重要因素，呼和浩特全年氣溫10 °C以下的天數逾200 d，有利于高能耗和高發熱量的云計算中心建設，結合自然風冷、封閉循環等綠色低碳技術，充分體現了綠色環保、節能減排、技術創新的云數據中心建設理念。

中國電信云計算內蒙古信息園數據中心，有一套先進的空調系統，但為了確保空調系統可靠平穩的運行，必須建立一套完善的控制系統。本工程建立完善的控制系統以應對當室外氣象條件變化時，系統能自動完成電制冷與風道智能換熱（為主）運行情形的組合和切換及這2 種模式所包含的空調設備之間的連鎖控制。

本次控制系統采用2 層網絡通訊結構；頂層為管理層，使用TCP/ IP協議，用于連接系統服務器、工作站及第三方系統。第2層為控制設備互聯層，采用BACnet或LonWorks通訊協議，用于連接控制設備（DDC及I/O模塊或網關）。樓宇自控系統包括冷源系統、EC/AC通風系統，集成水冷離心式冷水機組、風冷式冷水機組、EC風機、機房專用空調（AC）、蓄冷罐。通訊接口如表1。

表1 通訊接口

2 系統設計及控制策略[3-8]

2.1 模式介紹

每棟樓5 種模式選擇均采用室外監測點（兩處一用一備）得出濕球溫度作為水系統參考，干球溫度作為風系統參考。

2.1.1 水系統

采用室外監測點（兩處一用一備）得出濕球溫度作為水系統參考。每1 臺水冷機組對應1 臺冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵、板式換熱器，成為1 組制冷單元。以下各模式切換溫度利用濕球溫度作為標準，冷卻塔出水溫度校準為輔，可根據日后系統運行情況進行最佳溫度選擇調整。

模式1：室外濕球溫度T＜2 °C時，室外的極端低溫會造成冷卻風道的結冰（冷卻效果下降和除冰困難），此時將采用板式換熱器換熱（制冷），啟用自然冷卻，關閉電制冷。

（a）板式換熱器、冷卻塔每組開啟數由末端冷負荷決定；

（b）冷卻塔根據出水溫度調節變頻器，預留給用戶可修改出水溫度設定值；

（c）冷凍水泵、冷卻水泵開啟，風冷機組、水冷機組關閉。

模式2：室外濕球溫度T≥2 °C時，隨著室外溫度升高，采用電制冷，關閉自然冷卻。

（a）板式換熱器關閉；

（b）冷卻塔根據出水溫度調節變頻器，預留給用戶可修改出水溫度設定值；

（c）冷凍水泵、冷卻水泵開啟；

（d）開啟機組運行。

運行冷水機組、風冷機組（A3、A5樓水冷機組3 臺輪換，1 臺備用；A4、A6樓2 臺輪換）的條件：

（a）室外濕球溫度＞10 °C且過去3 d平均溫度＞10 °C，切換模式前延時30 min。

（b）A3樓4 個制冷單元，作為備用制冷量小的1 臺冷水機組不參與輪換，當冷負荷大于輸出時，才考慮開啟備用設備，優先開啟冷水機組，負荷大于輸出再開啟風冷機組進行參與負荷計算。

（c）每組制冷單元啟停順序。啟動：電動水閥→冷卻塔風機→冷卻水泵→冷凍水泵→冷水機組 。停止：冷水機組→冷凍水泵→冷卻水泵→冷卻塔風機→電動水閥 。如有設備出現故障，程序會自動選擇另1 臺設備補上。

（d）冷機根據運行時間輪換啟停。

（e）電制冷模式分為全自動（群控邏輯運行狀態）、半自動（增加人工操作制冷單元啟停按鈕）、手動（設備可單獨強制啟停）。

機房溫濕度控制目標為：冷通道溫度18～23 °C，熱通道溫度26～28 °C，相對濕度40%～70%。

2.1.2 風系統

采用室外監測點（兩處一用一備）得出干球溫度作為風系統參考，可根據日后系統運行情況進行最佳溫度選擇調整。

模式1：室外干球溫度T＜－26 °C時，考慮到風道防凍。

①末端AC空調全部開啟，EC換熱風機全部關閉（干球溫度T≤－26 °C）；

AC空調頻率固定為100%，根據回風溫度進行水閥調節（由AC自帶控制邏輯完成），開啟臺數由室內負荷而定。

模式2：室外溫度區間為：干球溫度－26 °C ≤T≤10 °C時，利用室外自然冷源，將室內熱空氣經室外冷卻管冷卻后回送室內，AC機組將其加濕并接力推送至整個冷通道，來滿足室內恒溫恒濕要求。

①末端AC空調通訊機房處全部開啟（用戶使用界面可根據實際情況強制關閉或開啟），電力電池室關，EC換熱風機全部開啟；

AC空調頻率固定為100%，根據回風溫度進行水閥調節（由AC自帶控制邏輯完成），外側AC空調根據每個機房排風溫度高于28 °C（可調）超過30 min階梯時間依次對應關閉EC風機，其對應的區域外側AC空調開啟，直至穩定在28 °C（可調）超過30 min后階梯時間開啟EC風機，其對應的區域外側AC空調關閉。

模式3：室外干球溫度T＞10 °C時，關閉風系統。①末端AC空調全部開啟，EC換熱風機全部關閉；

AC空調頻率固定為100%，根據回風溫度進行水閥調節（由AC自帶控制邏輯完成），開啟臺數由室內負荷而定。

2.2 電制冷邏輯

1 組制冷單元內，包括冷水機組、冷水機組進出水閥、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機、冷卻塔進出水閥。A3樓備用冷水機組（600RT小套冷水機組、冷水機組進出水閥、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、冷卻塔進出水閥），此制冷單元在風冷機組4 臺已參與輪換的情況下，作冷負荷超過負載所需使用。

機組制冷工況下，冷水機組啟停、冷水機組進出水閥啟停、冷凍水泵啟停、冷卻水泵啟停、冷卻塔風機啟停及風機變頻、冷卻塔進出水閥啟停、風冷機組啟停、風冷機組進水閥、風冷機組冷凍水變頻泵啟停及變頻控制，這些命令是由統籌控制器或軟件向單元控制器發出，再發向被控設備。以上命令在自動群控情況下會自行選擇發出啟停信號，樓宇自控圖形界面上也會提供出操作員根據實際情況對被控設備發出強制控制操作命令，或進行制冷單元輪換操作。

2.3 自然冷卻邏輯

使用板式換熱器及冷卻塔風機，對應每組單元為板式換熱器、板式換熱器一次側進出水閥、二次側進出水閥、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機、冷卻塔進出水閥。

自然冷卻工況下，板式換熱器一次側進出水閥啟停、二次側進出水閥啟停、冷凍水泵啟停、冷卻水泵啟停、冷卻塔風機啟停及風機變頻、冷卻塔進出水閥啟停，這些命令是由統籌控制器或軟件向單元控制器發出，再發向被控設備。

以上命令在自動群控情況下會自行選擇發出啟停信號，樓宇自控圖形界面上也會提供出操作員根據實際情況對被控設備發出強制控制操作命令，或進行冷卻單元輪換操作。

2.4 EC風機、AC空調邏輯

每個機房內EC風機以固定頻率輸出，設備本身不建議頻繁更換頻率，故默認設定輸出為60%（EC風機頻率根據不同樓層設定，具體值需要EC風機廠家提供并根據日后運行情況操作員可修改），另外每層每個機房既有1 個EC風機統一輸出控制鍵，也可在圖形界面進行每臺單獨輸出控制。

室外冷風道內部設有溫濕度監測及風速監測，機房內冷熱通道設有溫濕度監測及室內溫度監測，提供AC空調啟停依據。AC空調頻率固定為100%，根據回風溫度進行水閥調節，外側AC空調根據每個機房排風溫度高于28 °C（可調）超過30 min階梯時間依次對應關閉EC風機，其對應的區域外側AC空調開啟，直至穩定在28 °C（可調）超過30 min后階梯時間開啟EC風機，其對應的區域外側AC空調關閉。以達到機房溫度穩定值為準且保證節能需要。

增加預冷模式，室外干球溫度低于10 °C并保證不低于－26 °C，全部EC風機開啟。

2.5 加減制冷單元時的設備順序啟停邏輯

根據冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵運行時間，即1 組制冷單元的累計運行時間為基準，已累計運行時間長者先停，累計運行時間短者先開的原則進行，并提供給操作員重置輪換啟停順序的控制鍵。每個制冷單元內機組、水泵、水閥均根據開啟關閉順序自動啟停。

2.6 冷卻塔變頻控制邏輯

水冷機組不運行，即自然冷卻時，冷卻塔風機頻率控制在保證冷卻水出水溫度恒定10 °C。當此單元冷卻塔風機頻率為30 Hz時，開啟此路冷卻水旁通閥，滿足恢復關閉條件（冷機冷卻水回水溫度是否升上來定是否關閉閥門）延時30 min關閉旁通閥。

水冷機組運行，即電制冷時，冷卻塔風機頻率控制在保證冷卻水出水溫度恒定20 °C，當≤18 °C且此單元冷卻塔風機頻率為30 Hz時，開啟此路冷卻水旁通閥，滿足恢復關閉條件（冷機冷卻水回水溫度是否升上來定是否關閉閥門）延時30 min關閉旁通閥。

2.7 冷凍水泵、冷卻水泵變頻控制邏輯

冷卻水泵在電制冷模式時根據供回水溫差PID調節控制變頻輸出，自然冷卻模式下全頻率運行，當冷卻塔風機轉速降為30 Hz，梯度減少冷卻泵頻率；

冷凍水泵變頻控制來源根據分集水器壓差PID調節控制變頻輸出，冷凍水泵設為同頻輸出。當冷凍水泵頻率反饋低至30 Hz（此頻率設定根據電制冷模式下采集的此支路冷水機組冷凍水出水流量，保證不低于30%流量對應的水泵最低頻率為準），此時啟用旁通閥邏輯，分集水器側進行旁通閥調節。

2.8 風冷機組冷凍水泵變頻控制邏輯

根據實際情況可進行更改設定，默認輸出為80%，操作員可調。

2.9 緊急制冷邏輯

蓄冷罐作用條件：

模式1：工作模式，分水器至蓄冷罐管路上的閥門及水泵停用，至集水器閥門常開，蓄冷罐實現定壓功能；

模式2：充冷模式，當蓄冷罐內水溫T≥14 °C，開啟充冷管道上閥門充冷，當蓄冷罐內水溫T=12 °C，關閉充冷管道上閥門，至集水器閥門常開，蓄冷罐正常定壓；

模式3：放冷模式，當市電斷電或所有制冷機組故障時，放冷泵開啟，充冷管道上閥門關閉，至集水器閥門常開，蓄冷罐實現放冷、定壓功能；

模式4：蓄冷罐故障，至蓄冷罐管道上所有閥門關閉，配套的空調補水泵停止工作，同時切換至常壓罐全自動補水定壓裝置工作。

放冷水閥及放冷泵可在群控情況下自動根據需要啟停，也可由操作員在樓宇自控圖形界面上強制操作。

蓄冷罐每隔 0.5 m有1 個溫度監測采集，一共52 個溫度監測點，可有樓宇自控圖形界面查看蓄冷罐充能狀態，以及蓄冷罐內液位監視。

3 結語

本工程中將樓宇自控應用在智能換熱系統中，保證了該空調系統的可靠平穩運行。通過對室外和室內溫度、濕度的嚴密監控，實現5 種制冷模式的平穩切換。樓宇自控在智能換熱系統中的應用實現了數據中心的節能減排、技術創新，為全社會節能減排做出了突出貢獻，也降低了運營成本。