某數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)自動控制工藝設(shè)計

馮立京，張海崎，李毅，張黎，張富成，潘際淼

（上海現(xiàn)代建筑設(shè)計集團工程建設(shè)咨詢有限公司，上海200041）

某數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)自動控制工藝設(shè)計

馮立京，張海崎，李毅，張黎，張富成，潘際淼

（上海現(xiàn)代建筑設(shè)計集團工程建設(shè)咨詢有限公司，上海200041）

針對數(shù)據(jù)中心的安全性和可靠性，探討了空調(diào)系統(tǒng)的自動控制如何保證數(shù)據(jù)中心的安全運行。同時根據(jù)數(shù)據(jù)中心的空調(diào)能耗占總能耗的比例很大和全年以設(shè)備負(fù)荷為主的特點，為取得顯著節(jié)能的效果，本工程采用了多種冷源的優(yōu)化負(fù)荷管理和免費制冷的超長利用的控制方案。

數(shù)據(jù)中心；高密度；低密度；安全性；節(jié)能；免費制冷；負(fù)荷管理

0 引言

數(shù)據(jù)中心項目包括生活區(qū)和機房區(qū)兩部分。機房區(qū)包括機房樓和動力樓。本文只對機房區(qū)內(nèi)的機房數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的控制作初步探討。機房樓共地上五層，建筑面積為42580m2。每層設(shè)有IT計算機房、精密空調(diào)機房及配套設(shè)備機房、備品備件庫房等房間。機房樓包括13個IT計算機房和1個屏蔽機房，13個IT計算機房中包括1個高密度（5kVA/m2）機房、2個中密度（2kVA/m2）機房和10個低密度（1kVA/m2）機房。

1 空調(diào)冷熱源和末端空調(diào)方式

1.1 空調(diào)冷熱源

機房樓空調(diào)總冷負(fù)荷為13649kW。根據(jù)《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》（GB50174-2008）以及相關(guān)設(shè)計任務(wù)書等要求，作為最高級別的機房，采用2N的冷源配置方式，即二組冷源互為備用。A路冷源設(shè)置10臺風(fēng)冷冷水機組，每臺機組制冷量均為1406kW（400RT）/臺，機組設(shè)置在屋頂。B路冷源設(shè)置4臺水冷冷水機組，其中2臺為高壓定頻離心式水冷冷水機組，每臺制冷量為4747kW（1350RT）；另外2臺為低壓變頻離心式水冷冷水機組，每臺制冷量為2110 kW（600RT），機組設(shè)置在一層的冷凍機房內(nèi)。2臺制冷量為80kW的風(fēng)冷冷水機組主要為保證蓄冷罐的冷水溫度。

A環(huán)路為風(fēng)冷螺桿機組與“免費冷源”并聯(lián)供冷環(huán)路，B環(huán)路為水冷離心機組供冷環(huán)路。風(fēng)冷螺桿機組、“免費冷源”和水冷離心機組三種冷源始終在各自安全限制的前提下，按節(jié)能最大化要求，進行統(tǒng)一的負(fù)荷管理。如圖1所示。

1.2 空調(diào)水系統(tǒng)

空調(diào)冷水系統(tǒng)為兩管制，供回水溫度為10℃/15℃。空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置兩臺水-水板式熱交換器機組。當(dāng)冬季和過渡季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷大于4800kW時可利用冷卻塔作為免費冷源，制備冷凍水，供系統(tǒng)使用。

為了保證空調(diào)系統(tǒng)能維持正常運行，每路冷源水系統(tǒng)中設(shè)置一個蓄冷水罐，當(dāng)一臺或兩臺冷水機組由于供電故障導(dǎo)致臨時停機情況時，打開蓄冷罐與系統(tǒng)相通的電動閥，關(guān)閉原系統(tǒng)總管上相應(yīng)的電動閥，利用蓄冷罐直接供冷。

空調(diào)的冷卻循環(huán)水系統(tǒng)為開式系統(tǒng)。

1.3 空調(diào)方式

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及甲方設(shè)計任務(wù)書要求，高密度機

房配置16臺精密空調(diào)機組（14用2備）和行間制冷（行間制冷由專業(yè)公司根據(jù)工藝要求設(shè)計）；中密度機房配置14臺精密空調(diào)機組（12用2備）；低密度機房配制8臺精密空調(diào)機組（7用1備）。按照A級機房的要求，精密空調(diào)機組需采用2N的配置，為了保證計算機房的使用面積，精密空調(diào)機組采用雙盤管機組，盡量減小精密空調(diào)機房所占的面積，并配置一定的冗余，保證使用的安全性。精密空調(diào)機組統(tǒng)一設(shè)置在精密空調(diào)機房內(nèi)。機組采用下送風(fēng)、上進風(fēng)型。空調(diào)風(fēng)統(tǒng)一送至電子計算機房下部的送風(fēng)靜壓箱。

2 空調(diào)系統(tǒng)運行方式設(shè)計

鑒于本工程的，必須確保在以下各種運行方式下，空調(diào)系統(tǒng)冷源均能安全可靠運行。

2.1常規(guī)運行方式

包括設(shè)備的就地控制、變頻和定頻式離心機組單機系統(tǒng)聯(lián)動控制、冷源系統(tǒng)群控。

2.2 冬季和春秋季節(jié)的節(jié)能運行

在保證A路風(fēng)冷螺桿式機組和B路水冷離心式機組都至少有一臺處于正常在線運行，且各路產(chǎn)冷量不低于符合規(guī)定的用戶在線安全比例時，啟用冷卻水免費供冷系統(tǒng)。

2.3 事故運行

由于供電等故障，導(dǎo)致A組或B組制冷機無法運行時，必須立即開啟連接蓄冷罐的常閉電動蝶閥和關(guān)閉相應(yīng)的常開電動蝶閥，以快速切換為蓄冷罐供冷。

3 空調(diào)水系統(tǒng)控制

3.1 空調(diào)水系統(tǒng)流程圖

如圖1所示。

3.2 冷負(fù)荷計算公式

QA=LA×ΔtA×CP—A路在線供冷量，kW；

QB=LB×ΔtB×CP—B路在線供冷量，kW；

QF=LF×ΔtF×CP—風(fēng)冷螺桿機在線供冷量，kW；

Qsh=QB—水冷離心機在線供冷量，kW；

Qm=Lm×Δtm×CP—免費冷卻在線供冷量，kW；

Qmx=對應(yīng)Qy的免費供冷量限定值（初定Qmx= Qy-35%Q0），kW；

Q0—制冷站額定總冷量，kW；

Qy=QA+QB—用戶在線總冷量，kW；

式中：

LA，LB，LF，Lm—A路、B路、風(fēng)冷環(huán)路、免費環(huán)路水流量，m3/h；

ΔtA，ΔtB，ΔtF，Δtm—對應(yīng)各路供回水溫差，℃；

CP—水定壓比熱，J/（kg·℃）。

3.3 計量儀表要求

用于冷負(fù)荷監(jiān)測的計量儀表要求精度高，如溫度傳感器測量誤差應(yīng)≤±0.2℃，測量溫差的傳感器應(yīng)有相同的正/負(fù)溫度系數(shù)，電磁流量計其測量誤差要求≤±0.5%或精度1%等。

3.4 免費制冷系統(tǒng)VT1、VT2、VT3電動二通閥工作狀態(tài)

見表1。

冷卻塔分二部分使用，編號為1、2的冷卻塔為2110kW（600RT）冷凍機冷卻塔，編號為3的冷卻塔為4747kW（1350RT）冷凍機冷卻塔；編號為4、5、6、7的冷卻塔為4747kW（1350RT）冷凍機或免費制冷的冷卻塔。免費冷卻系統(tǒng)是利用冷卻塔5、6、7運行，當(dāng)需提高免費制冷負(fù)荷時，需加入冷卻塔4運行。

VT3調(diào)變要求：

Qm＞Qmx或出水溫度＜6℃，則按程序漸開。Qm＜Qmx，則按程序漸關(guān)。

表1 免費制冷VT1、VT2、VT3閥工作狀態(tài)

4 制冷站負(fù)荷管理

4.1 常規(guī)運行方式

A路風(fēng)冷螺桿機和B路水冷離心機兩者聯(lián)合供冷：重點在于風(fēng)冷機的臺數(shù)控制和水冷機的臺數(shù)選擇上。

為保證事故時的安全切換，A路和B路全年均有一定比例的機組處于熱態(tài)在線運行中。用戶總冷負(fù)荷為兩路供冷負(fù)荷之和：

即Qy=QA+QB（其中QA=QF，QB=Qsh）；

風(fēng)冷QF和水冷Qsh應(yīng)隨用戶在線負(fù)荷Qy的增加而增加，以保證各自相應(yīng)的安全負(fù)荷比例。初定滿負(fù)荷運行時，風(fēng)冷QF運行四臺，占總冷負(fù)荷的40%，水冷Qsh運行2臺制冷量為4747kW（1350RT）的離心機組，占總冷負(fù)荷的60%。

當(dāng)考慮開關(guān)切換開關(guān)差為±5%時，風(fēng)冷機的加機運行為：

Qy＞55%Q0，開3臺；Qy＞80%Q0，開4臺；

反之，風(fēng)冷機的減機運行為：

Qy＜70%Q0，開3臺；Qy＜45%Q0，開2臺；

風(fēng)冷機的負(fù)荷管理除臺數(shù)控制外，還必須控制好風(fēng)冷機小循環(huán)的供回水溫差（如ΔtF=5℃），改變溫差可改變QF的大小。即QF的管理是通過風(fēng)冷機的加（減）機，并輔以控制風(fēng)冷機進出水溫差ΔtF的旁路電動調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)的。

對于B路水冷機，由于是向精密空調(diào)B盤管供冷，起收斂控制作用，其負(fù)荷Qsh的管理同于常規(guī)作法，如圖3所示。

4.2 冬季和春秋季節(jié)能運行

A路的風(fēng)冷機組、冷卻水免費系統(tǒng)和B路的水冷機組三者聯(lián)合供冷：重點在于免費冷卻系統(tǒng)的負(fù)荷管理上。

冷凍機房內(nèi)設(shè)有2套免費冷卻裝置。免費冷卻裝置最大設(shè)計能力可達額定總冷量的65%以上。它們在外部空氣濕球溫度小于20℃和用戶側(cè)負(fù)荷大于某一設(shè)定值（如35%Q0）時，即可使用。為避免免費冷卻裝置頻繁啟停，可設(shè)置2℃的動差，即在Qy＞35%Q0的前提下，當(dāng)外部大氣濕球溫度小于18℃時開啟，大于22℃時關(guān)閉。也可采用動差加延時的方式，使啟停之間的時間更長。免費冷卻水泵的開啟臺數(shù)控制是，當(dāng)外部空氣濕球溫度小于7℃開2臺，大于9℃開1臺（而位于熱交換另一側(cè)的冷凍水泵的開啟臺數(shù)與冷卻水泵相同），如圖4所示。

由于Qm的大小直接受外部空氣濕球溫度的影響，它可能小于Qmx，也可能大于Qmx，而節(jié)能運行的負(fù)荷管理重點是始終保持Qm≤Qmx這種關(guān)系。

（1）當(dāng)Qm＜Qmx時

如免費冷卻系統(tǒng)已處于滿負(fù)荷運行狀態(tài)，則B路的水冷機會根據(jù)空調(diào)末端B盤管的冷量需求，自動加載或加機運行，以彌補Qy的不足冷量。

如免費冷卻系統(tǒng)尚處于非滿負(fù)荷運行狀態(tài)，應(yīng)首先發(fā)揮其能力，則免費冷卻系統(tǒng)將進入加荷運行程序，如圖5所示。

（2）當(dāng)Qm＞Qmx時

免費冷卻系統(tǒng)將進入減荷運行程序，如圖6所示。

（為防止供水溫度過低而引起空調(diào)末端A盤管結(jié)露，以上減荷運行程序也適用于防止出水溫度過低的控制程序）

由以上可知，節(jié)能運行必須同時監(jiān)測Qy（并由Qmx= Qy-35%Q0得Qmx）和Qm，將Qm和Qmx比較后，決定免費系統(tǒng)按（1）或按（2）方式運行，從而實現(xiàn)確保安全下的最大節(jié)能化。

而當(dāng)Qy達到滿負(fù)荷100%Q0后，其限定值Qmx=Qy-35%Q0=65%Q0，即為免費裝置的最大設(shè)計能力，這時免費裝置不再減荷運行。如外部空氣濕球溫度升高，使Qm＜65%Q0，水冷機同樣會根據(jù)空調(diào)末端B盤管的冷量需求自動加載或加機運行，以彌補Qy的不足冷量。

4.3 事故運行

重點在于即時啟動UPS的水泵和切換蓄冷罐。

（1）假定一路供冷系統(tǒng)發(fā)生水管管路故障，將立即開啟非事故一路的蓄冷罐，并相應(yīng)開啟冷凍水泵，首先保證中、高密度機房的空調(diào)要求。蓄冷罐連同水管路的蓄冷量，約可保證中、高密度機房的空調(diào)要求15min。開啟蓄冷系統(tǒng)的同時，將逐步開啟該路的冷凍機和配套輔機，直到由非事故一路供冷系統(tǒng)承擔(dān)包括低密度機房和其它機房的全部用戶冷負(fù)荷。

（2）假定供冷系統(tǒng)發(fā)生供電故障，將立即開啟二路的蓄冷罐，并相應(yīng)開啟冷凍水泵，首先保證中、高密度機房的空調(diào)要求。待柴油發(fā)電機恢復(fù)供電后，將逐步開啟A路和B路的冷凍機和配套輔機，恢復(fù)事故前狀態(tài)。

系統(tǒng)事故時，相關(guān)空調(diào)設(shè)備工作狀態(tài)見表2。

以上關(guān)于制冷站負(fù)荷管理，主要指35%Q0≤Qy≤100%Q0區(qū)間的管理。當(dāng)Qy＜35%Q0時，即工程使用初期冷負(fù)荷偏小時，應(yīng)按實際情況另作特殊考慮。

表2 事故通風(fēng)時空調(diào)設(shè)備工作狀態(tài)

5IT機房內(nèi)溫濕度控制

IT機房內(nèi)環(huán)境溫濕度控制詳見圖2：空調(diào)末端裝置工作示意圖。一般與BA有所劃分，但與供冷系統(tǒng)的工況調(diào)控密不可分，相互必須溝通與協(xié)調(diào)，故提出以下要求與建議：

房間溫度（機組回風(fēng)溫度）TN由改變EC電機轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)風(fēng)量大小予以控制；

靜壓箱送風(fēng)溫度（機箱出風(fēng)溫度）TS由A盤管VA和B盤管VB兩通電動調(diào)節(jié)閥協(xié)同控制（當(dāng)一路事故關(guān)斷時，另一路將獨自承擔(dān)TS的控制）；

房間濕度HN，外方對本工程機組冷卻按干工況考慮，原則上只考慮新風(fēng)部分的冬季加濕量。但由于進出水溫為10℃/15℃，可能盤管仍有微量水分析出（特別是當(dāng)風(fēng)量減少時），故室內(nèi)仍設(shè)有微量加濕措施。當(dāng)HN小于（如40%）開啟房間加濕器，當(dāng)HN大于（如50%）關(guān)閉房間加濕器。但解決盤管析濕問題最好的辦法仍是：1）保持房間正壓、避免外部空氣滲入；2）適當(dāng)提高盤管供水溫度，對供水溫度做優(yōu)化管理。

6 管路系統(tǒng)壓差控制

（1）A路和B路供回水總管之間均設(shè)有常規(guī)的壓差旁通電動閥（壓差大約在24～28mH2O）。

（2）IT機房內(nèi)回水干管上均設(shè)有自力式壓差控制閥，以自動控制進入各IT機房內(nèi)供回水干管之間的壓差（如給定16m）（選閥前應(yīng)與有關(guān)方確定最大流量/最小壓差和最小流量/最大壓差，建議閥前后最小壓差取2～3m，最大壓差取28m，在壓差控制閥全開或開啟旁通閥的情況下，必須首先調(diào)試好供水干管的手動平衡閥，以平衡各路初始水流量）。

高密度精密空調(diào)機房自力式壓差控制閥的選取詳如圖7所示；中密度精密空調(diào)機房自力式壓差控制閥的選取如圖8所示；低密度精密空調(diào)機房自力式壓差控制閥的選取如圖9所示。

（3）水冷離心機組冷卻水最低進水溫度控制旁通電動調(diào)節(jié)閥，一般水冷離心機組要求冷卻水進水溫度不低于15.5℃。

以上所假定的切換點、控制點、安全負(fù)荷比例等諸參數(shù)為參考值、代表值或近似值，均可按實際情況予以調(diào)整。

7 空調(diào)節(jié)能

（1）變頻式離心冷水機組采用導(dǎo)葉開度與變頻調(diào)速聯(lián)合控制，可節(jié)約變頻冷水機組能耗的20%。

（2）當(dāng)外部空氣濕球溫度低于設(shè)定值時，可大量利用冷卻水作為冷源，通過水-水板式熱交換器制備冷凍水，將明顯降低供冷系統(tǒng)的能耗。本工程將外部空氣濕球溫度上限提高到20℃，大大延長了免費制冷的使用時間，由一般的冬季擴延至春秋季，全年供用期可達7個月左右。免費制冷量可達額定總冷量的10%-65%（約1370-8910kW）。

（3）空調(diào)冷源的供水設(shè)計溫度為10℃的高溫水，因為IT設(shè)備的加載是一個漸進的過程，當(dāng)前期末端負(fù)載較小時可以再提高冷凍機供水溫度，供水溫度每提高1℃，冷凍機的COP值可提高3%左右。

8 結(jié)語

數(shù)據(jù)中心中的多冷源群控優(yōu)化問題，是一個復(fù)雜而節(jié)能潛力很大的問題。必須具體分析既定設(shè)備系統(tǒng)的特性，在安全第一的前提下，充分利用各冷源的特點，使之能在各種工況下協(xié)調(diào)工作，能耗最省。這里的關(guān)鍵是合理的負(fù)荷管理，原則上盡量長時間利用免費冷卻（本工程可長達7個月以上），但免費冷卻存在一個供水溫度波動大和后期溫度偏高的問題。本工程利用空調(diào)末端雙盤管的結(jié)構(gòu)，發(fā)揮離心機供水溫度穩(wěn)定的優(yōu)點，將離心機供水作為末級收斂控制的供水，就彌補了免費冷卻的供水溫度不穩(wěn)定的缺點。而風(fēng)冷機投入的冷負(fù)荷多少，始終追隨用戶側(cè)因負(fù)荷變化而要求的風(fēng)冷機的安全在線冷量。如何保證安全第一和有效降低空調(diào)的能耗降低PUE值，不僅要選用高效的空調(diào)主機和良好的系統(tǒng)設(shè)計，空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制也起到顯著的支撐和保障作用。為此，空調(diào)設(shè)計人員必須向自控商明確其控制要求，并與業(yè)主共同對自控商的實施方案認(rèn)真確認(rèn)，否則是不可能達到設(shè)計節(jié)能效果的。

[1]GB50174-2008，電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范[S].

[2]ANSI/TIA-942-A，Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers[S].

[3]陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

Automatic Control Process Design of Air-Conditioning System in Data Centers

FENG Li-jing，ZHANG Hai-qi，LI Yi，ZHANG Li，ZHANG Fu-cheng，PAN Ji-miao

（Shanghai Xian-Dai Architecture，Engineering&Consulting Co.，Ltd，Shanghai 200041，China）

Based on security and reliability of the data center，this paper discussed the automatic control of the air conditioning system and how to ensure the safe operation of the data center.The air conditioning energy consumption of the data center takes a large proportion of the total energy consumption and the equipment load makes the main load throughout the year.In order to obtain significant energy-saving，this project uses a variety of cold sources and to optimize load management control and get free cooling in a long time.

date center；high density；low density；safety；energy-saving；free cooling load management

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.04.016

TU831

B

2095-3429（2016）04-0063-06

2016-03-21

修回日期：2016-04-25

馮立京（1978-），男，上海人，本科，高級工程師，主要從事暖通設(shè)計工作。