淺談AHU風墻群控在數據中心的應用

田曉峰

（江蘇達海智能系統股份有限公司）

1 引言

自然冷卻是目前國內外公認的數據中心節能重要措施之一，合理地利用自然冷卻技術可以明顯減少數據中心的全年能耗。近十幾年來，各種自然冷卻技術應運而生，極大地推進了自然冷卻技術在數據中心的應用和發展，其中風墻技術成為這些新型空調節能技術的應用探索之一。

風墻技術是指利用室外的自然新風作為冷源，當室外空氣溫度低于室內溫度并且溫度差達到一定程度，引入外界冷風將機房內的熱量帶走，達到機房內溫度降低的目的。這種自然風冷的制冷方式能使數據中心所消耗的電能比之前降低20%～30%。風墻技術的主要特點是機房無地板送風、集成新風自然冷卻功能，采用冷凍水或者機械制冷作為補充冷源，集成蒸發冷卻模塊，具有大風量、大冷量送風特點。近些年來一些設備廠商在風墻自然新風基礎上增加蒸發冷卻裝置進一步提升能源使用效率。

2 風墻系統組成

風墻系統由以下單元組成：進風單元、加濕單元、風墻單元、排風單元、回風單元和控制單元，如圖1所示。

1）進風單元實現兩個功能

自然風進風控制，自然風過濾處理。進風單元由以下設備組成：進風百葉，初效過濾器，進風風閥，中效過濾器，化學過濾器。

2）加濕單元實現的功能

當自然風濕度低于機房濕度要求，或因機房內循環導致冷凝水排出引起機房濕度低于機房要求時，通過加濕單元增加機房內環境濕度。為節約機房運行能耗，可采用微霧加濕解決方案。

3）風墻單元是風墻系統的核心單元

圖1 數據中心AHU風墻設備組圖

風墻單元實現的功能是內循環的空氣過濾，提供機房冷卻所需要的風量，通過冷水盤管冷卻進入機房。

4)排風單元

在自然風冷卻運行模式下，將機房熱通道中的空氣排出機房。排風單元由排風百葉，排風扇，排風風閥，室外出口百葉組成。

5)回風單元

在內循環模式或部分自然風冷卻模式下，將全部或部分熱通道內的空氣送回風墻單元前的空氣混合室。

6)系統控制單元

由空氣質量監測器和風墻系統控制器組成。空氣質量監測器安裝的機房外，監測空氣的化學污染情況，風墻控制器安裝在風墻內，控制單元實現的功能：通過傳感器采集機房外部和機房內部各個關鍵點的溫度、濕度、壓力等數據；通過控制進風風閥、排風風閥和回風風閥實現自然風冷卻或內循環風冷卻送風方式；通過控制風墻風扇實現機房內部風量和風壓的要求；通過控制冷水盤管實現機房送風的溫度要求以達到機房冷卻的目標，實現普通工況、部分空氣側節能工況和全空氣側節能工況的節能目標。

3 風墻的工作模式

風墻系統在不同工況下采取不同運行模式。

3.1 混風冷卻模式

室外冷空氣與數據機房回風熱空氣部分混合后送入機房區域，機械制冷停止，系統工作在完全自然制冷方式。

3.2 全新風冷卻模式

室外冷空氣全部送入機房區域，機房熱空氣全部排出室外，機械制冷停止或部分停止，系統工作在完全自然制冷方式或自然制冷與機械制冷的混合工作方式。

3.3 全回風模式

關閉室外新風進風，系統采用完全機械制冷方式。

3.4 防凍混風模式：

一種冬季運行模式，當室外溫度較低時，在混風模式下，打開AHU單元水閥和水循環系統，利用機房熱空氣換熱，在滿足機房自然冷卻的基礎上，適度提高冷水的水溫，防止水系統設備凍結。

4 AHU風墻群控

4.1 AHU風墻群控系統的組成

在采用AHU風墻技術的數據中心機房模塊內，AHU風墻單元一般是通過N+X方式冗余配置，每套AHU風墻單元配置獨立的單元控制器對單套風墻單元進行控制，單個數據中心機房模塊的所有風墻單元，通過風墻群控控制器實現群控管理和控制，群控控制器采用1+1熱備冗余配置。單元控制器與群控主控器、群控副控器之間采用雙數據通信鏈路連接，單元控制器與群控控制器之間采用物理心跳信號，提高控制的可靠性。數據中心內所有機房模塊的群控控制單元，通過冗余通訊鏈路及物理心跳鏈路與數據中心的冷站控制單元連接，實現整個數據中心制冷系統的集成聯動控制。

風墻群控系統由群控主控器、群控副控器、AHU單元控制器和AHU現場操控單元組成。（見圖2）

1）群控主控器

采集室外安裝的傳感器，監測干球溫度，露點溫度，相對濕度和室外空氣顆粒度，室外空氣硫化物含量，來決定外部的空氣是適合自然冷卻、部分自然冷卻或機械制冷，通過AHU單元控制器，進行風墻單元的起停和制冷模式的切換；根據AHU現場操控單元的設定，決定手/自動模式的切換；控制冷凍站群控單元執行機械制冷系統的起停和負荷控制；進行新風風閥、排風風閥、回風風閥的控制；負責風墻單元的設備輪值。

圖2 AHU風墻群控系統

2）AHU單元控制器

接受群控單元的指令進行風墻單元的起停和模式切換；通過調節水閥，控制送風溫度；通過檢測冷熱通道溫差，進行EC風機變頻，控制機房內冷熱通道的溫度；監測空氣過濾器的壓差堵塞報警；監測機房內的露點溫度，進行加濕控制。

3）AHU現場操控單元

負責風墻單元工作模式和制冷模式的設定；完成風墻系統各種運行工況參數的設定；風墻系統運行參數的現場顯示。

4.2 AHU風墻群控系統的監控數據點（見表1）

4.3 AHU風墻系統的控制過程

AHU風墻的群控系統啟動時，檢測和控制風墻相關設備上電后，群控主控器首先通過數據鏈路及物理心跳鏈路，與群控副控器、單元控制器、現場操控單元、冷站群控單元建立心跳鏈接，檢測和驗證室外空氣質量傳感器、室外溫濕度、露點傳感器、新風、回風、排風風閥、新風濾網狀態，與冷站群控器進行信號應答測試，通知單元控制器、現場操控單元進行自檢并反饋，如果檢測過程存在故障，將故障通知BMS系統，同時在現場操控單元顯示并報警，系統進入輪詢等待狀態，當故障解除后，通知各相關單元，系統進入就緒狀態，等待操作指令，當檢測正常時，直接進入就緒狀態。

單元控制器接到群控器自檢指令后，檢測和驗證各類溫濕度傳感、空氣壓差傳感、露點溫度傳感等的狀態，并將結果反饋給群控器。

現場操控單元接到群控器自檢指令并完成自檢后，反饋結果給群控器，并顯示本單元相關數據。

就緒狀態下，系統根據人工操作設定，工作在自動或手動狀態。

當系統采用自動控制方式時，工作模式的切換自動完成。群控系統根據室外工況參數，來決定外部的空氣是適合自然冷卻、部分自然冷卻或機械制冷。

1）混風冷卻模式

當室外干球溫度低于設計工況值，室外露點溫度小于設計工況值，室外空氣質量符合設計要求，且工況值維持一定的穩定時間后，群控制器發出進入混風冷卻模式信號，系統進入混風冷卻模式。新風閥部分打開，自然新風進入進風區域，回風閥部分打開，從吊頂流回的熱通道空氣與室外冷空氣在混風區進行混風，群控器通過調節新風閥和回風閥的開度，來控制AHU出口的空氣溫度達到設定值。排風閥部分打開，將部分機房區域熱空氣排出室外，群控器通過控制排風閥的開度，保證機房與室外和走廊壓差維持在5Pa～10Pa范圍。單元控制器控制AHU冷水盤管上的冷凍水閥關閉，新風和熱通道回風混合至設定溫度送至冷通道，同時，群控控制器通知冷站群控單元延遲一定的時間后，關閉相應冷凍單元。當機房內露點溫度小于設定值時，單元控制器控制開啟加濕功能，保證送入機房的空氣露點溫度

在設定的工況范圍。

表1 風墻群控點表

AHU風墻單元采用EC風機陣列向機房內進行彌漫式水平送風，EC風機控制由單元控制器根據AHU單元對應的冷熱通道的溫差與設定值的比較進行送風的變頻控制。溫差通過冷熱通道的溫度傳感器計算獲取。

單元控制器監測AHU段位中初、中效過濾器的壓差，壓差超過設定值時報警提示。

2）全新風冷卻模式：

當室外干球溫度在全新風工況值范圍，室外露點溫度小于設計工況值，室外空氣質量符合設計要求，且工況值維持一定的穩定時間后，群控制器發出進入全新風冷卻模式信號，系統進入全新風冷卻模式。群控器通過冷凍站群控器啟動所需冷凍單元，待冷凍站群控制器接到冷凍單元啟動"OK"信號后，反饋啟動完畢信號給風墻群控器，風墻群控器控制新風閥全部打開，自然新風進入進風區域，回風閥全部關閉，室外新風經過AHU單元全部進入機房區域。排風閥全部打開，機房區域內全部熱空氣通過熱通道沿吊頂排出室外，群控器通過控制排風閥的開度，保證機房與室外和走廊壓差維持在5-10Pa范圍。單元控制器通過控制AHU冷水盤管上的冷凍水閥，使AHU單元出口的送風溫度保持在設定值，此時，冷站群控單元根據機房熱負荷，決定冷凍單元的運行負荷。當機房內露點溫度小于設定值時，單元控制器控制開啟加濕功能，保證送入機房的空氣露點溫度在設定的工況范圍。

EC風機及其他設備的監控同混風冷卻模式。

3）全回風模式：

當室外室外露點溫度大于設計工況值，或室外空氣質量不符合設計值，且工況值維持一定的時間后，群控制器發出進入全回風模式信號，系統進入全回風冷卻模式。群控器通知冷凍站群控器機械制冷啟動，冷站群控器根據機房負荷情況啟動所需冷凍單元，啟動完畢后，反饋啟動完畢信號給風墻群控器，風墻群控器控制新風閥和排風閥全部關閉，同時打開回風閥，機房區域內熱空氣通過熱通道沿吊頂回至混風室進行室內空氣循環。單元控制器控制AHU冷水盤管上的冷凍水閥達到最大開度，通過調節水閥開度，使AHU單元出口的送風溫度保持在設定值，此時，冷站群控單元根據機房熱負荷，決定冷凍單元的運行負荷。當機房內露點溫度小于設定值時，單元控制器控制開啟加濕功能，保證送入機房的空氣露點溫度在設定的工況范圍。

EC風機及其他設備的監控同混風冷卻模式。

4）防凍混風模式：

防凍混風模式是風墻系統在冬季寒冷天氣的一種運行模式。寒冷天氣工況下，在混風模式基礎上，打開AHU單元水閥和水循環系統，利用機房熱空氣換熱，適度提高冷水的水溫，防止水系統設備凍結。

在混風模式工況下，BA系統檢測到蓄冷罐內溫度低于設定值，對風墻群控器發出防凍準備指令，風墻群控器確認收到命令信號后發出進入防凍混風模式信號，系統進入防凍混風模式。風墻群控器通知AHU控制單元低流量開啟電動二通閥開度至設定值，確認電動二通閥已經開啟到位，即向BA系統發出防凍模式準備反饋信號；BA系統開啟循環泵，對蓄冷罐進行加熱，檢測到蓄冷罐溫度達到設定要求后，通知風墻群控器取消防凍混風模式，重新進入混風模式，同時命令循環泵關機。防凍混風模式下其他設備的監控同混風冷卻模式。

5 結束語

綠色節能是數據中心的一個發展趨勢，由于風墻技術自身的一些應用條件限制，以及運行數據尚不充分，在設備、材料、建筑設計配套、節能控制優化等方面仍有許多課題亟待研究、實踐。在AHU風墻系統的群控控制管理上，仍有很多等待研究的課題，如可嘗試自適應尋優控制算法，根據自然新風的環境條件，尋找最優的運行工況參數，通過系統一定時間運行所積累的數據，利用大數據運行分析及神經網絡尋優算法，以最佳能耗模型為目標，在系統持續運行過程中，不斷提高系統的能源效率。

[1]據中心設計規范[S]GB 50174-2017.

[2] 數據中心制冷與空調設計標準[S] T/CECS 487-2017.