數據中心冷凍水系統高效安全與節能優化

孫海峰

中國移動上海公司

0 前言

本文探討高效安全節能數據中心的冷凍水系統設計與控制一體化的概念，一流的全變頻冷凍水系統的節能效果進一步提高40%～60%。系統通過采用特殊的設計方法和更直接的基于功率的控制方式，使系統內的變速設備有序運行，不僅可減少冷凍水系統的能耗，而且可改善冷凍水系統的性能、可靠性、冗余度、擴展性和降低維護需求，并大幅度延長冷凍水系統使用壽命。

1 系統設計與選型

數據中心冷凍水系統設計可以采用模塊式選型方法，以便通過階梯式增大容量的方法使其始終匹配數據中心不同階段的制冷容量需求；或采用另一種方法，即首先按預測數據中心在未來滿負荷工作條件下可能出現的最大制冷容量需求來設計。無論采用何種方法，設計中必須考慮冷凍水系統具有富余容量以滿足未來需求，同時考慮到可以提高數據中心設備熱負荷密度的快速發展。熱負荷密度的不斷提高導致數據中心處理與存儲設備的換代周期縮短，每隔3～5年就不得不更新這些設備。設備的更新換代不僅不能在現有設備占地面積的基礎上新增占地空間，相反還要增大數據中心的處理能力和存儲容量。不過，制冷系統的使用壽命在20年以上，因此在設計時必須考慮使用壽命期內上述設備的更新換代。在正確控制數據中心制冷系統，正確選擇系統部件，使組件彼此之間的工作如同單一系統一樣協調一致，則系統級電氣和機械子系統的使用壽命將進一步提高20%～30%。

鑒于數據中心的制冷系統在變負載條件下具有較大的工況設計范圍的需求，因此對其在部分負荷工作條件下的可靠性和效率有極高的要求。需要滿足數據中心不斷變化的、苛刻的制冷容量需求，最有效的方法是使用變速部件（冷凍機、泵、風機）并采用與這些變速設備具體特定工作特性相適應的控制策略。

冷凍主機及其他子系統（包括管路和CRAC機組）的選型必須滿足當前及未來的制冷需求。由于數據中心制冷系統大部分時間都是非滿負荷工作，因此設備選型就應基于非滿負荷條件下的效率來考慮。變速冷凍機可以提高部分負荷條件下的能效。因為定速冷凍機只有在滿負荷運行時才能達到最高能效，而在非滿負荷（100%以下任何負載率）工作條件下，其能效都會不同程度地降低。因此，為數據中心制冷需求選擇定速冷凍主機時總是以其滿負荷工作條件下的能效為依據，雖然它大部分時間并非在滿負荷的狀態下工作。針對定速冷凍機的任何控制策略，即讓所有關聯設備（包括按冷凍主機進行時序控制的冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機）始終滿負荷運轉。這意味著對于具有多臺冷凍主機的制冷系統來說，“基于容量的時序控制”無疑會成為最常采用的控制策略。此慣用策略（多冷凍主機加載時序控制策略）通過“啟/停循環”來確保部分冷凍機首先以其滿負荷容量（及其最佳能效點）運行，而當負荷增加時繼續加載隊列中的下一臺冷凍主機。這種基于容量的冷凍主機加載/卸載時序控制策略具有諸多缺點——設備壽命短、能效低就是其中的兩個方面。

設備壽命縮短是因為通過“啟/停循環”加載/卸載設備使制冷系統輸出容量匹配數據中心的制冷需求。在“啟/停循環”模式下每啟動一次電機，電機繞組將經歷一次較大的啟動電流，并讓電機承受較大的應力，從而縮短電機壽命。由于電機從怠速、加速至全速需要加大轉矩，因此電機的啟動電流可能高達電機滿載電流的10倍。相反，變頻器可以具有“軟啟動功能”，可以讓電機緩緩加速至需要的工作速度。它可減小施加到電機上的機械和電氣應力，降低維護和維修成本，同時延長電機使用壽命。

數據中心大部分時間都處于部分負荷條件，定速設備在非滿負荷工作條件下全速運轉就無法確保高能效。在使用定速設備而非變速設備的情況下，通常采用機械節流措施來限制流量，卸載部分設備，降低輸出容量，使其匹配非滿負荷條件下的制冷需求。機械節流措施包括：

·調節進口導葉開度，以顯示進入壓縮機的流量

·調節泵閥門開度

·調節風機節氣閥

·設定靜壓和壓差

目前廣泛應用的上述解決方案（在部分負荷工作條件下卸載全速工作的定速設備）是一種低效的控制策略。

2 一體化控制策略

“一體化控制法”替代基于容量的啟/停循環（加載/卸載時序控制）。變速提供了更高效、更可靠的節能解決方案，它能在較寬的工作設計范圍內隨著數據中心熱負荷的不斷變化而高效地響應運行。同時，需要采用一種適用于變速設備工作特性的控制策略，使其能重新發揮所有變速設備的優勢。在變速制冷系統中，所有電動設備的轉速隨負荷的增減而增減（此方案完全不同于在非全負荷條件下讓定速設備全速運轉同時采用機械限流的措施來控制流量）。壓縮機一旦使用了變頻器（VFD），泵和風機在非滿負荷條件下的效率都會得到提高。由于泵和風機的運行遵循“功率與轉速的立方成正比（P∝N3）”的定律，因此，節能的潛力是非常巨大的。

如果允許電動設備按其“自然曲線”靈活運行，當流量每減小50%，則相當于額定功率減少12.5%（0.53）。工作效率將提高400%（=50%/12.5%）。實現該效率提升的條件是讓泵和風機的壓力-轉速關系始終按“自然曲線”維持在較低轉速的條件下。流量減小50%就相當于壓力減小25%（0.52）。

為讓上述設備在其最高效的狀態下運行，需使其在任何負荷條件下都能靈活地維持流量-壓力關系，并按各自的理想工作曲線（圖1）運行。傳統的控制策略要求水泵在機房總供水管和總回水管之間的壓差維持在某一固定值或最小值。這樣，泵將按圖1所示的“固定壓差曲線”運行。這意味著為維持這個既定的壓差值，泵實際耗能遠高于本身需要，而且泵根本不能按其“自然曲線”或“最佳效率點”運行。理想條件下，如果系統對壓力的要求更為苛刻，則壓差傳感器應最好放在CRAC機組的位置，以便泵能在轉速/流量以及揚程不斷變化的情況下，按理想的流量-壓力關系運行并維持這種理想流量-壓力關系。

圖1 泵運行自然曲線

按“自然曲線時序控制”策略，在所有負荷條件下，所有變速冷凍機將按時序加載并按各自的自然曲線運行。在每一臺冷凍主機的加載曲線上都有特定冷水供給溫度和冷凝器進水溫度的理想點，在此理想點上，冷凍主機能達到其最佳能效。通過找到特定冷水供給溫度對應的4個冷凝器進水溫度理想點，可畫出每一臺冷凍主機的自然曲線。每個理想點都分別是4條冷凝器水溫曲線中的最低點（kW/ton最小值點）。沿四個點畫線就可以得到自然曲線，如圖2所示。在所有運行條件下，冷凍機將只按其自然曲線運行，確保在所有負荷條件下達到最佳的能效。

圖2 冷凍機運行自然曲線

基于冷凍水的數據中心制冷系統在以下條件下可以達到能效峰值：（1）采用變速設備；（2）根據制冷系統所服務的數據中心的熱負荷對所有子系統進行優化控制。當變速冷凍主機、泵、冷卻塔風機的運行與采用EC風機（電子控制自動啟/停切換風機）技術的冷凍水制冷CRAC機組的運行相互協同時，冷卻系統的效率將大大提高。目前的數據中心制冷系統是基于以下子系統運行的，每個子系統具有自己獨立的PID（比例微積分）反饋回路。

1.CRAC機組（計算機房空調機組）

2.冷凍主機

3.冷卻水系統

3 冷卻塔風機

在這4個子系統中，每個子系統都能獨立高效運行。然而，由于子系統間的獨立性，它們之間無法完美地協調工作，整個機房/系統并不能達到效率峰值。將這4個子系統與基于網絡的關系控制器結合，則可對所有部件實施優化，使它們的協調程度達到單個機組的效果。

PID（比例微積分）控制器的應用已有幾十年，是一種非常簡單的線性過程通用的控制器。PID反饋控制回路能高效控制單臺設備，控制單個控制回路上的單個變量/參數，比如壓力或溫度。任何存在狀態變化的過程對于PID控制器來說都是非常復雜的。作為控制網絡（與若干不同裝置通信并實施控制的網絡）的一部分，PID控制器固有的靈活性根本無法適應HVAC應用中可能碰到的各種變負荷情況。因此，需要其他控制方法來提升冷凍機房的性能。

數據中心冷凍水制冷系統采用“基于功率的轉速控制”和“基于功率時序控制”來實現高效安全節能優化。“基于功率的轉速控制”采用一種被稱作“等邊際原則”的控制方法來計算和確定冷凍機、冷卻泵和冷卻塔風機之間的最佳功率關系。此控制方法在三個子系統之間進行負載與效率的平衡，從而獲得最佳的系統凈效率。另外，“基于功率的時序控制”替代了傳統低效的控制方法，即“基于容量的電動設備時序控制方法”，控制方法為滿足數據中心不斷變化的負荷，使工作中的設備全速運轉，直至按時序加載或卸載一臺設備。而按“基于功率的時序控制”方法，在非滿負荷條件下，組成設備將始終按其自然曲線在效率峰值狀態下工作。通過確定系統最佳效率并在所有系統組成設備之間進行功率-效率的平衡，讓所有工作負載的制冷需求得到滿足。這種平衡可以在許多低速運轉的設備之間實現，充分利用前述“相似定律”的好處。可聯控由兩臺各以50%轉速運轉的設備或三臺各以33%轉速運轉的設備從而達到節能效果呈幾何級（三次方）增長，并有更大的傳熱區域可供使用。完全有別于傳統“基于容量的時序控制”依靠一臺設備全速運轉來滿足負載的制冷需求，避免因而造成過多不必要的能耗。）

4 案例分析

某數據中心項目，業主為世界范圍內具有影響力的線上商場，全球超5億的在線用戶，超500個城市的買家和賣家進行線上交易，對于交易安全性十分重視，同時也希望制冷能效有所提升。數據中心的冷凍水系統配置6臺600噸的變頻冷凍機，4用2備運行，前期能效提升小組收集有關制冷系統設備、管路輸出、控制等方面的信息后，定制了冷凍機房自動控制系統（圖3），并利用冗余設備，將6臺冷凍機都投入了運行，不僅解決了制冷系統能效提升，而且在線制冷系統并網亦提高了系統安全性和可用性。項目小組解決方案使原始的制冷系統效率從0.83kW/t提高到了0.52 kW/t，年運行成本也從$804K降低到了$493K，已投入運行1 000天以上。

圖3 冷凍機房自動控制系統

5 結論

現有的自動控制技術可以極大地提高數據中心冷凍水系統的能效，降低了總碳排放量，同時改善了冷凍水系統的性能、可靠性、冗余度、擴展性，降低維護需求，并大幅度延長冷凍水系統使用壽命。通過采用全新的控制方法和變頻驅動技術，并將此技術與系統整體控制策略相結合，充分利用變速設備的獨特優勢，對這些設備進行時序控制，與子系統協同工作，在挖掘數據中心制冷系統的節能效果的同時，使系統具備優良的整體性能和可靠性。對于此新技術的運用，有待于被用于實現數據中心冷凍水制冷系統效率的最大化，使其達到“節能60%”的目標。