淺談數據中心空調機房群控及節能

洪宇翔（南京邁燕房地產開發有限公司 江蘇 南京 210000）

關鍵字：設備選型；群控設置；節能

0 引言

隨著信息化社會高速發展，中國大力實施網絡強國戰略、大數據戰略和互聯網加行動計劃，數據中心進入了一個高速蓬勃的建設階段。數據中心是全球協作的特定網絡，用于在因特網網絡基礎設施上傳遞，加速，展示計算，存儲數據信息。數據中心作為一個高耗能高精密的信息載體，需要全年制冷，能耗巨大，因此節能和穩定成為數據中心空調系統設計，施工，運維一個全生命周期的指導思想。

1 項目簡介

南京市某數據中心，總建筑面積3.1 萬m2，地上8 層，地下2 層，擬建3300 個機柜，按照A 級機房標準設計。空調系統設置5 臺離心機組（2 臺1000 冷噸低壓變頻，2 臺2200 冷噸高壓機組，1 臺1700 冷噸高壓機組），10 臺橫流開式冷卻塔，2 套冰蓄冷設備、4 臺板換及相關配套水泵。首期運行1~3 層，二期運行4~8 層。該項目位于長江中下游，冬季時間較短（全天溫度小于8.5℃時間），約45~60 天采用冷卻塔進行全熱交換方式進行空調制冷。

2 設備選型

空調系統主要用電設備為：空調機組、水泵、冷卻塔等，且數據中心空調機房用電約占項目整體用電負荷的25%，因此合理選擇設備至關重要。空調機組采用離心機組，設置3 臺高壓機組和2臺低壓機組，其中1700 冷噸機組為備用機組。數據中心空調機組一年使用時間約10 個月，負荷相對比較固定，只有在過渡季節和早晚溫差會存在部分負荷變化，建議選擇一級能效空調機組。以1700 冷噸機組為例，本次選用1 級能效空調機組（COP 值6.4），而2 級能效空調機組（COP 值6.1），價差5%左右，經測算大約3~5 年就可以收回投資成本。空調機組電壓等級不同，機組啟動方式有所區別，高壓機組啟動和運行電流較小，建議采用電抗啟動以節約造價；低壓機組啟動電流大，建議采用變頻啟動，減少對電網沖擊。

水泵主要涉及冷凍泵、冷卻泵和補水泵，功率比較大。本項目冷凍泵功率為：75KW、132KW、200KW；冷卻泵功率為75KW、160KW；補水泵功率為：2.2KW、37KW；其中冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔補水泵(37KW) 屬于持續負荷，是根據壓力、溫度調整泵的轉速，宜選用變頻控制、高能效電機。

冷卻塔是空調系統降低能效重要設備，夏季冷卻塔主要用于冷卻主機，在冬季采用全熱交換進行空調制冷。該設備主要通過風機運行散熱，風機運行效率是根據冷卻水供回水溫差進行變頻控制，特別是冬季能耗降低較為明顯，宜選用變頻控制、高能效電機。

3 群控設置及節能

數據中心空調系統運行的效果很大程度上取決于群控的設計，因此理解設備原理及相關參數，領會暖通設計意圖，運用自動化控制方式，三者結合才能實現群控系統人工智能。

3.1 系統運行基本邏輯

（1） 夏季系統啟動順序：冷卻塔進出水電動閥—冷機的電動閥—冷機冷凍及冷卻側進入主管的切換電動閥—冷卻水泵—冷凍水泵—冷卻塔風機—冷機；系統停車順序：冷機—冷卻塔風機—冷凍水泵—冷卻水泵—冷機冷凍及冷卻側進入主管的切換電動閥—冷機的電動閥及相應冷卻塔進出水電動閥。

（2） 冬季運行模式相對簡單，取消冷機，調整為板換進行換熱，其它順序與夏季基本相同。在實施過程中，需依據暖通設計圖紙以及設備運行參數進行延遲啟動，一般設置延遲時間5~10秒，具體需在模擬運行和聯機試運行中確定。

3.2 設備切換及加減機功能

為使水泵、空調機組、冷卻塔壽命周期利用最大化，利用等壽命運行原則，采用軟件程序記錄設備運行時間，選擇運行時間短的設備作為下一次啟動對象以達到延長壽命的目。這樣設計方式相對簡單，從長遠看，選擇隨機時間切換比固定時間切換程序和邏輯上簡單，穩定性高。對于空調冷負荷比較固定時，設備無法實現切換功能，建議當設備運行時間較長設置提示要求半自動和手動切換機組。設備加減功能：合理分配負荷，加強設備運行效率，延長設備壽命周期。以冷水機組為例：大部分冷水機組采用的加減機組方式是以供回水溫差計算制冷量，來確定是否需要加減機組。這樣做法理論上合理，但是溫度傳感器自身存在誤差以及使用老化的問題，因此隨著時間推移將影響制冷量準備性，影響加減機組設置。該項目空調機組為離心式空調機組，采用變頻或導流葉片調節空調制冷量，機組的最佳工況為30%~90%，并根據機組自帶控制柜采集運行效率參數進行設置，在設備最佳工況范圍外運行10min 以上后自動加減載機組。該方式數據準確度高，穩定性好，但需要廠家開放部分協議。冷卻塔一般采用多模塊機組，數據中心冷卻塔數量較多，采用設備運行效率參數加減設備的邏輯關系比較復雜，所以采用冷卻水供水溫差階梯范圍確定加減功能。

3.3 變頻控制

變頻是節能的主要手段，但是不合理的變頻將產生安全事故。冷卻水泵和冷卻塔補水泵適合采用變頻控制，而冷凍泵變頻控制的節能效果一般。以冷凍泵為例，空調機組制冷量根據供回水溫差調節，冷凍泵運行需滿足最不利壓力確保揚程無余量。最不利點若在頂層，冷凍泵采用設計揚程和流量工作，接近工頻運行；若在其它層，最不利點壓力發生變化，將采用變頻調整葉輪轉速滿足最不利點的壓力，因此僅在數據中心初期冷凍泵變頻會產生節能效果。最不利點在樓層末端，采集此處節點信號傳輸距離遠，穩定較差，需折算泵出口壓力，即出口壓力=工作壓力+末端靜壓力+水力損失。

3.4 設備運行監控及處理

設備運行狀態監控主要目的是對設備故障一個預控過程。大部分項目都會對設備溫度、流量、壓力、電流、電壓等參數進行監控，發生與預設值不符時將自動報警，出線嚴重偏離將自動或手動方式退出，并啟動備用機組，而傳感器件和電動閥僅限于對開關狀態監控。本次增設對傳感器和電動閥電源監控，每層設置專門電源控制箱，監控出線開關電源狀態，減少傳感器和電動閥失電對群控系統的影響。電源控制箱同時具備手自動關閉電動閥功能，在群控系統出現故障時候，可以進行就地切換。空調機房輔助用電（冷凍泵、冷卻泵、群控用電）采用UPS 供電，所以本項目將UPS 和電池運行狀態載入群控平臺，防止出現UPS 故障導致空調系統癱瘓。在樓層設置電動閥門和壓力傳感器，若樓層空調出現爆管或者影響其他樓層將通過自動或者手動立刻切除閥門。設備運行監控具備預警功能，只有詳細了解設備參數，全面加強監測，方可提高空調系統的穩定性。

4 結語

綜上所述，只有合理設備選型，理解設備原理及參數，領會暖通設計意圖，運用自動化控制理論，才能加強數據中心空調機房群控系統的穩定性，進一步提高空調系統節能效果。