數據中心水系統無負荷調試與低負荷運行方法研究

黃佳欽

（中國電信股份有限公司 紹興分公司，浙江 紹興 312000）

0 引 言

隨著數據中心的不斷建設，人們對數據中心的PUE也越發重視，而決定數據中心PUE的核心之一就是制冷系統。一套高效的制冷系統可以大大降低數據中心PUE，為企業節省運營成本。在此情況下冷凍水空調系統孕育而生，冷凍水系統具有高效省電的特性，配套離心式制冷主機的大型水系統是現階段數據中心的主流配置。離心式冷水主機具有結構緊湊、運動部件少、運行穩定可靠、單機容量大、運行噪音低以及機組COP高等優點，是數據中心優先選用的制冷單元。但其在低負荷時會出現喘震現象是所有使用此類機組用戶遇到的難題，喘震的發生是由于制冷負荷低于30%時冷凝器壓力大于壓縮機排氣口壓力，大量冷凝器內制冷劑氣體反沖入壓縮機內導致性能嚴重惡化，氣體參數（壓力、排量）脈動大大加劇機組震動，噪聲加大。部件經受交變應力，葉輪動應力加大，電流脈動，導致密封和軸封損壞，甚至葉輪與外殼相碰磨損，嚴重威脅到離心機組的穩定運行與使用壽命。但只要機組穩定熱負荷高于額定制冷量的15%左右（變頻），機組便可發揮其特點，使制冷安全、平穩且高效。

1 數據中心水系統低負荷運行方法

在新建數據中心常常面臨一個無法避免的問題，即空調系統建成后無負荷或低負荷情況下的系統前期調試與運行。由于水系統涉及相關設備眾多，通過群控系統統一控制，在制冷機房建設投運后必須對水系統進行系統聯調與前期低負荷運行，但因為離心式冷水主機在15%負荷率以下極易喘震的特性使得很多通信機樓和數據中心都無法順利完成調試與前期運行。對此，一般的處理辦法有圖1所示的幾種。

圖1 水系統前期運行原理圖

增配熱氣旁通或小制冷機組進行前期制冷時，數據中心啟用前期，制冷負荷由一臺小功率螺桿機或帶熱氣旁通的離心主機來進行前期制冷，當達到大機組穩定熱負荷要求時，切換到大機組運行或關閉旁通設備運行。此方式在機樓運行中后期小機組基本閑置，不但占用寶貴的機房面積，而且后期大小機運行的水力平衡也需要特殊考慮。此外，采用高低壓氣流短路的方式對離心主機加裝熱氣旁通進行前期運行，此方式在工業制冷領域使用較多，也可增加冷機負荷，但電耗較高。

采用蓄冷罐方式，利用蓄冷罐的儲冷特性使制冷主機間斷充放冷，防止出現冷水主機低負荷工況。但此方式能否運用取決于該數據中心單機架負荷，當數據中心設計單機架功率在4 kW以下時一般不建設蓄冷罐，即無法采用此方式進行前期調試或運行。

傳統增加熱負荷方式是國內較多數據中心驗收測試時采用的方法，其方式為將機房內放置箱式或機架式負載箱利用假負載模擬真實IT負荷，對機房空調進行測試與前期運行。

以上3種方式中，第一種方式適合前期運行，不能做到前期負載測試。第二種方式適合前期運行及負載測試，但負載測試的功率與時間有限，不能較長時間進行全負荷性能測試。尤其當蓄冷罐冷量充滿時，機組便無法進行負載測試。第三種方式適合驗收測試，不適合前期運行。當采用負載箱做前期運行時，系統的功耗與機房安全性將大打折扣，為運營安全帶來較大風險。綜上所述，前期運行選擇蓄冷罐或熱氣旁通方式，驗收測試選擇假負載方式是比較好的選擇。

2 新型無負荷或低負荷下系統調試與運行方法

中國電信XX樞紐樓建成于2015年，為省市級通信樞紐機房，機房單機架功耗為4 kW。此機樓由于前期建設時未配置蓄冷罐，冷機雖采用變頻主機但未配置熱氣旁通。在對機樓前期低負荷運行方案討論時，擬采用前期機房內安裝風冷空調的方式，待機樓內負荷達到冷水主機最低負荷時再由水系統承擔風冷空調的制冷需求。但此方式在實際運行中發現，機房需安裝較多的風冷空調，而且由于晝夜和過渡季節的溫差，導致風冷空調制冷量與配置數量需要遠遠大于冷水主機額定最低負荷與理論配置值，此舉將帶來較大的投資，后期易造成較大浪費。結合前期水系統運行經驗發現，在冷機與板換并聯的冷凍水架構中，如果板換側的冷卻循環與冷凍循環閥門未關閉嚴實，那么會出現冷水主機負荷增高的現象。根據分析得出，冷凍水循環與冷卻水循環在板換內進行了熱交換，從而增加了冷凍水的出水溫度，引起冷機的入水溫度上升，提高了冷機的負荷率。將此方式運用到低負荷的數據中心水系統中可增加冷機的負荷，使冷機負荷率高于喘震負荷率，那么就可以低負荷下安全運行。此外，一套新建成的數據中心冷凍水系統也可以采用此方式，進行無負荷的調試，只要與板換并聯的冷機達到最低水量要求再調節板換內的冷卻水與冷凍水流量，即可模擬熱負荷，達到無負荷調試的目標。經過現場的多次測試，結合如圖2所示的冷凍水系統架構總結出以下運行結論。

圖2 冷凍水系統架構圖

2.1 核心控制思路

由于無負荷調試與低負荷運行方式的核心是將高溫的冷卻循環水與低溫的冷凍循環水在板換內進行熱交換，從而將高溫冷卻循環水的熱量傳遞給低溫冷凍循環水，被升溫的冷凍循環水對制冷系統而言就是提高了冷機的進水溫度，促使冷機負荷率提升，增加了水系統的最低負荷，使水系統安全運行。

2.2 水流流向

無負荷調試與低負荷運行時，由于水系統需要同時為板換與冷機建立水流。架構圖中的V1～V8所有電動閥門以及所有手閥均需要開啟，使冷卻水泵與冷凍水泵建立的水流均可到達板換與離心冷機。但如果板換與冷機的所有閥門全開，那么冷卻水泵與冷凍水泵產生的水流會根據冷源的實際水阻進行流量分配，不便于人為進行流量管控。實際運行時，兩者水路閥門全開，冷凍水泵與冷卻水泵的水流并不能滿足離心冷機的最低水量要求，冷機無法啟動運行。經過多次測試得出水流流量控制時需要將冷凍水與冷卻水泵高頻運行，后調節板換的冷凍出水與冷卻出水手閥，閥門開度以滿足冷機最低流量要求為準，現場閥門開度確定后做出標記，后期閥門開度不得大于該開度，不然會導致冷機流量丟失告警，引起離心冷機的停機保護。

2.3 負荷控制方式

此運行方式中對冷水主機的負荷控制，也就是對板換中冷卻循環與冷凍循環水流的控制。如果板換內冷卻循環與冷凍循環水流流量大或溫差大，那么也就是冷卻水交換至冷凍水的熱量多，此交換的熱量在離心冷機中顯現，提高了離心冷機的負荷率。負荷控制方式根據多次調試得出的經驗，以定板換中冷凍水循環流量調整板換中冷卻水流量的方式運行。此方式可防止手動調節冷凍水流量時引起冷機的流量變化，而且通過調節冷凍水流量來調整負荷時由于改變了冷凍水的系統管阻會引起冷凍水循環流量變化，使冷凍水管道中的壓差閥頻繁調節，不利于安全穩定運行。以冷凍水系統架構圖為例，實際運行過程初次對流量進行平衡調節時，首先開啟V1～V8所有電動閥與全部手閥，冷卻與冷凍循環流量建立后對板式換熱器的冷凍側手閥進行調節，緩慢調小至離心冷機產生流量為止，然后再根據現場情況調小一定比例，給離心冷機的最小流量留有一定余地。

2.4 水循環控制

在冷卻與冷凍循環控制中，冷卻與冷凍泵均建議定頻率運行，不進行變頻控制，如果循環系統中具備雙泵的，那么也可以開啟雙泵運行，實際運行流量在板式換熱器閥板角度固定式，冷機實際流量必須偏大于最低流量要求。根據實際運行經驗，建議單泵為45 Hz以上的高頻運行，以滿足離心冷機的最低流量要求，使系統盡可能穩定運行。

2.5 群控系統的控制

無負荷與低負荷運行方式對群控的依賴較高，如果在機樓水系統建成調試時群控亦完成建設，那么將為后期的無負荷與低負荷運行帶來較大幫助。群控分為兩部分控制邏輯，一方面是對循環冷卻水的控制，在無負荷調試時由于機樓沒有IT負荷，那么所有負荷均需從冷卻水循環中提取，故在無負荷調試開始時群控系統前期需要快速提升冷卻水溫，后期需要維持冷卻水溫，所以在無負荷調試時，前期群控系統需根據冷卻水溫來控制冷卻循環旁通調節閥。如果冷卻水溫度較低，未達到目標溫度，那么需要開啟旁通閥門引流，使冷卻循環水不經冷卻塔直接流經旁通管。當冷卻水溫度上升，達到或高于目標溫度時，需根據設定水溫動態調整旁通與冷卻塔流量，從而使冷卻水溫達到穩定。而在低負荷運行時，較多情況下只要調節循環冷卻水在冷卻塔中的控制溫度即可，因為機樓內存在IT負荷，加之離心冷機本身的熱負荷足以使冷卻水溫升高，所以需要用冷卻塔進行散熱。在循環冷卻水溫控制中發現負責散熱的冷卻塔風機如果未采用變頻風機，那么將會導致系統頻繁水溫震蕩，引起離心冷機負荷率波動。所以為了安全穩定的使用無負荷與低負荷運行技術，需要冷卻塔采用5～50 Hz的變頻范圍，這樣才可以最大限度的保證冷卻水循環水溫的穩定，使板換內交換熱量穩定，降低冷機的負荷率波動。冷凍水系統架構圖中，冷卻水供水溫度T4也是群控系統控制水溫控制的依據，并且根據實際經驗，T4的溫度檢測點盡可能地靠近冷卻塔塔盤或放置于冷卻塔塔盤內，水溫的控制精度可以非常理想，也可降低系統的水溫震蕩。群控對冷卻水溫控制溫度建議為25～32 ℃。

另一方面是對循環冷凍水的控制，循環冷凍水在無負荷與低負荷運行中，分為兩個溫度，一個是冷機的出水溫度，另一個是水系統的出水溫度。由于使用此運行方式都是基于IT負荷未裝或IT負荷較少時，水系統冷凍水循環的冷凍壓差旁通電動閥一般都會有較大開度，以滿足冷凍循環的最低流量要求。但是冷凍水循環壓差閥的開度大小、冷機出水溫度以及板換冷凍循環出水溫度決定了冷凍水循環的出水溫度，由于冷機的出水溫度還需要與板換的出水溫度進行溫度平衡，當板換吸收的熱量多時冷凍循環出水溫度T1升高，該溫度取決于板換吸收的熱量及冷機出水溫度，故在實際運行中需要盡量降低離心主機的出水設置溫度，以便于盡可能降低T1的溫度。在低負荷運行時，可采用群控系統根據T1溫度值動態控制冷機的出水溫度設置，使T1出水溫度盡可能接近于設計出水溫度。

3 結 論

本運行方法利用原有的設備和管路，無須管路改造，利用更改群控系統的邏輯控制和參數調整來達到需要的無負荷調試與低負荷運行的目標。調整冷凍水系統控制邏輯后利用原本隔離的板換介入到正常的循環中，板換內部將高溫循環冷卻水中的熱量源源不斷地傳遞到低溫冷凍水中，并且通過調節循環冷卻水閥門開度控制離心冷機的負荷率高低，使冷機負荷率穩定運行于喘震線上方，不僅避免了喘震，而且隨著閥門開度加大還可以不斷提升冷機運行負荷，甚至可以使冷水主機在零負荷或小負荷情況下接近滿載功率的測試。此測試與運行方法為中大型數據中心冷凍水系統無IT負荷下的驗收調試以及小負荷工況下的穩定運行提供了一種有效的解決辦法，增加了數據中心水系統驗收和運行的方法，降低了數據中心水系統的運行風險。