基于多點溫度判斷的機房空調節(jié)能控制技術應用分析

楊 超

中國電信股份有限公司徐州分公司

0 引言

為保障通信機房環(huán)境溫度安全，機房空調的配置需滿足N+1冗余備份，N一般選擇3～5臺，但由于冗余備份空調的存在，機房空調的電能利用效率不高，特別是在機房投運初期負荷較小時，電能浪費更為嚴重。隨著節(jié)能減排工作的深入開展，傳統機房空調的運行方式已不能滿足節(jié)能工作的要求，機房空調運行需要向既安全又高效的方向發(fā)展，運行時需要同步考慮如何安全高效地控制冗余備份空調運行。傳統的空調控制方法通過人工現場定期巡檢觀察機房溫度變化，由人工判斷后決定是否開啟或關閉空調，其效率低、實時性差、安全性低。當前的通信機房基本已實現無人值守，傳統方法已不能滿足要求，需要自動化程度更高和更加高效安全的控制手段。

1 機房空調運行方式對能耗的影響

影響機房空調運行能耗的原因主要包括室外氣溫、室外機運行環(huán)境、空調設置溫度、制冷量匹配、運行時間等。在室外氣溫、室內濕度和運行環(huán)境不變時，空調制冷量冗余過多、溫度控制粗放、無效制冷等因素是引起空調能耗增加的主要原因。

1.1 回風溫度控制方式對機房空調能耗的影響

回風溫度控制方式是指以風冷機房空調回風口處的溫度為基準，空調設置溫度與回風溫度進行比較，判斷是否滿足壓縮機啟動條件，從而控制工作狀態(tài)。回風溫度控制實際控制的是空調近端溫度，絕大部分空調均采用回風溫度控制方式，在理想狀態(tài)下，回風溫度控制能夠滿足機房環(huán)境溫度要求，但實際應用中存在以下問題：

1)回風溫度控制粗放引起的電能浪費

風冷機房空調的送風方式主要有風帽送風、風管定點送風、地板下送風、精確送風等，由于風管送風、地板送風等方式會將冷風送往較遠處的位置，致使空調回風口溫度與機房遠端位置的溫度存在較大差異。當回風不順暢時，可能引起機房遠端局部高溫，從而必須將空調設置溫度降低到較低水平才能滿足機房要求；另一方面，也存在機架入口溫度已滿足要求，但機房空調仍在制冷的情況，比如當空調部署在機架熱通道兩端時，由于回風溫度高導致空調長期處于制冷狀態(tài)而引起電能浪費。

2)機房空調無效制冷引起的電能浪費

當機房氣流組織采用冷通道封閉方式時，機房空調一般部署在冷通道之外，空調回風溫度實際監(jiān)測的是熱通道溫度，由于無法監(jiān)測冷通道溫度，當空調按照正常回風溫度設置時，冷通道內的溫度則處于過低狀態(tài)，引起電能浪費。

3)熱備份的冗余空調引起電能浪費

為了保障機房環(huán)境溫度處于安全可控的狀態(tài)，機房空調制冷量通常按照N+1配置，因此一般情況下機房空調制冷量是有部分冗余的，同時冗余空調一般處于熱備份狀態(tài)。因此冗余空調的運行一定會引起電能的浪費，并且機房熱負荷與空調制冷量差值越大，電能浪費越嚴重，特別是機房投運初期熱負荷較小時。

綜上，機房空調運行過程中受溫度控制方式、氣流組織以及運行安全要求等因素影響，存在冷量浪費和電能利用率不高的問題，需要采用空調節(jié)能控制技術解決上述問題。

2 機房空調節(jié)能控制方式比較

為了降低冗余空調耗電量，可以采取人工開關空調或自動控制空調兩種方式，其中人工開關空調存在操作不及時問題，其機房環(huán)境溫度保障能力較差，易引起高溫告警。自動控制方式包括監(jiān)控平臺控制、底端采集器控制、AI算法控制、底端控制器控制等。

監(jiān)控平臺控制方式是由動環(huán)監(jiān)控平臺的控制軟件分析機房內各區(qū)域溫度數值，當滿足開關機條件時，通過動環(huán)監(jiān)控平臺發(fā)出對應控制命令，自動控制空調的開啟或關閉。該方式要求機房空調和環(huán)境溫度監(jiān)控覆蓋全面，對監(jiān)控系統依賴度高，投資較大，調測復雜。另外，由于通過平臺進行控制，易受到網絡時延等因素的影響，控制成功率不可控。

底端采集器控制由機房現場的動環(huán)監(jiān)控采集器進行判斷和控制空調開關，該方式控制成功率和準確度較高，但是要求被控制空調和對應溫度傳感器必須接在同一個采集器，對監(jiān)控系統可靠性和接入要求較高，靈活性較差，維護和使用比較復雜。

AI算法控制需要在完善動環(huán)監(jiān)控的基礎上通過學習和模擬人工操作，實現機房空調的自動參數調整和開關機控制。該方式智能化程度較高，但是投資較大，控制復雜，對配套溫度傳感器和監(jiān)控接入要求較高，需要避免動環(huán)系統和AI系統的互相干擾。

底端控制器方式通過控制器內部集成的溫度傳感器判斷環(huán)境溫度，當滿足條件時通過控制空調的交流輸入電源或二次控制電源實現自動開關控制，該種方式易造成空調器件損壞，不適合大型機房和專用機房空調的控制。

機房空調的節(jié)能控制應滿足高安全性和高可靠性要求，控制環(huán)節(jié)應盡可能少，不應對現有動環(huán)監(jiān)控系統造成影響，其次性價比要高，維護和使用應該簡單方便。上述各種控制方式均存在比較明顯的缺陷，難以滿足機房空調控制要求，基于多點溫度判斷的空調節(jié)能控制方案能夠較好地滿足上述機房節(jié)能控制需求。

3 基于多點溫度判斷的空調節(jié)能控制技術方案和原理

3.1 方案概述

基于多點溫度判斷的節(jié)能控制方案需要在每列機柜的進出風口布置多個溫度傳感器，對各區(qū)域機柜進風溫度進行精準采集，防止僅以空調回風口的溫度為基準而帶來的弊端。由節(jié)能控制器采集上述溫度數值并進行邏輯運算，當滿足啟動或停機條件時發(fā)出控制信號至機房空調遠程開關機端子，實現機房空調的自動開關機控制。該控制方案可使機房溫度均勻，解決過度制冷和局部高溫問題，在滿足機柜進風符合溫度要求的同時，實現機房空調的節(jié)能降耗，同時具有安全、可靠、性價比高、控制簡單、維護方便的特點。

3.2 系統組成

機房空調為實現監(jiān)控或遠程控制的目的，均配置有遠程開關機控制接口。該接口為一對干接點輸入信號，機房空調通過判斷干接點的通、斷執(zhí)行空調開啟或關閉操作。基于多點溫度判斷的節(jié)能控制方案即通過該接口實現機房空調的自動開關控制。

圖1為系統組成示意圖。首先在各列機柜或重點設備區(qū)域增裝溫度傳感器，溫度傳感器將采集的數據送至節(jié)能管理控制器，節(jié)能管理控制器是該系統的核心，其對采集的溫度數據進行分析和邏輯判斷，當滿足設定條件時節(jié)能管理控制器輸出控制信號至機房空調的遠程開關機端口，實現自動開關機控制。

節(jié)能管理控制器可通過有線或手機無線網絡等方式實現與服務器的通信，同時可以通過手機短信將溫度告警通知到維護人員，管理平臺可實現溫度數據存儲和查詢、機房空調運行狀況查詢、高溫報警查詢、空調開關機運行時間查詢等功能。

3.3 控制邏輯

節(jié)能管理控制器原理示意圖見圖2。該控制器可接入多個溫度傳感器，根據溫度變化情況控制機房空調開關機。

圖2 控制原理示意圖

節(jié)能管理控制器需要采集機房各區(qū)域正常運行的歷史溫度數據，以及溫度傳感器與機房空調的對應關系，通過對歷史溫度數據的分析，分別找出高溫和低溫區(qū)域并確定安全的機柜入口溫度，然后分別設置各溫度傳感器閾值，節(jié)能管理控制器通過計算和判斷開啟或關閉機房空調。

節(jié)能管理控制器對溫度數值的判斷邏輯如下：當采集的多個溫度傳感器中任何一個超過設定的溫度閾值則觸發(fā)空調開機；當所有溫度傳感器的溫度都低于設定的閾值則觸發(fā)空調關機，實現機房空調的自動啟停，保障機房環(huán)境溫度符合要求，達到既節(jié)能又安全的目的。

控制過程舉例如下：

首先對部署的多個溫感器進行持續(xù)一周的連續(xù)溫度數據采集，測算各個溫度取樣點的平均值作為參考值，分別確定各個溫感器的溫度閾值，如果各個溫感器的探測溫度值都低于其設置的溫度閾值并超過設定的延時時間，則節(jié)能管理控制器控制機房空調關機。如果各個溫感器探測值中的任何一個高于其設置的溫度閾值，節(jié)能管理控制器將對超過閾值的溫度值進行2℃的自動累加并控制機房空調開機，從而避免頻繁開關機情況發(fā)生。

4 基于多點溫度判斷的節(jié)能控制技術應用實踐

4.1 機房一節(jié)電率測試

某數據中心機房共安裝6臺風冷機房空調，送風方式采用地板下送風、上回風方式，機柜前面板封閉、底部進風，進風口開度可調，機柜面對面、背對背安裝。該機房面積408 m2，機房空調總制冷量520 kW，機房設備功率約100 kW。

節(jié)電率測試方法：機房空調溫度設置25℃，濕度50%，節(jié)能控制裝置連續(xù)開啟2天后連續(xù)關閉2天，分別記錄開、關狀態(tài)下的空調電能、室外溫度數據，共實施2輪測試（共8天），再取2輪數據的平均值進行開啟和關閉狀態(tài)下的數據比對，測試數據見表1。

表1 節(jié)電率測試數據

該機房節(jié)電率=（控制器關閉的平均空調電量–控制器開啟的平均空調電量）/控制器關閉的平均空調電量=（1 748-1 497）/1 748=14.36%

按照測試數據，該機房每天可節(jié)電251 kWh，全年可節(jié)省9.1萬kWh，按照電費單價0.6元計算，每年可以節(jié)省電費5.5萬元，約1年可收回投資。

4.2 機房二節(jié)電率測試

某數據中心機房共安裝5臺風冷機房空調，送風方式采用地板下送風、上回風方式，機柜面對面、背對背安裝，機柜進風側采用開孔地板并封閉冷通道，機柜采用高開孔率面板。該機房面積400 m2，機房空調總制冷量500 kW，機房設備功率約154 kW。

節(jié)電率測試方法：機房空調溫度設置25℃，濕度50%，節(jié)能控制裝置連續(xù)開啟2天后連續(xù)關閉2天，分別記錄開、關狀態(tài)下的空調電能、室外溫度數據，共實施2輪測試（共8天），再取2輪數據的平均值進行開啟和關閉狀態(tài)下的數據比對，測試數據見表2。

表2 節(jié)電率測試數據

該機房節(jié)電率=（控制器關閉的平均空調電量–控制器開啟的平均空調電量）/控制器關閉的平均空調電量=（1 609-1 417）/1 609=11.93%

按照測試數據，該機房每天可節(jié)電192 kWh，全年可節(jié)省7萬kWh，按照電費單價0.6元計算，每年可以節(jié)省費用4.2萬元，大約1年可收回投資。

4.3 機房三節(jié)電率測試

某數據中心機房共安裝5臺風冷機房空調，送風方式采用地板下送風、上回風方式，機柜前面板封閉、底部進風，進風口開度可調，機柜面對面、背對背安裝。該機房面積400 m2，機房空調總制冷量500 kW，機房設備功率約192 kW。

節(jié)電率測試方法：機房空調溫度設置25℃，濕度50%，節(jié)能控制裝置連續(xù)開啟2天后再連續(xù)關閉2天，分別記錄開、關狀態(tài)下的空調電能、室外溫度數據，共實施2輪測試（共8天），再取2輪數據的平均值進行開啟和關閉狀態(tài)下的數據比對，測試數據見表3。

表3 節(jié)電率測試數據

該機房節(jié)電率=（控制器關閉的平均空調電量-控制器開啟的平均空調電量）/控制器關閉的平均空調電=（1 744-1 663）/1 744=4.64%

按照測試數據，該機房每天可節(jié)電81 kWh，全年可節(jié)省2.95萬kWh，按照電費單價0.6元計算，每年可以節(jié)省費用1.77萬元，大約3年可收回投資。

4.4 節(jié)電率測試結論

三個機房的節(jié)能測試結果比較見表4。由表4可見，該控制系統在三個機房均取得了一定節(jié)電率，其節(jié)電率的高低與機房空調冗余制冷量的大小有直接關系，機房空調冗余制冷量越大則節(jié)電率越高，機房空調冗余制冷量越小則節(jié)電率越低。如果機房原始PUE已經處于較低水平，則節(jié)能空間非常有限，應優(yōu)選PUE較高的機房實施。

表4 測試結果比較

另外，為了保障機房供冷安全，在節(jié)能管理控制器運行期間，運維人員采用任意人工關閉1～2臺正在運行的空調模擬空調故障停機，節(jié)能管理控制器能夠在機房高溫告警（27℃）前及時自動開啟備用空調，將機房溫度控制在合理范圍，能夠保障機房環(huán)境安全和空調高效運行。

4.5 基于多點溫度判斷的機房空調節(jié)能控制技術優(yōu)點

基于多點溫度判斷的機房空調節(jié)能控制方案解決了因近端單點回風溫度判斷帶來的機房溫度場分布不均，局部過熱，電能浪費等問題，使機房溫度控制精準度提升，能夠智能動態(tài)監(jiān)控機柜進風口的實時溫度，將空調運行數量與機房負載高效匹配，提升空調運行效率。該控制技術能夠適用于帶有遠程控制接口的所有機房空調產品，安裝簡便，無需改造空調控制電路，不破壞空調結構，控制方法靈活，控制結構簡潔，成本低廉。

5 結束語

基于多點溫度判斷的機房空調節(jié)能控制技術通過自動手段合理控制機房空調冗余量的投入，有效提升機房空調運行效率、降低能耗。其節(jié)電率與機房空調現有冗余量有密切關系，在機房負荷較小或空調配置較多時，可通過該技術實現空調電能利用效率的提升，并且不降低機房環(huán)境保障等級。該控制技術原理清晰，可靠性高，節(jié)能效果良好，可以適用于大多數風冷機房空調的節(jié)能控制。