某数据中心空调系统自动控制工艺设计

冯立京，张海崎，李毅，张黎，张富成，潘际淼

（上海现代建筑设计集团工程建设咨询有限公司，上海200041）

某数据中心空调系统自动控制工艺设计

冯立京，张海崎，李毅，张黎，张富成，潘际淼

（上海现代建筑设计集团工程建设咨询有限公司，上海200041）

针对数据中心的安全性和可靠性，探讨了空调系统的自动控制如何保证数据中心的安全运行。同时根据数据中心的空调能耗占总能耗的比例很大和全年以设备负荷为主的特点，为取得显著节能的效果，本工程采用了多种冷源的优化负荷管理和免费制冷的超长利用的控制方案。

数据中心；高密度；低密度；安全性；节能；免费制冷；负荷管理

0 引言

数据中心项目包括生活区和机房区两部分。机房区包括机房楼和动力楼。本文只对机房区内的机房数据中心空调系统的控制作初步探讨。机房楼共地上五层，建筑面积为42580m2。每层设有IT计算机房、精密空调机房及配套设备机房、备品备件库房等房间。机房楼包括13个IT计算机房和1个屏蔽机房，13个IT计算机房中包括1个高密度（5kVA/m2）机房、2个中密度（2kVA/m2）机房和10个低密度（1kVA/m2）机房。

1 空调冷热源和末端空调方式

1.1 空调冷热源

机房楼空调总冷负荷为13649kW。根据《电子信息系统机房设计规范》（GB50174-2008）以及相关设计任务书等要求，作为最高级别的机房，采用2N的冷源配置方式，即二组冷源互为备用。A路冷源设置10台风冷冷水机组，每台机组制冷量均为1406kW（400RT）/台，机组设置在屋顶。B路冷源设置4台水冷冷水机组，其中2台为高压定频离心式水冷冷水机组，每台制冷量为4747kW（1350RT）；另外2台为低压变频离心式水冷冷水机组，每台制冷量为2110 kW（600RT），机组设置在一层的冷冻机房内。2台制冷量为80kW的风冷冷水机组主要为保证蓄冷罐的冷水温度。

A环路为风冷螺杆机组与“免费冷源”并联供冷环路，B环路为水冷离心机组供冷环路。风冷螺杆机组、“免费冷源”和水冷离心机组三种冷源始终在各自安全限制的前提下，按节能最大化要求，进行统一的负荷管理。如图1所示。

1.2 空调水系统

空调冷水系统为两管制，供回水温度为10℃/15℃。空调系统设置两台水-水板式热交换器机组。当冬季和过渡季节空调系统负荷大于4800kW时可利用冷却塔作为免费冷源，制备冷冻水，供系统使用。

为了保证空调系统能维持正常运行，每路冷源水系统中设置一个蓄冷水罐，当一台或两台冷水机组由于供电故障导致临时停机情况时，打开蓄冷罐与系统相通的电动阀，关闭原系统总管上相应的电动阀，利用蓄冷罐直接供冷。

空调的冷却循环水系统为开式系统。

1.3 空调方式

根据相关规范及甲方设计任务书要求，高密度机

房配置16台精密空调机组（14用2备）和行间制冷（行间制冷由专业公司根据工艺要求设计）；中密度机房配置14台精密空调机组（12用2备）；低密度机房配制8台精密空调机组（7用1备）。按照A级机房的要求，精密空调机组需采用2N的配置，为了保证计算机房的使用面积，精密空调机组采用双盘管机组，尽量减小精密空调机房所占的面积，并配置一定的冗余，保证使用的安全性。精密空调机组统一设置在精密空调机房内。机组采用下送风、上进风型。空调风统一送至电子计算机房下部的送风静压箱。

2 空调系统运行方式设计

鉴于本工程的，必须确保在以下各种运行方式下，空调系统冷源均能安全可靠运行。

2.1常规运行方式

包括设备的就地控制、变频和定频式离心机组单机系统联动控制、冷源系统群控。

2.2 冬季和春秋季节的节能运行

在保证A路风冷螺杆式机组和B路水冷离心式机组都至少有一台处于正常在线运行，且各路产冷量不低于符合规定的用户在线安全比例时，启用冷却水免费供冷系统。

2.3 事故运行

由于供电等故障，导致A组或B组制冷机无法运行时，必须立即开启连接蓄冷罐的常闭电动蝶阀和关闭相应的常开电动蝶阀，以快速切换为蓄冷罐供冷。

3 空调水系统控制

3.1 空调水系统流程图

如图1所示。

3.2 冷负荷计算公式

QA=LA×ΔtA×CP—A路在线供冷量，kW；

QB=LB×ΔtB×CP—B路在线供冷量，kW；

QF=LF×ΔtF×CP—风冷螺杆机在线供冷量，kW；

Qsh=QB—水冷离心机在线供冷量，kW；

Qm=Lm×Δtm×CP—免费冷却在线供冷量，kW；

Qmx=对应Qy的免费供冷量限定值（初定Qmx= Qy-35%Q0），kW；

Q0—制冷站额定总冷量，kW；

Qy=QA+QB—用户在线总冷量，kW；

式中：

LA，LB，LF，Lm—A路、B路、风冷环路、免费环路水流量，m3/h；

ΔtA，ΔtB，ΔtF，Δtm—对应各路供回水温差，℃；

CP—水定压比热，J/（kg·℃）。

3.3 计量仪表要求

用于冷负荷监测的计量仪表要求精度高，如温度传感器测量误差应≤±0.2℃，测量温差的传感器应有相同的正/负温度系数，电磁流量计其测量误差要求≤±0.5%或精度1%等。

3.4 免费制冷系统VT1、VT2、VT3电动二通阀工作状态

见表1。

冷却塔分二部分使用，编号为1、2的冷却塔为2110kW（600RT）冷冻机冷却塔，编号为3的冷却塔为4747kW（1350RT）冷冻机冷却塔；编号为4、5、6、7的冷却塔为4747kW（1350RT）冷冻机或免费制冷的冷却塔。免费冷却系统是利用冷却塔5、6、7运行，当需提高免费制冷负荷时，需加入冷却塔4运行。

VT3调变要求：

Qm＞Qmx或出水温度＜6℃，则按程序渐开。Qm＜Qmx，则按程序渐关。

表1 免费制冷VT1、VT2、VT3阀工作状态

4 制冷站负荷管理

4.1 常规运行方式

A路风冷螺杆机和B路水冷离心机两者联合供冷：重点在于风冷机的台数控制和水冷机的台数选择上。

为保证事故时的安全切换，A路和B路全年均有一定比例的机组处于热态在线运行中。用户总冷负荷为两路供冷负荷之和：

即Qy=QA+QB（其中QA=QF，QB=Qsh）；

风冷QF和水冷Qsh应随用户在线负荷Qy的增加而增加，以保证各自相应的安全负荷比例。初定满负荷运行时，风冷QF运行四台，占总冷负荷的40%，水冷Qsh运行2台制冷量为4747kW（1350RT）的离心机组，占总冷负荷的60%。

当考虑开关切换开关差为±5%时，风冷机的加机运行为：

Qy＞55%Q0，开3台；Qy＞80%Q0，开4台；

反之，风冷机的减机运行为：

Qy＜70%Q0，开3台；Qy＜45%Q0，开2台；

风冷机的负荷管理除台数控制外，还必须控制好风冷机小循环的供回水温差（如ΔtF=5℃），改变温差可改变QF的大小。即QF的管理是通过风冷机的加（减）机，并辅以控制风冷机进出水温差ΔtF的旁路电动调节阀实现的。

对于B路水冷机，由于是向精密空调B盘管供冷，起收敛控制作用，其负荷Qsh的管理同于常规作法，如图3所示。

4.2 冬季和春秋季节能运行

A路的风冷机组、冷却水免费系统和B路的水冷机组三者联合供冷：重点在于免费冷却系统的负荷管理上。

冷冻机房内设有2套免费冷却装置。免费冷却装置最大设计能力可达额定总冷量的65%以上。它们在外部空气湿球温度小于20℃和用户侧负荷大于某一设定值（如35%Q0）时，即可使用。为避免免费冷却装置频繁启停，可设置2℃的动差，即在Qy＞35%Q0的前提下，当外部大气湿球温度小于18℃时开启，大于22℃时关闭。也可采用动差加延时的方式，使启停之间的时间更长。免费冷却水泵的开启台数控制是，当外部空气湿球温度小于7℃开2台，大于9℃开1台（而位于热交换另一侧的冷冻水泵的开启台数与冷却水泵相同），如图4所示。

由于Qm的大小直接受外部空气湿球温度的影响，它可能小于Qmx，也可能大于Qmx，而节能运行的负荷管理重点是始终保持Qm≤Qmx这种关系。

（1）当Qm＜Qmx时

如免费冷却系统已处于满负荷运行状态，则B路的水冷机会根据空调末端B盘管的冷量需求，自动加载或加机运行，以弥补Qy的不足冷量。

如免费冷却系统尚处于非满负荷运行状态，应首先发挥其能力，则免费冷却系统将进入加荷运行程序，如图5所示。

（2）当Qm＞Qmx时

免费冷却系统将进入减荷运行程序，如图6所示。

（为防止供水温度过低而引起空调末端A盘管结露，以上减荷运行程序也适用于防止出水温度过低的控制程序）

由以上可知，节能运行必须同时监测Qy（并由Qmx= Qy-35%Q0得Qmx）和Qm，将Qm和Qmx比较后，决定免费系统按（1）或按（2）方式运行，从而实现确保安全下的最大节能化。

而当Qy达到满负荷100%Q0后，其限定值Qmx=Qy-35%Q0=65%Q0，即为免费装置的最大设计能力，这时免费装置不再减荷运行。如外部空气湿球温度升高，使Qm＜65%Q0，水冷机同样会根据空调末端B盘管的冷量需求自动加载或加机运行，以弥补Qy的不足冷量。

4.3 事故运行

重点在于即时启动UPS的水泵和切换蓄冷罐。

（1）假定一路供冷系统发生水管管路故障，将立即开启非事故一路的蓄冷罐，并相应开启冷冻水泵，首先保证中、高密度机房的空调要求。蓄冷罐连同水管路的蓄冷量，约可保证中、高密度机房的空调要求15min。开启蓄冷系统的同时，将逐步开启该路的冷冻机和配套辅机，直到由非事故一路供冷系统承担包括低密度机房和其它机房的全部用户冷负荷。

（2）假定供冷系统发生供电故障，将立即开启二路的蓄冷罐，并相应开启冷冻水泵，首先保证中、高密度机房的空调要求。待柴油发电机恢复供电后，将逐步开启A路和B路的冷冻机和配套辅机，恢复事故前状态。

系统事故时，相关空调设备工作状态见表2。

以上关于制冷站负荷管理，主要指35%Q0≤Qy≤100%Q0区间的管理。当Qy＜35%Q0时，即工程使用初期冷负荷偏小时，应按实际情况另作特殊考虑。

表2 事故通风时空调设备工作状态

5IT机房内温湿度控制

IT机房内环境温湿度控制详见图2：空调末端装置工作示意图。一般与BA有所划分，但与供冷系统的工况调控密不可分，相互必须沟通与协调，故提出以下要求与建议：

房间温度（机组回风温度）TN由改变EC电机转速，调节风量大小予以控制；

静压箱送风温度（机箱出风温度）TS由A盘管VA和B盘管VB两通电动调节阀协同控制（当一路事故关断时，另一路将独自承担TS的控制）；

房间湿度HN，外方对本工程机组冷却按干工况考虑，原则上只考虑新风部分的冬季加湿量。但由于进出水温为10℃/15℃，可能盘管仍有微量水分析出（特别是当风量减少时），故室内仍设有微量加湿措施。当HN小于（如40%）开启房间加湿器，当HN大于（如50%）关闭房间加湿器。但解决盘管析湿问题最好的办法仍是：1）保持房间正压、避免外部空气渗入；2）适当提高盘管供水温度，对供水温度做优化管理。

6 管路系统压差控制

（1）A路和B路供回水总管之间均设有常规的压差旁通电动阀（压差大约在24～28mH2O）。

（2）IT机房内回水干管上均设有自力式压差控制阀，以自动控制进入各IT机房内供回水干管之间的压差（如给定16m）（选阀前应与有关方确定最大流量/最小压差和最小流量/最大压差，建议阀前后最小压差取2～3m，最大压差取28m，在压差控制阀全开或开启旁通阀的情况下，必须首先调试好供水干管的手动平衡阀，以平衡各路初始水流量）。

高密度精密空调机房自力式压差控制阀的选取详如图7所示；中密度精密空调机房自力式压差控制阀的选取如图8所示；低密度精密空调机房自力式压差控制阀的选取如图9所示。

（3）水冷离心机组冷却水最低进水温度控制旁通电动调节阀，一般水冷离心机组要求冷却水进水温度不低于15.5℃。

以上所假定的切换点、控制点、安全负荷比例等诸参数为参考值、代表值或近似值，均可按实际情况予以调整。

7 空调节能

（1）变频式离心冷水机组采用导叶开度与变频调速联合控制，可节约变频冷水机组能耗的20%。

（2）当外部空气湿球温度低于设定值时，可大量利用冷却水作为冷源，通过水-水板式热交换器制备冷冻水，将明显降低供冷系统的能耗。本工程将外部空气湿球温度上限提高到20℃，大大延长了免费制冷的使用时间，由一般的冬季扩延至春秋季，全年供用期可达7个月左右。免费制冷量可达额定总冷量的10%-65%（约1370-8910kW）。

（3）空调冷源的供水设计温度为10℃的高温水，因为IT设备的加载是一个渐进的过程，当前期末端负载较小时可以再提高冷冻机供水温度，供水温度每提高1℃，冷冻机的COP值可提高3%左右。

8 结语

数据中心中的多冷源群控优化问题，是一个复杂而节能潜力很大的问题。必须具体分析既定设备系统的特性，在安全第一的前提下，充分利用各冷源的特点，使之能在各种工况下协调工作，能耗最省。这里的关键是合理的负荷管理，原则上尽量长时间利用免费冷却（本工程可长达7个月以上），但免费冷却存在一个供水温度波动大和后期温度偏高的问题。本工程利用空调末端双盘管的结构，发挥离心机供水温度稳定的优点，将离心机供水作为末级收敛控制的供水，就弥补了免费冷却的供水温度不稳定的缺点。而风冷机投入的冷负荷多少，始终追随用户侧因负荷变化而要求的风冷机的安全在线冷量。如何保证安全第一和有效降低空调的能耗降低PUE值，不仅要选用高效的空调主机和良好的系统设计，空调系统的优化控制也起到显著的支撑和保障作用。为此，空调设计人员必须向自控商明确其控制要求，并与业主共同对自控商的实施方案认真确认，否则是不可能达到设计节能效果的。

[1]GB50174-2008，电子信息系统机房设计规范[S].

[2]ANSI/TIA-942-A，Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers[S].

[3]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

Automatic Control Process Design of Air-Conditioning System in Data Centers

FENG Li-jing，ZHANG Hai-qi，LI Yi，ZHANG Li，ZHANG Fu-cheng，PAN Ji-miao

（Shanghai Xian-Dai Architecture，Engineering&Consulting Co.，Ltd，Shanghai 200041，China）

Based on security and reliability of the data center，this paper discussed the automatic control of the air conditioning system and how to ensure the safe operation of the data center.The air conditioning energy consumption of the data center takes a large proportion of the total energy consumption and the equipment load makes the main load throughout the year.In order to obtain significant energy-saving，this project uses a variety of cold sources and to optimize load management control and get free cooling in a long time.

date center；high density；low density；safety；energy-saving；free cooling load management

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.04.016

TU831

B

2095-3429（2016）04-0063-06

2016-03-21

修回日期：2016-04-25

冯立京（1978-），男，上海人，本科，高级工程师，主要从事暖通设计工作。