精密空调控制系统在医院绿色数据中心的应用

杨俊

摘 要：通过在信息机房部署精密空调控制系统，读取数据中心动力和环境监测系统采集到的数据，在数据中心实际负载和精密空调之间，搭建以空调控制系统为桥梁，实现机房恒温恒湿精密空调工作状态与IT设备实际负载相匹配，从而达到减小机房温度波动范围，提高空调效率的目的，最终实现降低机房PUE（Power Usage Effectiveness，能源效率指标），满足数据中心绿色节能的要求，为现代化智慧医院提供稳定的基础支撑。

关键词：精密空调控制系统；机房节能；绿色节能

中图分类号：TU831.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）17-0165-02

Abstract： By deploying the precision air conditioning control system in the information machine room and reading the data collected by the data center power and environment monitoring system， the bridge between the actual load of the data center and the precision air conditioning system is built， and the air conditioning control system is used as a bridge between the actual load of the data center and the precision air conditioning. In order to reduce the range of temperature fluctuation and improve the efficiency of air conditioning， the working state of constant temperature and humidity precision air conditioning in computer room is matched with the actual load of IT equipment. Finally， it can reduce the PUE （Power Usage Effectiveness） of the computer room， meeting the requirements of data center for green energy saving， and provide a stable support for the modern smart hospital.

Keywords： precision air conditioning control system； engine room energy saving； green energy saving

1 醫院数据中心精密空调使用的现状

我院北京西路院区新中心机房于2016年建成，机房按照GB 50174-2008的B级机房要求建设，总面积为70平方米，按功能区域划分可分成设备区、工作区、气体钢瓶区三个区域。两路市电经ATS输入后，分别为两台80KVAUPS主机供电，系统采用“安-安”模式工作，可满足两小时供电要求。机房内包含一台30kW显冷量的精密空调以及2台5P大金空调（大金空调作为备用机）。新中心机房采用冷通道下送风技术将冷风直接送到封闭区域内，达到节能减排的作用。据估算，使用冷通道可将PUE从1.91降到了1.79。

当前我院中心机房精密空调配置现状主要表现为，在设计时，机房空调所选配的制冷量是匹配机房IT设备满负载的，且一般都会留有一定的冗余量，但在机房的实际运营中，机房的IT负载基本都是分批、分阶段上架，很多机房运行多年仍旧处于较低负载下应用，机房空调的制冷量长期过剩，存在大马拉小车的现象，为使机房的温度保持恒定，机房空调将频繁的启停（精密空调实际工作过程中，是采用压缩机的“启动-停止”来调节机房内的温度），引起机房温度和湿度波动较大，也使精密空调的效率明显降低，存在较大的能耗浪费。故而从绿色医院、绿色数据中心的角度，通过改造精密空调从而降低能耗，将是我们下一步需要研究的课题。

2 精密空调控制系统在数据中心节能改造中的应用

2.1 医院数据中心对精密空调的要求

医院数据中心是医疗信息化的核心基础，医院数据中心的稳定工作是医疗工作顺畅的前提和先决条件，其中电力系统的保障和温湿度的保障是数据中心稳定工作的重中之重，所以一般医院数据机房的精密空调选型基本为双压缩机以及2台空调“一用一备”的方式，但无论是双压缩机还是“一用一备”的精密空调配置，在实际应用中，很少有双压缩机同时工作或“一用一备”两台精密空调同时开机的情况，所以就节减排而言并未增加机房实际的电量消耗。

任何系统或设备的增加不应降低原系统的稳定性，尤其是控制系统的加入，精密空调控制系统的控制策略是整个控制系统的核心，必须始终遵循涡旋压缩机的性能特点，通过检测调速对压缩机的泄露损耗、动涡盘摩擦损耗和气体流动损失的模块化节点参数检测，分析结果为涡旋压缩机的多变效率随转速而变化，转速对多变效率、摩擦损耗影响极小，尤其是流动损失占涡盘总功耗不到万分之一。同时压缩机长期运行在变工况的条件下，保证其在较宽的转速范围使机器正常运转并具有较高的效率。所以在一定程度上对空调因散热问题导致的故障率高和单台空调冷量过剩，都有较大的缓解作用。并且配置精密空调节能控制系统后，对压缩机进行软启动和运行的无级调节冷量，可以有效减少压缩机的启停次数，延长压缩机寿命，根据实际运行数据动态调整精密空调系统运行模式或工艺参数，逐步逼近系统最优运行点。

2.2 控制系统工作原理

机房精密空调本身是一个完整的制冷系统，各设备及介质间的相互关联，相互影响关系，比较复杂。根据制冷系统的压焓图分析，空调蒸发温度升高、冷凝温度下降，可以有效提高空调的效率。精密空调控制系统正是基于这一规律，通过技术手段，有效的提高了空调的蒸发温度、降低了冷凝温度，从而实现提高空调效率，降低空调能耗的目的[2]。

精密空调控制系统需要安装在机房空调边，对空调本身改动较小，主要是在压缩机与室内风机的电气主回路上增加一套空调节能控制系统。根据空调室内风机类型，若为AC风机（交流风机，风机一般是独立工作，不受压缩机控制）时，需要把压缩机与室内风机的进线电源拆除，接进空调节能控制系统的动力进线，空调节能控制系统的动力出线接回空调压缩机与室内风机的供电回路；若为EC风机（Embedded Controller，嵌入式控制器），仅需把压缩机的进线电源拆除，接入空调节能控制系统的动力进线，空调节能控制系统的动力出线接回空调压缩机的供电回路；同时，把监测空调运行状态的信号线接入空调节能控制系统，完成空调的改造实施，空调节能控制系统不更改空调原控制系统的接线、控制方式，以保证系统增加后不影响原精密空调系统的内部结构。

当精密空调节能控制系统监测到温湿度传感器温度值（温湿度传感器主要检测空调的回风温度，一般可通过读取动力环境检测系统采集的数据或者在控制系统新增温湿度传感器实现）和空调本身的设定温度值接近时，说明空调工作处于热负荷较低的状态。此时通过降低压缩机的运行转速，使单位时间内通过冷凝器和蒸发器的冷媒流量下降。从而降低冷凝温度和提高蒸发温度，稳定和提升送风的温度精度，达到提升制冷效率、降低压缩机功耗的效果，最终达到绿色节能的目的。

精密空调控制系统根据机房空调回风的实际运行温度，判断机房冷量的实时需求，控制精密空调降低压缩机转速。根据压缩机功率、转速公式：

P=Pm（np/nm）3

得知，压缩机功率与转速成正比关系。同时在负载一定的情况下，频率与转速成正比，与功率为3倍的关系。频率越高，转速就越高，功率也提高。相反频率降低时，压缩机转速降低，而功率却为原功率的1/3。可见精密空调控制系统具有较高的节能效率。

在精密空调控制系统后端的物流连接区域内应配置选择开关，选择开关由控制系统独立控制或者手动控制。当选择开关切换至原模式位置时，系统切换至原模式运行，此时精密空调控制系统停止工作，由原精密空调独立工作，空调的所有控制由空调自身控制器完成。当选择开关切换至节能模式位置时，系统切换至节能模式运行，此时节能柜根据空调的回风温度，自动调节空调的冷量输出。当精密空调控制系统发生故障时，选择开关将自动切换至原模式运行时。

2.3 节能效果分析

精密空调控制系统完成节能改造后，显性的变化主要包括以下三方面：

（1）空调耗电功率明显下降。改造前，空调制冷量与机房IT设备热负载的不平衡，导致空调压缩机频繁停机，由于机房温度波动幅度大，也会导致空调的电加热频繁启动，引起较大的能耗浪费；改造后，可以有效减少压缩机停机及电加热的启动次数，能耗得到有效利用，空调效率得到提高，耗电量明显下降，平均每小时可降低3.5千瓦的功耗。（2）机房温度更稳定。因制冷空调制冷量大于机房设备IT负载，空调将通过停止压缩机的方式，必然导致机房温度波动，正常为设定点的±3℃；通过控制系统的介入控制，制冷量根据实际热负载自动调节，机房温度更稳定，波动幅度为±0.5℃，实现冷热平衡。（3）中心机房更加绿色环保。经估算，按照我院北京西路院区中心机房UPS16%的负载量，完成精密空调控制系统改造后，PUE值可从1.79降低至约1.65。我院中心机房精密空调平均每小时可降低3.5千瓦的功耗，每年大约可为我院节约2.7万元的电费。

3 结束语

使用精密空调控制系统既能使中心机房的温度更加稳定，也达到了节能环保的目的，还產生了一定的经济效应，相信随着中心机房内新设备的陆续启用，控制系统的作用会更加明显。目前国内在中心机房内使用精密空调控制系统的案例还不多，综合以上的分析我认为精密空调控制系统是值得大力推广的。

随着绿色节能数据中心概念的深入人心，建设具有节能环保特色的数据中心已经贯穿于数据中心项目的全生命周期，针对数据中心能耗大户的制冷系统，已经普遍应用的如改进送风方式、冷热通道布局、冷热通道隔离、室外自然冷源引入、雨水应用等技术已经发挥很大的作用，相信精密空调智能控制系统必然会为智慧医院、绿色医院的建设添砖加瓦，为医疗信息化的物理基础提供有力保障。

参考文献：

[1]国珍，赵新贞，王仁让.复合模糊PID智能温度控制器设计与仿真[J].煤矿机械，2014（07）.

[2]雷勇，李泽滔.温室温度系统的自适应模糊PID控制[J].控制工程，2014（S1）.

[3]李德路，侯文宝.基于DHT11室内温/湿度监控系统设计[J].智能建筑与城市信息，2013（11）.

[4]李长有，王文华.基于DHT11温湿度测控系统设计[J].机床与液压，2013（13）.

[5]张玲玲，王建中，石磊.无线温度传感器设计[J].电子与封装，2011（07）.

[6]郝少杰，方康玲.基于模糊PID参数自整定的温度控制系统的研究[J].现代电子技术，2011（07）.

[7]张冬林，李鑫，戴梅，等.基于DHT11的低成本蚕室温湿度自动控制系统的设计[J].现代农业科技，2010（18）.