基于多点温度判断的机房空调节能控制技术应用分析

杨 超

中国电信股份有限公司徐州分公司

0 引言

为保障通信机房环境温度安全，机房空调的配置需满足N+1冗余备份，N一般选择3～5台，但由于冗余备份空调的存在，机房空调的电能利用效率不高，特别是在机房投运初期负荷较小时，电能浪费更为严重。随着节能减排工作的深入开展，传统机房空调的运行方式已不能满足节能工作的要求，机房空调运行需要向既安全又高效的方向发展，运行时需要同步考虑如何安全高效地控制冗余备份空调运行。传统的空调控制方法通过人工现场定期巡检观察机房温度变化，由人工判断后决定是否开启或关闭空调，其效率低、实时性差、安全性低。当前的通信机房基本已实现无人值守，传统方法已不能满足要求，需要自动化程度更高和更加高效安全的控制手段。

1 机房空调运行方式对能耗的影响

影响机房空调运行能耗的原因主要包括室外气温、室外机运行环境、空调设置温度、制冷量匹配、运行时间等。在室外气温、室内湿度和运行环境不变时，空调制冷量冗余过多、温度控制粗放、无效制冷等因素是引起空调能耗增加的主要原因。

1.1 回风温度控制方式对机房空调能耗的影响

回风温度控制方式是指以风冷机房空调回风口处的温度为基准，空调设置温度与回风温度进行比较，判断是否满足压缩机启动条件，从而控制工作状态。回风温度控制实际控制的是空调近端温度，绝大部分空调均采用回风温度控制方式，在理想状态下，回风温度控制能够满足机房环境温度要求，但实际应用中存在以下问题：

1)回风温度控制粗放引起的电能浪费

风冷机房空调的送风方式主要有风帽送风、风管定点送风、地板下送风、精确送风等，由于风管送风、地板送风等方式会将冷风送往较远处的位置，致使空调回风口温度与机房远端位置的温度存在较大差异。当回风不顺畅时，可能引起机房远端局部高温，从而必须将空调设置温度降低到较低水平才能满足机房要求；另一方面，也存在机架入口温度已满足要求，但机房空调仍在制冷的情况，比如当空调部署在机架热通道两端时，由于回风温度高导致空调长期处于制冷状态而引起电能浪费。

2)机房空调无效制冷引起的电能浪费

当机房气流组织采用冷通道封闭方式时，机房空调一般部署在冷通道之外，空调回风温度实际监测的是热通道温度，由于无法监测冷通道温度，当空调按照正常回风温度设置时，冷通道内的温度则处于过低状态，引起电能浪费。

3)热备份的冗余空调引起电能浪费

为了保障机房环境温度处于安全可控的状态，机房空调制冷量通常按照N+1配置，因此一般情况下机房空调制冷量是有部分冗余的，同时冗余空调一般处于热备份状态。因此冗余空调的运行一定会引起电能的浪费，并且机房热负荷与空调制冷量差值越大，电能浪费越严重，特别是机房投运初期热负荷较小时。

综上，机房空调运行过程中受温度控制方式、气流组织以及运行安全要求等因素影响，存在冷量浪费和电能利用率不高的问题，需要采用空调节能控制技术解决上述问题。

2 机房空调节能控制方式比较

为了降低冗余空调耗电量，可以采取人工开关空调或自动控制空调两种方式，其中人工开关空调存在操作不及时问题，其机房环境温度保障能力较差，易引起高温告警。自动控制方式包括监控平台控制、底端采集器控制、AI算法控制、底端控制器控制等。

监控平台控制方式是由动环监控平台的控制软件分析机房内各区域温度数值，当满足开关机条件时，通过动环监控平台发出对应控制命令，自动控制空调的开启或关闭。该方式要求机房空调和环境温度监控覆盖全面，对监控系统依赖度高，投资较大，调测复杂。另外，由于通过平台进行控制，易受到网络时延等因素的影响，控制成功率不可控。

底端采集器控制由机房现场的动环监控采集器进行判断和控制空调开关，该方式控制成功率和准确度较高，但是要求被控制空调和对应温度传感器必须接在同一个采集器，对监控系统可靠性和接入要求较高，灵活性较差，维护和使用比较复杂。

AI算法控制需要在完善动环监控的基础上通过学习和模拟人工操作，实现机房空调的自动参数调整和开关机控制。该方式智能化程度较高，但是投资较大，控制复杂，对配套温度传感器和监控接入要求较高，需要避免动环系统和AI系统的互相干扰。

底端控制器方式通过控制器内部集成的温度传感器判断环境温度，当满足条件时通过控制空调的交流输入电源或二次控制电源实现自动开关控制，该种方式易造成空调器件损坏，不适合大型机房和专用机房空调的控制。

机房空调的节能控制应满足高安全性和高可靠性要求，控制环节应尽可能少，不应对现有动环监控系统造成影响，其次性价比要高，维护和使用应该简单方便。上述各种控制方式均存在比较明显的缺陷，难以满足机房空调控制要求，基于多点温度判断的空调节能控制方案能够较好地满足上述机房节能控制需求。

3 基于多点温度判断的空调节能控制技术方案和原理

3.1 方案概述

基于多点温度判断的节能控制方案需要在每列机柜的进出风口布置多个温度传感器，对各区域机柜进风温度进行精准采集，防止仅以空调回风口的温度为基准而带来的弊端。由节能控制器采集上述温度数值并进行逻辑运算，当满足启动或停机条件时发出控制信号至机房空调远程开关机端子，实现机房空调的自动开关机控制。该控制方案可使机房温度均匀，解决过度制冷和局部高温问题，在满足机柜进风符合温度要求的同时，实现机房空调的节能降耗，同时具有安全、可靠、性价比高、控制简单、维护方便的特点。

3.2 系统组成

机房空调为实现监控或远程控制的目的，均配置有远程开关机控制接口。该接口为一对干接点输入信号，机房空调通过判断干接点的通、断执行空调开启或关闭操作。基于多点温度判断的节能控制方案即通过该接口实现机房空调的自动开关控制。

图1为系统组成示意图。首先在各列机柜或重点设备区域增装温度传感器，温度传感器将采集的数据送至节能管理控制器，节能管理控制器是该系统的核心，其对采集的温度数据进行分析和逻辑判断，当满足设定条件时节能管理控制器输出控制信号至机房空调的远程开关机端口，实现自动开关机控制。

节能管理控制器可通过有线或手机无线网络等方式实现与服务器的通信，同时可以通过手机短信将温度告警通知到维护人员，管理平台可实现温度数据存储和查询、机房空调运行状况查询、高温报警查询、空调开关机运行时间查询等功能。

3.3 控制逻辑

节能管理控制器原理示意图见图2。该控制器可接入多个温度传感器，根据温度变化情况控制机房空调开关机。

图2 控制原理示意图

节能管理控制器需要采集机房各区域正常运行的历史温度数据，以及温度传感器与机房空调的对应关系，通过对历史温度数据的分析，分别找出高温和低温区域并确定安全的机柜入口温度，然后分别设置各温度传感器阈值，节能管理控制器通过计算和判断开启或关闭机房空调。

节能管理控制器对温度数值的判断逻辑如下：当采集的多个温度传感器中任何一个超过设定的温度阈值则触发空调开机；当所有温度传感器的温度都低于设定的阈值则触发空调关机，实现机房空调的自动启停，保障机房环境温度符合要求，达到既节能又安全的目的。

控制过程举例如下：

首先对部署的多个温感器进行持续一周的连续温度数据采集，测算各个温度取样点的平均值作为参考值，分别确定各个温感器的温度阈值，如果各个温感器的探测温度值都低于其设置的温度阈值并超过设定的延时时间，则节能管理控制器控制机房空调关机。如果各个温感器探测值中的任何一个高于其设置的温度阈值，节能管理控制器将对超过阈值的温度值进行2℃的自动累加并控制机房空调开机，从而避免频繁开关机情况发生。

4 基于多点温度判断的节能控制技术应用实践

4.1 机房一节电率测试

某数据中心机房共安装6台风冷机房空调，送风方式采用地板下送风、上回风方式，机柜前面板封闭、底部进风，进风口开度可调，机柜面对面、背对背安装。该机房面积408 m2，机房空调总制冷量520 kW，机房设备功率约100 kW。

节电率测试方法：机房空调温度设置25℃，湿度50%，节能控制装置连续开启2天后连续关闭2天，分别记录开、关状态下的空调电能、室外温度数据，共实施2轮测试（共8天），再取2轮数据的平均值进行开启和关闭状态下的数据比对，测试数据见表1。

表1 节电率测试数据

该机房节电率=（控制器关闭的平均空调电量–控制器开启的平均空调电量）/控制器关闭的平均空调电量=（1 748-1 497）/1 748=14.36%

按照测试数据，该机房每天可节电251 kWh，全年可节省9.1万kWh，按照电费单价0.6元计算，每年可以节省电费5.5万元，约1年可收回投资。

4.2 机房二节电率测试

某数据中心机房共安装5台风冷机房空调，送风方式采用地板下送风、上回风方式，机柜面对面、背对背安装，机柜进风侧采用开孔地板并封闭冷通道，机柜采用高开孔率面板。该机房面积400 m2，机房空调总制冷量500 kW，机房设备功率约154 kW。

节电率测试方法：机房空调温度设置25℃，湿度50%，节能控制装置连续开启2天后连续关闭2天，分别记录开、关状态下的空调电能、室外温度数据，共实施2轮测试（共8天），再取2轮数据的平均值进行开启和关闭状态下的数据比对，测试数据见表2。

表2 节电率测试数据

该机房节电率=（控制器关闭的平均空调电量–控制器开启的平均空调电量）/控制器关闭的平均空调电量=（1 609-1 417）/1 609=11.93%

按照测试数据，该机房每天可节电192 kWh，全年可节省7万kWh，按照电费单价0.6元计算，每年可以节省费用4.2万元，大约1年可收回投资。

4.3 机房三节电率测试

某数据中心机房共安装5台风冷机房空调，送风方式采用地板下送风、上回风方式，机柜前面板封闭、底部进风，进风口开度可调，机柜面对面、背对背安装。该机房面积400 m2，机房空调总制冷量500 kW，机房设备功率约192 kW。

节电率测试方法：机房空调温度设置25℃，湿度50%，节能控制装置连续开启2天后再连续关闭2天，分别记录开、关状态下的空调电能、室外温度数据，共实施2轮测试（共8天），再取2轮数据的平均值进行开启和关闭状态下的数据比对，测试数据见表3。

表3 节电率测试数据

该机房节电率=（控制器关闭的平均空调电量-控制器开启的平均空调电量）/控制器关闭的平均空调电=（1 744-1 663）/1 744=4.64%

按照测试数据，该机房每天可节电81 kWh，全年可节省2.95万kWh，按照电费单价0.6元计算，每年可以节省费用1.77万元，大约3年可收回投资。

4.4 节电率测试结论

三个机房的节能测试结果比较见表4。由表4可见，该控制系统在三个机房均取得了一定节电率，其节电率的高低与机房空调冗余制冷量的大小有直接关系，机房空调冗余制冷量越大则节电率越高，机房空调冗余制冷量越小则节电率越低。如果机房原始PUE已经处于较低水平，则节能空间非常有限，应优选PUE较高的机房实施。

表4 测试结果比较

另外，为了保障机房供冷安全，在节能管理控制器运行期间，运维人员采用任意人工关闭1～2台正在运行的空调模拟空调故障停机，节能管理控制器能够在机房高温告警（27℃）前及时自动开启备用空调，将机房温度控制在合理范围，能够保障机房环境安全和空调高效运行。

4.5 基于多点温度判断的机房空调节能控制技术优点

基于多点温度判断的机房空调节能控制方案解决了因近端单点回风温度判断带来的机房温度场分布不均，局部过热，电能浪费等问题，使机房温度控制精准度提升，能够智能动态监控机柜进风口的实时温度，将空调运行数量与机房负载高效匹配，提升空调运行效率。该控制技术能够适用于带有远程控制接口的所有机房空调产品，安装简便，无需改造空调控制电路，不破坏空调结构，控制方法灵活，控制结构简洁，成本低廉。

5 结束语

基于多点温度判断的机房空调节能控制技术通过自动手段合理控制机房空调冗余量的投入，有效提升机房空调运行效率、降低能耗。其节电率与机房空调现有冗余量有密切关系，在机房负荷较小或空调配置较多时，可通过该技术实现空调电能利用效率的提升，并且不降低机房环境保障等级。该控制技术原理清晰，可靠性高，节能效果良好，可以适用于大多数风冷机房空调的节能控制。