一种新型数据机房空调机组智能群控方法

徐东雨

（维谛技术有限公司，广东 深圳 518055）

0 引 言

现在数据机房空调系统方案主要分两种，一种是房间级空调系统，典型代表是地板下送风空调系统，另一种是列间级空调系统，典型代表是封闭冷通道空调系统。数据机房空调配置台数都有冗余（备份），常为N+1。数据机房空调系统运行的过程中存在两个问题[1]。

（1）为了满足机房的空调备份要求，处于备份状态的空调要一直运行，这样会浪费电能。

（2）由于空调是独立工作的，彼此之间可能存在竞争运行，例如某些空调在制冷，而另一些空调却在制热，这样也会浪费电能。

为了解决这两个问题，需要对机房空调进行集中控制，这就是空调群控方案。

现行空调群控方案可以实现如下功能：

（1）避免冗余设备长期运行而带来的能耗浪费（待机备份）。

（2）有效地均衡机组运行时间，延长其使用寿命（轮巡）。

（3）避免同一机房内空调的竞争运行，有效地降低空调能耗（防竞争运行）[2]。

由于机房的冷负荷是动态变化的，现行空调群控方案存在如下缺点：

（1）不能自动对空调运行的台数进行管理。

（2）不能对不同空调运行组合进行性能制冷负载系数（Cooling Load Factor，CLF）评估。

（3）不能对机房空调的总能效进行评估。

（4）无法发现最佳的空调运行组合，不能进一步提高机房的能源利用效率。

（5）不能发现机房空调系统气流组织存在的问题。

1 新型技术方案

本文所提技术方案是一个新型的、智能的机房空调群控方案，是在既有的机房空调系统进行开发的，不会改变原有的空调系统，不仅能实现传统空调群控方案的功能，还能有效地对空调运行的台数进行管理，使运行空调的总制冷量与机房的冷负荷相配对，并自动选择最优空调组合运行，从而达到节能目的。另外，还能对机房空调总能效进行评估，发现空调系统气流组织存在的问题[3]。

1.1 技术方案主要功能的工作原理

（1）实时计算房间的冷负荷Q1：

式中，Qj为机房围护结构的冷负荷；Ks为机房面积冷负荷指标，取90～150 W/m2；S为机房面积m2；Tw为机房室外温度，℃；Tn为机房室内温度℃；Δt为设计室外温度与设计室内温度差，可取12～18℃；Q1为机房的冷负荷；∑Mi为机房设备散热形成的冷负荷，为机房配电柜（列头柜）的智能电表的读数之总和。

（2）根据Q1和空调的制冷量，启动空调，使空调总的制冷量与Q1相匹配。其他未启动的空调作为备机。

（3）当空调存在备机时，对空调轮流运行（轮巡），并记录不同空调组合运行的制冷负载系数CLF。

（4）选择制冷负载系数CLF最小的空调组合，长时间运行，并定期轮流运行其他符合要求空调组合。每次轮流运行结束，都要重新选择CLF最小的空调组合。

1.2 制冷负载系数计算方法

如图1从智能电表中读取实时空调的总功耗∑Wi，列头柜的总功耗∑Mi。计算制冷负荷系数：

图1 智能电表中功耗读取

CLF= ∑Wi/∑Mi。

1.3 其他功能

（1）气流组织不合理报警条件：当空调输出的总的额定制冷量>1.25×机房计算的冷负荷Q1，仍有机柜的进风温度大于设定值，或有机柜进风高温报警。

（2）空调系统运行效率低报警条件：空调组合能效比（Energy Efficiency Ratio，EER）EER=Q1/∑Wi<设定值，比如EER设定值为2.7。

（3）高温备机功能条件：当达到温度设定点上限，自动启动高温报警点最近的备用空调，当温度达到高温报警点，自动启动剩余的备用空调[4]。

1.4 主要流程图

运行最优空调组合流程如图2所示。

图2 运行最优空调组合流程

2 模型

机房概况如图3所示，机房面积为17.18×12.6=216.67 m2，4排机柜，每排17个，每排机柜设计负载5 kW，配置5台空调见表1。

图3 机房概况

表1 5台空调制冷量

（1）机房基本参数输入：机房面积S=216.67 m2，冷负荷指标Ks=100 W/ m2，空调台数5台，制冷量见表1。空调编号与空调监控地址一一对应，见表1。

（2）读取传感器数据，计算机房冷负荷Q1。

读取室内、外温度传感数值Tn、Tw，本案例室内温度传感数值Tn为T1的平均值25 ℃，室外温度传感数值Tw为T1的平均值30 ℃。计算机房结构冷负荷:

从智能电表读取机房设备实际功率，计算设备散热形成的冷负荷，即为4个列头柜PDF的智能电表的之和∑Mi=168 kW。

计算机房冷负荷：

（3）根据Q1和可运行的空调的制冷量进行空调组合, 并定义各空调运行组合名称。空调组合可以自动生成，也可手动输入。本案例共5台可能产生空调组合有1台空调组合有5种、2台空调组合有10种、3台空调组合有10种、5台空调组合有5种、5台空调组合有1种，共31种空调组合如表2。

可运行空调组合原则：组合内的空调的制冷量之和大于Q1=175.22 kW。可以选取24个。

组合名称为空调编号组合（比如135，即1号、3号、5号空调组合），如表2所示。

确定空调组合数量不能过多，可以限制组合内的空调的制冷量之和与Q1比值不大于150%。也可以对总数进行限制。表2黑体斜字的空调组合为可运行空调组合。

表2 31种空调组合

（4） 查询运行记录库。当前机房状态下，空调组合有无运行记录。如果无，进入初始最优组合选择程序。如果有，根据运行记录各组合的CLF值进行排序，最小CLF的空调组合为最优组合，进入运行最优空调组合程序。

注意：进入初始最优组合选择程序还是进入运行最优空调组合程序，组合内空调处于启动状态，其他空调处于待机状态。

3 能耗分析

3.1 机房概况

假设夏季机房平均冷负荷为320 kW，春、秋两季的平均冷负荷为270 kW，冬季的机房平均冷负荷为175 kW。空调相关参数见表3。

表3 空调相关参数

3.2 机房运行模式

模式一，机房空调热备份模式，所有空调启动。

模式二，机房空调热备份模式，人工关闭部分空调，但保持的有一台空调备份。

模式三，机房空调采用现行群控方式，一台空调处待机状态（室内风机停止状态），其余4台空调运行。

模式四，机房空调采用现行群控方式，人工调整群控方式，使空调运行台数与机房冷负荷相匹配。

模式五，采用上述新型智能群控方式。

3.3 具体能耗分析

（1）模式一、模式二是明显不节能的模式，不对其进行能耗分析。

（2）模式三能耗分析见表4。

表4 模式三能耗分析

a.单台空调运行时长（日）：4*365/5=292日。4台空调运行，1台待机备份。

b.制冷能力：制冷量×运行时长（日）×24×3 600 kJ。

c.负载率：机房全年冷负荷冷量/总制冷能力。

d.室内风机功耗（空转功耗）：室内风机功耗×运行时长（日）×（1-负载率）×24×3 600 kJ。

e.制冷功耗：制冷能力×负载率×运行时长（日）/ EER*24*3 600 kJ。

（3）模式四能耗分析。模式四（夏）能耗分析见表5。

表5 模式四（夏）能耗分析

单台空调运行时长（日）：4×91/5=72.8日。4台空调运行，1台待机备份。

模式四（春秋）能耗分析见表6。

表6 模式四（春秋）能耗分析

单台空调运行时长（日）：3×（91+92）/5 =109.8日。3台空调运行，2台待机备份。

模式四（冬）能耗分析见表7。

表7 模式四（冬）能耗分析

单台空调运行时长（日）：2×91/5 =36.4日。2台空调运行，3台待机备份。

模式四的年耗电量（kWh）=春秋季年耗电量（kWh）+夏季年耗电量（kWh）+冬季年耗电量（kWh）= 822 749.38 kWh

（4） 模式五能耗分析。模式五夏季能耗分析见表8。

表8 模式五夏季能耗分析

单台空调运行时长（日）见表9。最优组合应是制冷负荷系数最小的组合，也就是能效比EER最高的组合，且组合内空调的制冷量之和为可运行组合的制冷量之和最小，但组合制冷量之和应大于机房冷负荷。最优组合运行时间，非最优组合轮巡时间分别为5天和1天。

表9 单台空调运行时长（日）

单台空调运行时长（日）：空调1单台空调运行时长（日）= 91×运行时间百分比×4=79.63日。91为夏季的天数，4为组合的空调数量。

模式五春、秋季能耗分析见表10

单台空调运行时长（日）见表11。

模式五冬季能耗分析见表12。

表12 模式五冬季能耗分析

单台空调运行时长（日）见表13。

表13 单台空调运行时长

模式五年耗电量（kWh）：

春秋季年耗电量（kWh）+夏季年耗电量（kWh）+冬季年耗电量（kWh）= 814 266.83 kWh

（5）能耗分析见表14。

从表14可以看出模式四比模式三节能的原因，是增加了手动加减载功能，节能率达到6%，但模式四在现实机房维护过程中,因需维护人员不停地根据机房负荷的变化,手动调节空调运行台数,这很难实现。现在的机房空调实行的群控运行方式大都采用模式三。

表14 能耗分析

从表14可看出模式五比模式四也有明显的节能效果，是因为增加了最优空调组合功能。如果机房空调的能效比分散度变大、空调台数增多、最优组合运行时间增长，优选空调组合数量减少，这些因数会使最优空调组合功能对节能贡献变得更大[5]。

4 增加成本分析

新型智能群控系统架构如图4所示。现行群控系统架构如图5所示。增加成本分析如表15所示。

图4 新型智能群控系统架构

图5 现行群控系统架构

表15 增加成本分析

（1）数据机房一般都有室内温度传感器，可以直接借用，但一般没有室外温度传感器，就需要增加投入，成本很小。

（2）目前数据机房的配电柜、列头柜、空调器大都已安装智能电表，可以直接借用。如果没有，就要增加投入，至少两块，一块测量机柜的负载，另一块测量空调的负载，成本也不高。

（3）如上所述，新型智能群控系统相比于现行群控系统投入成本增加并不多。

5 结 论

（1）新型智能群控系统能自动控制空调运行台数，使空调的制冷量与机房冷负荷相匹配，相比现行的群控系统在节能方面有明显的优势,提高机房运行效率。

（2）新型智能群控系统能自动选择空调最优组合（最节能组合）运行，进一步提高机房运行效率。