數據中心冷源控制系統初步探討

武允文+張大紅

摘 要：數據中心是公眾互聯網應用和企業局域網應用以及云計算和大數據產業的的基礎。數據中心內部核心區域有比較嚴格的環境溫濕度控制的要求，特別是數據中心內部核心區域中有大量的IT設備，這些IT設備發熱量巨大，冷源控制的好壞直接影響數據中心的運行。本文就此探討一下，數據中心冷源控制的意義和基本流程。

關鍵詞：數據中心；集中冷源；冷源自控；系統調試

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）09-0055-03

1 概述

數據中心承載著IT的應用，是公眾互聯網應用和企業局域網應用以及云計算和大數據產業的的基礎。數據中心承載了互聯網企業的產品、業務、理念和夢想、承載著企業業務運行的重大責任。

數據中心內部核心區域有比較嚴格的環境溫濕度控制的要求，特別是數據中心內部核心區域中有大量的IT設備，這些IT設備發熱量巨大，即使是低功率密度的數據中心在內部核心區域發熱量可達到每平方米1KW，而數據中心內部核心區域面積經常達到3000平方米以上。 因此，大型的數據中心通常會選擇采用集中的冷源中心向各區域供冷以達到滿足數據中心制冷的冷量需求的同時具有能源利用率較高、容易利用自然冷源、總體擁有成本較低、制冷連續性能力較好、運維工作比較簡單的目的。

2 數據中心冷源及控制系統的特點

2.1 制冷連續性的要求

數據中心在制冷的連續性方面有極嚴格的要求，這是由于以下的原因：

（1）密閉的空間：基于物理安全的需要與空氣粉塵與腐蝕性氣體的防護需要。

（2）單位面積的高功率密度：數據中心單位面積的功率密度遠大于一般民用建筑物，即使是低功率密度的數據中心在內部核心區域發熱量可達到每平方米1KW。一旦制冷中斷，中低功率密度的核心區域溫度上升速率可達到1℃--2℃/分鐘。

（3）環境溫度容限范圍小：按照現行的國家標準，數據中心內部核心區域溫度的控制范圍為23±2℃，環境溫度超過30℃時一些敏感的IT設備將可能發生宕機。

由于數據中心有上述的特殊要求，數據中心冷源系統的架構與一般的民用建筑物有很大的不同，在冷凍機組、水泵、管路以及電力供應等各個環節有不同于一般民用建筑物的冗余甚至容錯的系統配置，應急儲冷裝置、供電中斷時冷凍水泵的不間斷運行也都是一般民用建筑物中不常見的。

冷源系統的控制系統也因此與一般的民用建筑物有一些不同，只有充分理解數據中心核心訴求基礎上的數據中心冷源系統，和覆蓋于合理完善的冷源系統上的冷源控制系統才是一個能夠滿足需求的數據中心冷源系統，二者缺一不可。

2.2 節能的要求

冷源系統節能的要求在固然在所有領域的應用都有其訴求。但是，由于數據中心需要全年制冷和體量巨大的原因，節能的要求更加強烈的同時也具有一定的可能性。例如，由于數據中心需要全年制冷使得利用大自然的自然冷源實現節能成為可能，其他節能或者控制運行成本的技術手段也有大量的應用，例如利用電力公司級差電價的冰儲冷技術。

機械制冷模式、自然冷源模式以及二者在過渡氣溫條件下的混合模式設置與其他節能運行方式（例如新風、蒸發制冷）的模式切換控制也給冷源控制系統帶來了新的要求。

數據機房的負荷為典型的顯熱類型負載，為了延長利用自然冷源的時間，以及避免不必要的除濕，采用較高溫度的冷凍水進回水溫度也是常用的節能手段。

3 數據中心冷源自控系統的方法

3.1 數據中心冷源的類型

集中冷源由于具有利用自然冷源經濟方便的原因以及在制冷連續性具有良好的表現，因此在稍有規模的數據中心有大量的應用。本文僅針對集中冷源中間接自然冷源的控制做一定的探討（表1）。

3.2 數據中心集中冷源的基本運行模式

冷源自動控制系統因歷史原因屬于建筑物自控系統（BA系統）中重要的一部分，經常就被稱為BA系統。我們以下對數據中心冷源自動控制系統簡稱為“數據中心BA系統”。

一個比較典型的數據中心冷源系統，如圖1，由冷凍水機組、冷凍水水泵、冷卻塔、冷卻水水泵、板式熱交換器、儲冷水罐、閥門與管路系統組成。[1]

（1）機械制冷基本的啟動工作流程是這樣的：1）數據中心BA系統發出相關管路閥門的開啟或關閉命令，冷凍水管路閥門被打開；2）數據中心BA系統發出冷凍水水泵啟動的命令，冷凍水水泵運行并根據BA系統控制要求控制水泵轉速；3）數據中心BA系統發出冷凍機組啟動的命令，冷凍水機組運行；4）數據中心BA系統發出冷卻塔和冷卻水水泵啟動的命令，冷卻塔和冷卻水水泵運行；并通過控制冷卻水水泵和旁通閥進行冷卻水溫度調節。

（2）自然冷源基本的啟動工作流程是這樣的：1）室外濕球溫度低于設置控制溫度人工干預啟動；2）數據中心BA系統發出相關管路閥門的開啟或關閉命令、板式換熱器與冷卻塔和冷卻水水泵、冷凍水管路閥門被打開；3）數據中心BA系統確認冷凍水水泵已啟動或發出冷凍水水泵的命令，并根據BA系統控制要求控制水泵轉速；4）數據中心BA系統依據冷凍水出水溫度，必要時啟動冷凍機組實現混合自然冷源模式的運行。

（3）應急制冷的啟動工作流程是這樣的：1）一旦電力供應中斷，冷凍水水泵由于采用UPS/EPS供電，冷凍水水泵維持連續運行；2）數據中心BA系統發出相關管路閥門的開啟或關閉命令，控制儲冷水罐內部之前存儲的低溫冷凍水向系統維持供冷，直到外部電力恢復后冷凍機恢復制冷能力；3）數據中心BA系統發布命令控制系統切換到基本機械制冷的運行模式。

當然，數據中心BA系統完全具備例如供回水溫度控制、供回水壓力控制、加/減機組的控制、運行模式切換的控制等等的基本功能。

3.3 數據中心集中冷源控制系統的特殊性

數據中心BA控制系統的特殊性首先表現在：在任何情況下，特別是在電力供應中斷的情況下，數據中心BA系統依然具有使得集中冷源系統連續運行以及制冷凍的能力。這種能力不但表現集中冷源系統本身具有的一些能力。例如，冷凍水水泵由UPS供電，電力中斷時冷凍水繼續循環、系統配置有儲冷罐，平時蓄冷電力中斷時放冷。

這種能力還表現在數據中心BA系統在發生任何單一故障時依然具有一定的能力，使得數據中心集中冷源系統保持一定程度的連續制冷。

可用的數據中心BA控制系統通常會在以下一些方面有充分的安全容錯機制的考慮。[2]

（1）控制主機的雙機熱備，控制平臺的容錯，確保數據中心BA控制系統安全運行。

（2）控制系統內部單點故障的容錯。

4 數據中心冷源控制系統的調試

數據中心冷源控制系統標準調試步驟如下：

4.1 自控設備與受控設備的單體調試

4.1.1 傳感器調試

溫度傳感器：接入DDC后，在中央站上讀出其溫濕度值，與在現場用標準溫濕度計測得的值比較，以判斷該傳感器是否準確。

風管式壓差傳感器：通常用于送風壓差，室內壓差等的監測。調試時可用三通把標準壓差計與壓差傳感器并聯，在中央站上讀出傳感器的測量值與標準值比較，以判斷傳感器的好壞。

水管式壓力傳感器：常用于供水壓力的監測，通常在安裝壓力傳感器的附近同時安裝有現場壓力表，可對照中央站讀出的數值與現場壓力表的數值，數據一致為正常。

4.1.2 驅動器調試

模擬量調節驅動器，包括主要為閥門驅動器和風門執行器。在調試時，給出0%，50%及100%開度信號及斷電等情況，觀察閥門或風門等被控設備是否相應動作，在這里需要說明的是，閥門驅動器調節可以是控制信號與閥門流量成正比調節或控制信號與閥門驅動器推桿成正比調節，在默認情況下是與閥門流量成比例調節，我們可以通過撥動驅動器上的拔位開關進行互換選擇。

4.1.3 DDC調試

第一類：現場控制器調試。

開始調試前，先確認變壓器電源、通訊線以模擬量點的跳線以及擴展模塊地址撥碼都已跳好或撥好，且現場控制器電源處于關閉狀態。

通電后，連接手提電腦登錄至全局控制器并設定其地址、設置日期和時間。

第二類：全局控制器調試。

開始調試前，先確認變壓器電源、通訊線以模擬量點的跳線以及擴展模塊地址撥碼都已跳好或撥好，且全局控制器電源處于關閉狀態。

通電后，連接手提電腦登錄至全局控制器并設定其地址、設置日期和時間。

4.2 系統聯網調試

在單體調試的完成的基礎上，把手提電腦接入現場控制器后，現場控制器本身直接控制的未端設備的運行狀況，都能在手提電腦里顯示出來，并能直接控制。這條支網就算正常運行。

在自控中心里，接上網絡控制器和計算機，在單機調試和支網調試的基礎上，整個BA系統都能在這臺計算機上顯示出來，并能隨意操作任意一個單機上的任意一個點，即總體聯網調試成功。

4.3 系統檢查與測試

BA系統的調試將先后進行兩大部分測試：單點測試和系統功能測試[3]。

4.3.1 單點測試

數字量輸入點（DI）測試：閥門開關狀態、空調機組狀態、報警狀態等；

數字量輸出點（DO）測試：閥門開關控制、空調機組控制、設備恢復控制等；

模擬量輸入點（AI）測試：測量元件的輸出電阻、電壓、電流等物理量，并換算成相應的測量值；

模擬量輸出點（AO）測試：調節閥開度控制、閥門開度調節。

4.3.2 系統功能測試

根據系統的功能要求以及各設備的工藝，對控制功能進行模擬測試。測試對工藝和工況進行模擬和參數調整，確保滿足系統要求。對于數據中心BA制冷控制系統不同于一般BA制冷控制系統有以下需要重點檢測與驗證的內容：

（1）儲冷系統儲冷與應急放冷的檢測與驗證。

（2）冷源系統供電中斷，一定時間過程內通過儲冷系統維持供冷能力的檢測與驗證。

（3）中央控制系統故障離線，中央控制系統冗余切換或控制對象保持功能、維持供冷能力的檢測與驗證。

（4）某個DDC故障離線，維持供冷能力的檢測與驗證。

（5）模擬向所有DDC供電UPS故障停電，DDC控制對象保持維持供冷能力的檢測與驗證。

5 結語

數據中心制冷系統由于對制冷連續性有不同于一般民用建筑物應用的要求，不但制冷系統的配置有很多不同以外，數據中心BA制冷控制系統也有一些不同于一般BA制冷控制系統的考慮，數據中心BA制冷控制系統要求在各種情況下保持數據中心制冷系統盡量維持連續運行。

本文僅從維持制冷連續性的角度討論了數據中心BA制冷控制系統應考慮的要點，為了達到這個目的，可以采用的實現方式與方法是多種多樣的，本文描述的可能僅是其中的若干種方法，鑒于文章探討的重點，未能提及的方式方法就不再贅述了。

參考文獻

[1]朱洪波.數據中心集中冷源空調系統設計綜述[J].電信網技術，2014.10，P15 - P26.

[2]楊世忠，邢麗娟.智能建筑中空調系統的節能方法[J].智能建筑電氣技術2009.02，P32- P34.

[3]中國電子工程設計院主編.GB50174《電子信息系統機房設計規范》，2008.