精密空調控制系統在醫院綠色數據中心的應用

楊俊

摘 要：通過在信息機房部署精密空調控制系統，讀取數據中心動力和環境監測系統采集到的數據，在數據中心實際負載和精密空調之間，搭建以空調控制系統為橋梁，實現機房恒溫恒濕精密空調工作狀態與IT設備實際負載相匹配，從而達到減小機房溫度波動范圍，提高空調效率的目的，最終實現降低機房PUE（Power Usage Effectiveness，能源效率指標），滿足數據中心綠色節能的要求，為現代化智慧醫院提供穩定的基礎支撐。

關鍵詞：精密空調控制系統；機房節能；綠色節能

中圖分類號：TU831.3 文獻標志碼：A 文章編號：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 醫院數據中心精密空調使用的現狀

我院北京西路院區新中心機房于2016年建成，機房按照GB 50174-2008的B級機房要求建設，總面積為70平方米，按功能區域劃分可分成設備區、工作區、氣體鋼瓶區三個區域。兩路市電經ATS輸入后，分別為兩臺80KVAUPS主機供電，系統采用“安-安”模式工作，可滿足兩小時供電要求。機房內包含一臺30kW顯冷量的精密空調以及2臺5P大金空調（大金空調作為備用機）。新中心機房采用冷通道下送風技術將冷風直接送到封閉區域內，達到節能減排的作用。據估算，使用冷通道可將PUE從1.91降到了1.79。

當前我院中心機房精密空調配置現狀主要表現為，在設計時，機房空調所選配的制冷量是匹配機房IT設備滿負載的，且一般都會留有一定的冗余量，但在機房的實際運營中，機房的IT負載基本都是分批、分階段上架，很多機房運行多年仍舊處于較低負載下應用，機房空調的制冷量長期過剩，存在大馬拉小車的現象，為使機房的溫度保持恒定，機房空調將頻繁的啟停（精密空調實際工作過程中，是采用壓縮機的“啟動-停止”來調節機房內的溫度），引起機房溫度和濕度波動較大，也使精密空調的效率明顯降低，存在較大的能耗浪費。故而從綠色醫院、綠色數據中心的角度，通過改造精密空調從而降低能耗，將是我們下一步需要研究的課題。

2 精密空調控制系統在數據中心節能改造中的應用

2.1 醫院數據中心對精密空調的要求

醫院數據中心是醫療信息化的核心基礎，醫院數據中心的穩定工作是醫療工作順暢的前提和先決條件，其中電力系統的保障和溫濕度的保障是數據中心穩定工作的重中之重，所以一般醫院數據機房的精密空調選型基本為雙壓縮機以及2臺空調“一用一備”的方式，但無論是雙壓縮機還是“一用一備”的精密空調配置，在實際應用中，很少有雙壓縮機同時工作或“一用一備”兩臺精密空調同時開機的情況，所以就節減排而言并未增加機房實際的電量消耗。

任何系統或設備的增加不應降低原系統的穩定性，尤其是控制系統的加入，精密空調控制系統的控制策略是整個控制系統的核心，必須始終遵循渦旋壓縮機的性能特點，通過檢測調速對壓縮機的泄露損耗、動渦盤摩擦損耗和氣體流動損失的模塊化節點參數檢測，分析結果為渦旋壓縮機的多變效率隨轉速而變化，轉速對多變效率、摩擦損耗影響極小，尤其是流動損失占渦盤總功耗不到萬分之一。同時壓縮機長期運行在變工況的條件下，保證其在較寬的轉速范圍使機器正常運轉并具有較高的效率。所以在一定程度上對空調因散熱問題導致的故障率高和單臺空調冷量過剩，都有較大的緩解作用。并且配置精密空調節能控制系統后，對壓縮機進行軟啟動和運行的無級調節冷量，可以有效減少壓縮機的啟停次數，延長壓縮機壽命，根據實際運行數據動態調整精密空調系統運行模式或工藝參數，逐步逼近系統最優運行點。

2.2 控制系統工作原理

機房精密空調本身是一個完整的制冷系統，各設備及介質間的相互關聯，相互影響關系，比較復雜。根據制冷系統的壓焓圖分析，空調蒸發溫度升高、冷凝溫度下降，可以有效提高空調的效率。精密空調控制系統正是基于這一規律，通過技術手段，有效的提高了空調的蒸發溫度、降低了冷凝溫度，從而實現提高空調效率，降低空調能耗的目的[2]。

精密空調控制系統需要安裝在機房空調邊，對空調本身改動較小，主要是在壓縮機與室內風機的電氣主回路上增加一套空調節能控制系統。根據空調室內風機類型，若為AC風機（交流風機，風機一般是獨立工作，不受壓縮機控制）時，需要把壓縮機與室內風機的進線電源拆除，接進空調節能控制系統的動力進線，空調節能控制系統的動力出線接回空調壓縮機與室內風機的供電回路；若為EC風機（Embedded Controller，嵌入式控制器），僅需把壓縮機的進線電源拆除，接入空調節能控制系統的動力進線，空調節能控制系統的動力出線接回空調壓縮機的供電回路；同時，把監測空調運行狀態的信號線接入空調節能控制系統，完成空調的改造實施，空調節能控制系統不更改空調原控制系統的接線、控制方式，以保證系統增加后不影響原精密空調系統的內部結構。

當精密空調節能控制系統監測到溫濕度傳感器溫度值（溫濕度傳感器主要檢測空調的回風溫度，一般可通過讀取動力環境檢測系統采集的數據或者在控制系統新增溫濕度傳感器實現）和空調本身的設定溫度值接近時，說明空調工作處于熱負荷較低的狀態。此時通過降低壓縮機的運行轉速，使單位時間內通過冷凝器和蒸發器的冷媒流量下降。從而降低冷凝溫度和提高蒸發溫度，穩定和提升送風的溫度精度，達到提升制冷效率、降低壓縮機功耗的效果，最終達到綠色節能的目的。

精密空調控制系統根據機房空調回風的實際運行溫度，判斷機房冷量的實時需求，控制精密空調降低壓縮機轉速。根據壓縮機功率、轉速公式：

P=Pm（np/nm）3

得知，壓縮機功率與轉速成正比關系。同時在負載一定的情況下，頻率與轉速成正比，與功率為3倍的關系。頻率越高，轉速就越高，功率也提高。相反頻率降低時，壓縮機轉速降低，而功率卻為原功率的1/3。可見精密空調控制系統具有較高的節能效率。

在精密空調控制系統后端的物流連接區域內應配置選擇開關，選擇開關由控制系統獨立控制或者手動控制。當選擇開關切換至原模式位置時，系統切換至原模式運行，此時精密空調控制系統停止工作，由原精密空調獨立工作，空調的所有控制由空調自身控制器完成。當選擇開關切換至節能模式位置時，系統切換至節能模式運行，此時節能柜根據空調的回風溫度，自動調節空調的冷量輸出。當精密空調控制系統發生故障時，選擇開關將自動切換至原模式運行時。

2.3 節能效果分析

精密空調控制系統完成節能改造后，顯性的變化主要包括以下三方面：

（1）空調耗電功率明顯下降。改造前，空調制冷量與機房IT設備熱負載的不平衡，導致空調壓縮機頻繁停機，由于機房溫度波動幅度大，也會導致空調的電加熱頻繁啟動，引起較大的能耗浪費；改造后，可以有效減少壓縮機停機及電加熱的啟動次數，能耗得到有效利用，空調效率得到提高，耗電量明顯下降，平均每小時可降低3.5千瓦的功耗。（2）機房溫度更穩定。因制冷空調制冷量大于機房設備IT負載，空調將通過停止壓縮機的方式，必然導致機房溫度波動，正常為設定點的±3℃；通過控制系統的介入控制，制冷量根據實際熱負載自動調節，機房溫度更穩定，波動幅度為±0.5℃，實現冷熱平衡。（3）中心機房更加綠色環保。經估算，按照我院北京西路院區中心機房UPS16%的負載量，完成精密空調控制系統改造后，PUE值可從1.79降低至約1.65。我院中心機房精密空調平均每小時可降低3.5千瓦的功耗，每年大約可為我院節約2.7萬元的電費。

3 結束語

使用精密空調控制系統既能使中心機房的溫度更加穩定，也達到了節能環保的目的，還產生了一定的經濟效應，相信隨著中心機房內新設備的陸續啟用，控制系統的作用會更加明顯。目前國內在中心機房內使用精密空調控制系統的案例還不多，綜合以上的分析我認為精密空調控制系統是值得大力推廣的。

隨著綠色節能數據中心概念的深入人心，建設具有節能環保特色的數據中心已經貫穿于數據中心項目的全生命周期，針對數據中心能耗大戶的制冷系統，已經普遍應用的如改進送風方式、冷熱通道布局、冷熱通道隔離、室外自然冷源引入、雨水應用等技術已經發揮很大的作用，相信精密空調智能控制系統必然會為智慧醫院、綠色醫院的建設添磚加瓦，為醫療信息化的物理基礎提供有力保障。

參考文獻：

[1]國珍，趙新貞，王仁讓.復合模糊PID智能溫度控制器設計與仿真[J].煤礦機械，2014（07）.

[2]雷勇，李澤滔.溫室溫度系統的自適應模糊PID控制[J].控制工程，2014（S1）.

[3]李德路，侯文寶.基于DHT11室內溫/濕度監控系統設計[J].智能建筑與城市信息，2013（11）.

[4]李長有，王文華.基于DHT11溫濕度測控系統設計[J].機床與液壓，2013（13）.

[5]張玲玲，王建中，石磊.無線溫度傳感器設計[J].電子與封裝，2011（07）.

[6]郝少杰，方康玲.基于模糊PID參數自整定的溫度控制系統的研究[J].現代電子技術，2011（07）.

[7]張冬林，李鑫，戴梅，等.基于DHT11的低成本蠶室溫濕度自動控制系統的設計[J].現代農業科技，2010（18）.