數據中心空調冷凍站智能控制技術及策略的研究

潘倫，林恒強

（華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

目前，數據中心空調中的節能措施包括利用自然冷源（寒冷天氣自然冷源、湖水自然冷源）、選擇高效節能的空調設備等，這些措施都是必不可少的，但還遠遠不夠。空調冷凍站是為了保證數據中心溫濕度環境，數據中心的冷濕負荷隨著設備的運行情況，室外的天氣情況等不斷的變化，空調冷凍站智能控制能實時輸出冷量，確保數據中心IT設備的安全運行，同時提高數據中心的節能效果。

本文對空調冷凍站智能控制技術進行了分析與探討，指出空調冷凍站智能控制的重要性以及應具備的基本功能，這些功能有利于數據中心空調的節能、安全運行。

1 控制系統架構

空調冷凍站智能控制系統采用DDC或者PLC控制器，控制系統設置主群控制器、冗余群控制器、多臺冷機單元控制器。為提高控制系統的通信安全，采用TCP/IP通信技術+點對點硬線（圖1）。

圖1 空調冷凍站智能控制系統架構圖

空調冷凍站智能控制系統的點對點硬線通信為主用，是以開關量、模擬量來發控制指令及反饋信號，其特點為通信抗干擾能力強、安全性高，控制器出故障不影響其它控制器通信；TCP/IP通信為輔助通信，主要功能是實時監控運行情況、系統調試、工人遠程操作控制等。

主/冗余群控制器負責空調冷凍站智能控制系統的整體運行策略。主群控制器與冗余群控制器互為熱備同步運行，通過硬線檢測主/冗余群控制器之間脈沖信號（硬線模擬量），若冗余群控制器檢測不到主群控制器脈沖信號，則控制系統判定主群控制器出現故障，自動隔離主群控制器啟用冗余群控制器運行策略。主群控制器和冗余群控制器分別獨立配置水管溫度、壓力、末端壓力（差）傳感器、流量等傳感器，兩套控制器不能共用傳感器。

冷機單元控制器負責單套冷水機組運行策略。冷機單元控制器與主/冗余群控制器通過硬線檢測脈沖信號（硬線模擬量），若冷機單元控制器檢測不到主/冗余群控制器脈沖信號，則控制系統判定主/冗余群控制器都出現故障，自動隔離主/冗余群控制器并按最后一次指令獨立運行策略。

所有控制器采用雙路UPS電源輸入，并配置靜態切換開關STS，無單點供電風險。

2 控制系統策略

空調冷凍站制冷的運行模式分三種：制冷模式、預冷模式、自由冷卻模式。模式的轉換由群控制器根據室外空氣干球、濕球溫度及系統運行穩定性，冷卻塔風機單元的負荷，冷機及板式換熱器的運行狀況來綜合確定。

（1）制冷模式運行：當室外空氣濕球溫度高于13度（按照冷卻塔出水溫度為16.5℃選型對應的濕球溫度）（可調），控制冷卻塔用的冷卻水供水溫度設定值應為18.5C（可調）。冷機冷卻水供水溫度傳感器將用于冷卻塔的PID控制回路。系統在純制冷模式下運行，冷卻水出水溫度在18～34度之間，保證冷機正常運行。

（2）進入預冷模式：當室外濕球溫度T/sh≤13℃高于5℃（按照冷卻塔出水溫度為16.5℃和9℃選型對應的濕球溫度）（可調）的時間長達15min（可調）時，單元控制器開始檢測冷卻塔出水溫度以及該溫度與冷凍水回水溫度的差值△t，若冷卻塔的出水溫度≤16.5℃和△t≥1.5℃（可調，板換的換熱溫差）的時間長達15min（可調）進入預冷模式，單元控制器將發起所需的系列操作，容許換熱器與冷機串聯運行，單元控制器將逐步重置冷卻水出水溫度為10℃（可調），此溫度值應為預冷模式下最低冷卻水溫設定值。冷機冷卻水供水溫度傳感器應用于冷卻塔的PID控制回路。

（3）退出預冷模式：預冷模式將自動終止，無需運維者干預。當室外的濕球溫度高于進入預冷模式時濕球溫度的設定值13℃（按照冷卻塔出水溫度為16.5℃選型對應的濕球溫度）（可調）長達10min(可調)，觀察冷卻水的出水溫度以及板換冷凍側的供回水溫差，冷卻塔容量加載至100%運行，冷卻水的出水溫度＞16.5℃（可調），且板換冷凍側的供回水溫差＜0.5℃（可調）的持續時間長達15min（可調）后，當冷機單元從預冷模式返回制冷模式時，換熱器冷卻水旁通閥將被打開。旁通閥驗證打開狀態后，換熱器冷卻水隔離閥將被關閉。隔離閥關閉后，冷卻塔PID回路控制的輸入將從冷機冷凍水回水溫度切換到冷機冷卻水供水溫度，冷卻塔將進行控制，以維持冷機冷卻水供水溫度設定值。冷卻塔PID回路將從之前的冷機冷凍水回水溫度控制切換到制冷模式的冷機冷卻水供水溫度控制。冷機單元僅依靠冷機進行制冷；冷機單元進入制冷模式。單元控制器順利退出預冷模式進入制冷模式后向群控制器發出“OK”信號。

（4）進入自由冷卻模式：在預冷模式下，當室外濕球溫度T/sh≤5℃（按照冷卻塔出水溫度為9℃選型對應的濕球溫度）（可調）的時間長達30min（可調）時，單元控制器開始檢測冷卻塔的出水溫度。若≤10℃（可調）的時間長達30min（可調）時，冷水機組的負載率≤35%（可調），冷卻塔風機的轉速≤40Hz（可調），換熱器進入冷機的冷凍水溫≤13.5℃（可調）達30分鐘（可調），則單元控制器將發送硬接線的輸出信號至群控制器，表示節能模式就緒。首先單元控制器向群控制器發送自由冷卻模式準備就緒命令，請求群控制器同意進入自由冷卻模式；當群控制器接收到自由冷卻模式就緒命令后，其將在前端報警提醒運維人員可以進入自由冷卻模式。當群控制器同意單元控制器進入自由冷卻模式時，群控制器將向單元控制器發送自由冷卻模式開始命令。當單元控制器接收到自由冷卻模式啟動命令后，當群控制器命令單元啟用節能模式時，冷機冷凍水回水溫度設定值將從預冷模式下的設定值13.5℃（可調）緩慢向下重設至12℃（可調），以卸載冷機。冷機冷凍水回水溫度傳感器將用于冷卻塔的PID回路控制。冷機單元控制器監視冷機運行產冷噸數，當冷機運行冷量降低至滿載冷量的25%（可調）時，單元控制器將關閉冷機。

（5）退出自由冷卻模式：節能模式將自動終止，無需運維者干預。在自由冷卻模式下，群控制器將監視單元控制器的節能模式狀態點。當板換冷凍水出水溫度高于設定值0.5℃（可調）度長達20（可調）分鐘，及任一換熱器閥門的狀態與命令不符，群控制器將發送命令至單元控制器，以進入預冷模式，冷機單元將有序進入預冷模式，如上所述。

3 結語

通過以上分析可知，良好的空調冷凍站智能控制系統可協調多套冷水組機合理運行，避免浪費能源的運行模式出現。通過包括備份/輪循功能、層疊功能、避免競爭運行功能、延時自啟動功能等一系列節能、安全運行控制模式，使數據中心空調能耗降低15%以上，因此空調冷凍站智能控制將是現代綠色數據中心的重要組成部分。