一種新型數據機房空調機組智能群控方法

徐東雨

（維諦技術有限公司，廣東 深圳 518055）

0 引 言

現在數據機房空調系統方案主要分兩種，一種是房間級空調系統，典型代表是地板下送風空調系統，另一種是列間級空調系統，典型代表是封閉冷通道空調系統。數據機房空調配置臺數都有冗余（備份），常為N+1。數據機房空調系統運行的過程中存在兩個問題[1]。

（1）為了滿足機房的空調備份要求，處于備份狀態的空調要一直運行，這樣會浪費電能。

（2）由于空調是獨立工作的，彼此之間可能存在競爭運行，例如某些空調在制冷，而另一些空調卻在制熱，這樣也會浪費電能。

為了解決這兩個問題，需要對機房空調進行集中控制，這就是空調群控方案。

現行空調群控方案可以實現如下功能：

（1）避免冗余設備長期運行而帶來的能耗浪費（待機備份）。

（2）有效地均衡機組運行時間，延長其使用壽命（輪巡）。

（3）避免同一機房內空調的競爭運行，有效地降低空調能耗（防競爭運行）[2]。

由于機房的冷負荷是動態變化的，現行空調群控方案存在如下缺點：

（1）不能自動對空調運行的臺數進行管理。

（2）不能對不同空調運行組合進行性能制冷負載系數（Cooling Load Factor，CLF）評估。

（3）不能對機房空調的總能效進行評估。

（4）無法發現最佳的空調運行組合，不能進一步提高機房的能源利用效率。

（5）不能發現機房空調系統氣流組織存在的問題。

1 新型技術方案

本文所提技術方案是一個新型的、智能的機房空調群控方案，是在既有的機房空調系統進行開發的，不會改變原有的空調系統，不僅能實現傳統空調群控方案的功能，還能有效地對空調運行的臺數進行管理，使運行空調的總制冷量與機房的冷負荷相配對，并自動選擇最優空調組合運行，從而達到節能目的。另外，還能對機房空調總能效進行評估，發現空調系統氣流組織存在的問題[3]。

1.1 技術方案主要功能的工作原理

（1）實時計算房間的冷負荷Q1：

式中，Qj為機房圍護結構的冷負荷；Ks為機房面積冷負荷指標，取90～150 W/m2；S為機房面積m2；Tw為機房室外溫度，℃；Tn為機房室內溫度℃；Δt為設計室外溫度與設計室內溫度差，可取12～18℃；Q1為機房的冷負荷；∑Mi為機房設備散熱形成的冷負荷，為機房配電柜（列頭柜）的智能電表的讀數之總和。

（2）根據Q1和空調的制冷量，啟動空調，使空調總的制冷量與Q1相匹配。其他未啟動的空調作為備機。

（3）當空調存在備機時，對空調輪流運行（輪巡），并記錄不同空調組合運行的制冷負載系數CLF。

（4）選擇制冷負載系數CLF最小的空調組合，長時間運行，并定期輪流運行其他符合要求空調組合。每次輪流運行結束，都要重新選擇CLF最小的空調組合。

1.2 制冷負載系數計算方法

如圖1從智能電表中讀取實時空調的總功耗∑Wi，列頭柜的總功耗∑Mi。計算制冷負荷系數：

圖1 智能電表中功耗讀取

CLF= ∑Wi/∑Mi。

1.3 其他功能

（1）氣流組織不合理報警條件：當空調輸出的總的額定制冷量>1.25×機房計算的冷負荷Q1，仍有機柜的進風溫度大于設定值，或有機柜進風高溫報警。

（2）空調系統運行效率低報警條件：空調組合能效比（Energy Efficiency Ratio，EER）EER=Q1/∑Wi<設定值，比如EER設定值為2.7。

（3）高溫備機功能條件：當達到溫度設定點上限，自動啟動高溫報警點最近的備用空調，當溫度達到高溫報警點，自動啟動剩余的備用空調[4]。

1.4 主要流程圖

運行最優空調組合流程如圖2所示。

圖2 運行最優空調組合流程

2 模型

機房概況如圖3所示，機房面積為17.18×12.6=216.67 m2，4排機柜，每排17個，每排機柜設計負載5 kW，配置5臺空調見表1。

圖3 機房概況

表1 5臺空調制冷量

（1）機房基本參數輸入：機房面積S=216.67 m2，冷負荷指標Ks=100 W/ m2，空調臺數5臺，制冷量見表1。空調編號與空調監控地址一一對應，見表1。

（2）讀取傳感器數據，計算機房冷負荷Q1。

讀取室內、外溫度傳感數值Tn、Tw，本案例室內溫度傳感數值Tn為T1的平均值25 ℃，室外溫度傳感數值Tw為T1的平均值30 ℃。計算機房結構冷負荷:

從智能電表讀取機房設備實際功率，計算設備散熱形成的冷負荷，即為4個列頭柜PDF的智能電表的之和∑Mi=168 kW。

計算機房冷負荷：

（3）根據Q1和可運行的空調的制冷量進行空調組合, 并定義各空調運行組合名稱。空調組合可以自動生成，也可手動輸入。本案例共5臺可能產生空調組合有1臺空調組合有5種、2臺空調組合有10種、3臺空調組合有10種、5臺空調組合有5種、5臺空調組合有1種，共31種空調組合如表2。

可運行空調組合原則：組合內的空調的制冷量之和大于Q1=175.22 kW。可以選取24個。

組合名稱為空調編號組合（比如135，即1號、3號、5號空調組合），如表2所示。

確定空調組合數量不能過多，可以限制組合內的空調的制冷量之和與Q1比值不大于150%。也可以對總數進行限制。表2黑體斜字的空調組合為可運行空調組合。

表2 31種空調組合

（4） 查詢運行記錄庫。當前機房狀態下，空調組合有無運行記錄。如果無，進入初始最優組合選擇程序。如果有，根據運行記錄各組合的CLF值進行排序，最小CLF的空調組合為最優組合，進入運行最優空調組合程序。

注意：進入初始最優組合選擇程序還是進入運行最優空調組合程序，組合內空調處于啟動狀態，其他空調處于待機狀態。

3 能耗分析

3.1 機房概況

假設夏季機房平均冷負荷為320 kW，春、秋兩季的平均冷負荷為270 kW，冬季的機房平均冷負荷為175 kW。空調相關參數見表3。

表3 空調相關參數

3.2 機房運行模式

模式一，機房空調熱備份模式，所有空調啟動。

模式二，機房空調熱備份模式，人工關閉部分空調，但保持的有一臺空調備份。

模式三，機房空調采用現行群控方式，一臺空調處待機狀態（室內風機停止狀態），其余4臺空調運行。

模式四，機房空調采用現行群控方式，人工調整群控方式，使空調運行臺數與機房冷負荷相匹配。

模式五，采用上述新型智能群控方式。

3.3 具體能耗分析

（1）模式一、模式二是明顯不節能的模式，不對其進行能耗分析。

（2）模式三能耗分析見表4。

表4 模式三能耗分析

a.單臺空調運行時長（日）：4*365/5=292日。4臺空調運行，1臺待機備份。

b.制冷能力：制冷量×運行時長（日）×24×3 600 kJ。

c.負載率：機房全年冷負荷冷量/總制冷能力。

d.室內風機功耗（空轉功耗）：室內風機功耗×運行時長（日）×（1-負載率）×24×3 600 kJ。

e.制冷功耗：制冷能力×負載率×運行時長（日）/ EER*24*3 600 kJ。

（3）模式四能耗分析。模式四（夏）能耗分析見表5。

表5 模式四（夏）能耗分析

單臺空調運行時長（日）：4×91/5=72.8日。4臺空調運行，1臺待機備份。

模式四（春秋）能耗分析見表6。

表6 模式四（春秋）能耗分析

單臺空調運行時長（日）：3×（91+92）/5 =109.8日。3臺空調運行，2臺待機備份。

模式四（冬）能耗分析見表7。

表7 模式四（冬）能耗分析

單臺空調運行時長（日）：2×91/5 =36.4日。2臺空調運行，3臺待機備份。

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

（4） 模式五能耗分析。模式五夏季能耗分析見表8。

表8 模式五夏季能耗分析

單臺空調運行時長（日）見表9。最優組合應是制冷負荷系數最小的組合，也就是能效比EER最高的組合，且組合內空調的制冷量之和為可運行組合的制冷量之和最小，但組合制冷量之和應大于機房冷負荷。最優組合運行時間，非最優組合輪巡時間分別為5天和1天。

表9 單臺空調運行時長（日）

單臺空調運行時長（日）：空調1單臺空調運行時長（日）= 91×運行時間百分比×4=79.63日。91為夏季的天數，4為組合的空調數量。

模式五春、秋季能耗分析見表10

單臺空調運行時長（日）見表11。

模式五冬季能耗分析見表12。

表12 模式五冬季能耗分析

單臺空調運行時長（日）見表13。

表13 單臺空調運行時長

模式五年耗電量（kWh）：

春秋季年耗電量（kWh）+夏季年耗電量（kWh）+冬季年耗電量（kWh）= 814 266.83 kWh

（5）能耗分析見表14。

從表14可以看出模式四比模式三節能的原因，是增加了手動加減載功能，節能率達到6%，但模式四在現實機房維護過程中,因需維護人員不停地根據機房負荷的變化,手動調節空調運行臺數,這很難實現。現在的機房空調實行的群控運行方式大都采用模式三。

表14 能耗分析

從表14可看出模式五比模式四也有明顯的節能效果，是因為增加了最優空調組合功能。如果機房空調的能效比分散度變大、空調臺數增多、最優組合運行時間增長，優選空調組合數量減少，這些因數會使最優空調組合功能對節能貢獻變得更大[5]。

4 增加成本分析

新型智能群控系統架構如圖4所示。現行群控系統架構如圖5所示。增加成本分析如表15所示。

圖4 新型智能群控系統架構

圖5 現行群控系統架構

表15 增加成本分析

（1）數據機房一般都有室內溫度傳感器，可以直接借用，但一般沒有室外溫度傳感器，就需要增加投入，成本很小。

（2）目前數據機房的配電柜、列頭柜、空調器大都已安裝智能電表，可以直接借用。如果沒有，就要增加投入，至少兩塊，一塊測量機柜的負載，另一塊測量空調的負載，成本也不高。

（3）如上所述，新型智能群控系統相比于現行群控系統投入成本增加并不多。

5 結 論

（1）新型智能群控系統能自動控制空調運行臺數，使空調的制冷量與機房冷負荷相匹配，相比現行的群控系統在節能方面有明顯的優勢,提高機房運行效率。

（2）新型智能群控系統能自動選擇空調最優組合（最節能組合）運行，進一步提高機房運行效率。