數據中心暖通空調水冷系統節能控制優化分析

文_王清江 福建省數字福建云計算運營有限公司

當前大型數據中心暖通空調的能耗問題已經得到社會的廣泛關注，作為長期以來電能消耗的“大戶”，我國相關規定中針對數據中心電能利用效率提出了更嚴格的要求，促使相關單位能夠選擇更加節能的暖通空調控制系統。例如在2019年，上海市的相關規定中明確提出所有新建數據中心的電能利用效率應小于1.3，因此面對政府部門相關能源政策緊縮的背景，則需要尋找一種更加科學有效的暖通空調水冷系統節能控制方案，這也是本次研究的主要目的。

1 數據中心暖通空調水冷系統節能改造中面臨的問題

根據當前部分數據中心在空調水冷系統節能改造中的經驗，發現當前工作中還存在以下幾方面的問題：①能源浪費一直是暖通空調存在的問題，再加之部分暖通空調系統的建成時間長，因此系統改造的難度高、工程量大。②暖通空調系統圖紙存在一圖多用的問題，在系統建設過程中忽視了數據中心的實際需求，最終導致系統運行冷量明顯超出實際冷量，這一現象會造成冷量冗余區間偏大，這也是加劇能源浪費問題的主要時間，而部分設備因為運行時間長，因此會出現嚴重的零部件磨損問題，不利于保證系統功能穩定性。

2 工程項目簡介

某數據中心共有4層，包括機柜4540臺，在該數據中心中共有列間空調598臺，其中冷水供/回水設計溫度為13℃/19℃。該數據中心暖通空調系統主要依托送風溫度控制水閥開度水平；在微模塊設計中使用了冷通道封閉的模式，其夏季冷風通道送風濕度超過80%。

根據案例數據中心的運行現狀可知，其暖通空調水冷系統在運行期間存在參數設置不合理的問題，根據調查發現，機房冷通道濕度報警每周超過1000次，而送風溫度報警次數每周更是高達2000條。這一現象不僅造成了嚴重的能源消耗，也增加工作人員的工作難度，并造成能源浪費等問題。

3 數據中心暖通空調水冷系統節能控制方案研究

3.1 冷源系統節能控制技術

3.1.1 控制邏輯

在數據中心運行過程中，暖通系統需要通過冷量達到快速降溫的效果，因此為了滿足節能控制優化的效果。本次研究研究中將配合傳感器來觀察數據以及輸配系統的狀態變化情況，借助感測信號、控制決定以及狀態辨識等多種控制邏輯指令，將信號傳遞給執行器，最終達到調整蒸發器運行工況的效果。同時，蒸發器運行工況的變化則會帶動輸配系統狀態變化，當傳感器再次識別其狀態變化信息后，即可調整設備進入到下一個循環中。根據上述過程，本文介紹了冷源系統節能控制系統的控制邏輯，詳細資料如圖1所示。

圖1 冷凝系統節能控制技術的控制邏輯

3.1.2 節能技術分析

根據介紹的案例數據中心可知，該數據中心的空調系統設備數量多，導致暖通空調水冷系統控制難度較高，此時假設單臺冷源主機的最大制冷量達到了，暖通空調的數量為N，當冷源主機的制冷量達到了N的95%時，證明冷凝主機所提供的冷量低于需求冷量，需要增加冷源主機數量。而當末端系統負荷下降，冷源主機可通過調整自身負荷的方法達到維持系統負荷的目的，這樣可以維持冷源主機的出水溫度相對恒定。若探測裝置發現冷源主機的制冷量≤（N-1）時，則證明冷源主機所產生的冷量高于數據中心的冷需求量，需要關閉若干臺主機。

同時當需要加開一臺冷源主機時可以降低冷源主機出水溫度來達到控制負荷的效果，相比之下較低的出水溫度有助于擴大末端設備傳熱溫差，最終達到提升傳熱量的效果。而假設數據中心冷源主機的出水溫度允許范圍為而當設備的制冷量達到N的95%，并且出水溫度高于時，可考慮降低出水溫度設定值約0.5℃；而當出水溫度設定值下降至甚至低于該數值時，出水溫度在一定時間內大于該設定值，之后系統控制另一臺冷源主機啟動。通過這種方法，可以有效解決傳統暖空通空調水冷系統長時間高負荷運行的問題，對于減少能耗的意義重大。

最后結合案例數據中心的實際情況可發現，該數據中心共有3臺冷卻塔，并且每個冷卻塔上分別配置了一個風機，假設每臺風機的功率用表示，其風量用表示，在部分負荷時需要的風量達到了2，此時風機的耗電量達到了。而相比之下，若3臺風機均采用均勻布水并且同時變速的運行方法來維持2的風量時，因為風機調節變速的影響，可以認為風機功率與轉速之間存在相關性，此時風機的總耗電量為：根據這組數據可以發現，3臺風機變速的耗電量僅為0.89，與兩臺風機全功率運行相比顯然具有更強的節能效果。

3.2 新風系統的節能控制技術

在傳統思維下新風系統的功能是稀釋室內有害氣體的濃度，而本文根據數據中心的高能耗問題，認為可以借助新風系統控制室內溫度，在空調系統運行期間，當新風被送至室內房間后，涼爽的新風可以承擔部分顯熱冷負荷，進而減少冷負荷的耗冷量，對于降低水冷系統能耗的意義重大。

3.2.1 控制邏輯

在新風系統的架構下增設室內外溫濕度傳感器，可以將室內外溫度信息轉變為可讀取信號上傳至調節器中，調節器采集信號后對比數據中心室內外信息，根據數據對比結果可以判斷是否進行控制調節，或者做出如何調節的指令；之后系統發出調控指令，執行器按照調控指令控制送新風的過程，完成一個循環。在循環一段時間后傳感器再次比較數據中心室內外的環境信息，根據參數變化判斷是否需要進行下一個循環。按照上文介紹的方法，新風系統的控制邏輯如圖2所示。

圖2 新風系統的控制邏輯結構圖

3.2.2 節能控制技術

假設案例數據中心的室外平均環境溫度達到了30℃，處理值送風狀態14℃時每100m3/h的需要消耗的冷量達到了1.15kW；而相比之下，空調環境下每100m3/h的需要消耗的冷量達到了2.5kW，相比之下新風系統與空調相比具有節能的優勢。

（1）承擔室內冷負荷的新風系統

在數據中心運行過程中，維持室內溫度恒定是暖通空調水冷系統必須要解決的問題，因此新風系統可以在確保滿足室內溫度標準的基礎上，承擔室內冷負荷新風系統需承擔的冷負荷，其中包含了部分室內顯熱負荷以及全部潛熱負荷。同時考慮到室外新風溫度并非恒定的，所以當室外新風溫度偏低時需要引入更大的風量，相反引入的新風量較小。且風機變速調節時，風機的功率與風機轉速的三次方成正比關系，而風機變速控制裝置的投資成本可在較短時間內全部回收。由此可知，對于承擔室內冷負荷的新風系統的風量需要采用風量連續調節方式。

同時在本次節能設計中需要注意的是，因為需要承擔室內冷負荷，所以在新風系統設計中控制水量能夠滿足送風濕度以及送風溫度的要求，并且考慮到外部環境下的濕度是動態變化的過程，因此為滿足這一要求，決定該系統中的水量采用連續調節控制的方式。

根據這一研究結果可以認為，為滿足節能要求，當新風系統承擔室內冷負荷的情況下應采用風量與水量連續控制的模式。

（2）不承擔室內冷負荷的新風系統

由于不需要承擔室內冷負荷，該新風系統只需要將新風輸送至指定房間即可，通過送風快速降低室內溫度。此時若采用連續調節控制的方法，當室內溫度下降至標準條件以下時，系統依然維持運行狀態，這一情況將會加劇能源消耗，不滿足本次設計的要求。所以為避免此類問題發生，最終決定采用風量通斷控制的方法，即數據中心內的溫度達到設定值后才會開啟新風系統，將新鮮的室外空氣輸送至室內。

3.3 末端系統節能技術

末端系統直接接觸數據中心環境，是維持室內溫度的重要組成部分，目前常見的末端系統主要分為對流式以及輻射式兩種類型。

3.3.1 控制邏輯分析

根據數據中心的特殊性，空調末端系統借助傳感器采集室內環境后，即可將室內溫度環境數據轉變為信號發送至調節器，調節器根據傳輸的信號與給定值比較，當判斷輸出數據中心的室內溫度超過設定值后制定調節策略；系統運行一段時間后，采集裝置第二次記錄室內溫度信息，根據實時溫度調節器改變工況運行，完成一個循環。

3.3.2 節能控制技術

在本次研究中采用了“空調處理機組＋風口末端”的節能技術，其中空調處理機組的功能是調整水量與風量變化，此時由于空氣處理機具有制冷量大的特征，因此只需要較少的空氣處理機組即可承擔數據中心降溫的要求。但如果采用了風量通斷控制的方法，在關閉后會造成氣流停滯，此時無論如何調節水量都不利于室內溫度下降。因此在數據中心暖通空調水冷系統運行過程中只存在3種控制模式，詳細資料如表1所示。

表1 3種控制模式

根據表1中介紹的三種控制模式，本文結合案例數據中心的實際情況展開判斷，結果顯示：①在對比編號1方案與編號2方案后，發現當其他條件相同的情況下，水量不變、風量減半情況下所減少的冷量比水量減半、風量不變時更多，根據這一結果可以認為，風量變化對空氣的影響更大。②在比較編號2與編號3的方案后可以發現，當采用水量與風量均連續調節的技術方案時，換熱量變換幅度更大、范圍更廣。同時在實驗中發現空氣處理機組中的送風量普遍為回風與新風相互混合的方法，假設所引入的新風量達到最小時，隨著數據中心室內負荷的上升，通過先調整風量則會造成更嚴重的能耗，所以可選擇先調整水量；而相比之下，因為編號2方案中不調節水量，單純依托調節風量的方法控制室內負荷，會造成更大的能源消耗。

3.4 節能改造效果評價

根據案例數據中心暖通空調水冷系統的優化方案后，結果顯示該技術方案在節能改造中發揮著重要作用，主要表現為：①通過使用節能控制技術，每周送風溫度過高的報警數量顯著下降，最低為每周57條；送風濕度過高的報警數量下降至每周81條。與改造前相比，可以通過相關節能改造技術方案有效解決報警數量偏多的問題。②有效降低了暖通空調系統的功率問題，達到了節能效果。相關數據顯示，末端空調運行功率在改造前為190kW左右，能耗較高；而在改造之后，其功率下降至140kW左右，數據比較，可以發現改造后空調的功率顯著下降，證明該項目在系統節能中的效果滿意。從長遠角度來看，本文所介紹的節能控制優化方法可以為暖通空調系統自動化控制提供支持，滿足工作人員實時監測數據中心溫度變化以及調控暖通空調水冷系統運行參數的工作需求，具有技術先進性。

4 結語

未來數據中心數量明顯增多，本文通過實現暖通空調水冷系統節能控制優化具有一定的生態效益以及經濟效益，并且實踐經驗也證明，本文所采取的技術應對手段取得了成功，具有可行性。而根據本次研究經驗本文認為，在數據中心暖通空調系統改造過程中，還需要充分考慮數據中心實際情況，能夠根據氣候環境等因素合理選擇節能工藝，這樣才能有效降低能耗，實現可持續發展的目標。