武允文+張大紅

摘 要：數(shù)據(jù)中心是公眾互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和企業(yè)局域網(wǎng)應(yīng)用以及云計算和大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部核心區(qū)域有比較嚴格的環(huán)境溫濕度控制的要求，特別是數(shù)據(jù)中心內(nèi)部核心區(qū)域中有大量的IT設(shè)備，這些IT設(shè)備發(fā)熱量巨大，冷源控制的好壞直接影響數(shù)據(jù)中心的運行。本文就此探討一下，數(shù)據(jù)中心冷源控制的意義和基本流程。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；集中冷源；冷源自控；系統(tǒng)調(diào)試

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

1 概述

數(shù)據(jù)中心承載著IT的應(yīng)用，是公眾互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和企業(yè)局域網(wǎng)應(yīng)用以及云計算和大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)中心承載了互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的產(chǎn)品、業(yè)務(wù)、理念和夢想、承載著企業(yè)業(yè)務(wù)運行的重大責(zé)任。

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部核心區(qū)域有比較嚴格的環(huán)境溫濕度控制的要求，特別是數(shù)據(jù)中心內(nèi)部核心區(qū)域中有大量的IT設(shè)備，這些IT設(shè)備發(fā)熱量巨大，即使是低功率密度的數(shù)據(jù)中心在內(nèi)部核心區(qū)域發(fā)熱量可達到每平方米1KW，而數(shù)據(jù)中心內(nèi)部核心區(qū)域面積經(jīng)常達到3000平方米以上。 因此，大型的數(shù)據(jù)中心通常會選擇采用集中的冷源中心向各區(qū)域供冷以達到滿足數(shù)據(jù)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(xù)性能力較好、運維工作比較簡單的目的。

2 數(shù)據(jù)中心冷源及控制系統(tǒng)的特點

2.1 制冷連續(xù)性的要求

數(shù)據(jù)中心在制冷的連續(xù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心在內(nèi)部核心區(qū)域發(fā)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(qū)域溫度上升速率可達到1℃--2℃/分鐘。

（3）環(huán)境溫度容限范圍?。喊凑宅F(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部核心區(qū)域溫度的控制范圍為23±2℃，環(huán)境溫度超過30℃時一些敏感的IT設(shè)備將可能發(fā)生宕機。

由于數(shù)據(jù)中心有上述的特殊要求，數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)的架構(gòu)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(yīng)等各個環(huán)節(jié)有不同于一般民用建筑物的冗余甚至容錯的系統(tǒng)配置，應(yīng)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(tǒng)的控制系統(tǒng)也因此與一般的民用建筑物有一些不同，只有充分理解數(shù)據(jù)中心核心訴求基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)，和覆蓋于合理完善的冷源系統(tǒng)上的冷源控制系統(tǒng)才是一個能夠滿足需求的數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)，二者缺一不可。

2.2 節(jié)能的要求

冷源系統(tǒng)節(jié)能的要求在固然在所有領(lǐng)域的應(yīng)用都有其訴求。但是，由于數(shù)據(jù)中心需要全年制冷和體量巨大的原因，節(jié)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(shù)據(jù)中心需要全年制冷使得利用大自然的自然冷源實現(xiàn)節(jié)能成為可能，其他節(jié)能或者控制運行成本的技術(shù)手段也有大量的應(yīng)用，例如利用電力公司級差電價的冰儲冷技術(shù)。

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(shè)置與其他節(jié)能運行方式（例如新風(fēng)、蒸發(fā)制冷）的模式切換控制也給冷源控制系統(tǒng)帶來了新的要求。

數(shù)據(jù)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(jié)能手段。

3 數(shù)據(jù)中心冷源自控系統(tǒng)的方法

3.1 數(shù)據(jù)中心冷源的類型

集中冷源由于具有利用自然冷源經(jīng)濟方便的原因以及在制冷連續(xù)性具有良好的表現(xiàn)，因此在稍有規(guī)模的數(shù)據(jù)中心有大量的應(yīng)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(shù)據(jù)中心集中冷源的基本運行模式

冷源自動控制系統(tǒng)因歷史原因?qū)儆诮ㄖ镒钥叵到y(tǒng)（BA系統(tǒng)）中重要的一部分，經(jīng)常就被稱為BA系統(tǒng)。我們以下對數(shù)據(jù)中心冷源自動控制系統(tǒng)簡稱為“數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)”。

一個比較典型的數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)，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(tǒng)組成。[1]

（1）機械制冷基本的啟動工作流程是這樣的：1）數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)管路閥門的開啟或關(guān)閉命令，冷凍水管路閥門被打開；2）數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)發(fā)出冷凍水水泵啟動的命令，冷凍水水泵運行并根據(jù)BA系統(tǒng)控制要求控制水泵轉(zhuǎn)速；3）數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)發(fā)出冷凍機組啟動的命令，冷凍水機組運行；4）數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)發(fā)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(diào)節(jié)。

（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(shè)置控制溫度人工干預(yù)啟動；2）數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)管路閥門的開啟或關(guān)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(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)確認冷凍水水泵已啟動或發(fā)出冷凍水水泵的命令，并根據(jù)BA系統(tǒng)控制要求控制水泵轉(zhuǎn)速；4）數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)依據(jù)冷凍水出水溫度，必要時啟動冷凍機組實現(xiàn)混合自然冷源模式的運行。

（3）應(yīng)急制冷的啟動工作流程是這樣的：1）一旦電力供應(yīng)中斷，冷凍水水泵由于采用UPS/EPS供電，冷凍水水泵維持連續(xù)運行；2）數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)管路閥門的開啟或關(guān)閉命令，控制儲冷水罐內(nèi)部之前存儲的低溫冷凍水向系統(tǒng)維持供冷，直到外部電力恢復(fù)后冷凍機恢復(fù)制冷能力；3）數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)發(fā)布命令控制系統(tǒng)切換到基本機械制冷的運行模式。

當(dāng)然，數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)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(shù)據(jù)中心集中冷源控制系統(tǒng)的特殊性

數(shù)據(jù)中心BA控制系統(tǒng)的特殊性首先表現(xiàn)在：在任何情況下，特別是在電力供應(yīng)中斷的情況下，數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)依然具有使得集中冷源系統(tǒng)連續(xù)運行以及制冷凍的能力。這種能力不但表現(xiàn)集中冷源系統(tǒng)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(xù)循環(huán)、系統(tǒng)配置有儲冷罐，平時蓄冷電力中斷時放冷。

這種能力還表現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)在發(fā)生任何單一故障時依然具有一定的能力，使得數(shù)據(jù)中心集中冷源系統(tǒng)保持一定程度的連續(xù)制冷。

可用的數(shù)據(jù)中心BA控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)中心BA控制系統(tǒng)安全運行。

（2）控制系統(tǒng)內(nèi)部單點故障的容錯。

4 數(shù)據(jù)中心冷源控制系統(tǒng)的調(diào)試

數(shù)據(jù)中心冷源控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試步驟如下：

4.1 自控設(shè)備與受控設(shè)備的單體調(diào)試

4.1.1 傳感器調(diào)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(xiàn)場用標(biāo)準(zhǔn)溫濕度計測得的值比較，以判斷該傳感器是否準(zhǔn)確。

風(fēng)管式壓差傳感器：通常用于送風(fēng)壓差，室內(nèi)壓差等的監(jiān)測。調(diào)試時可用三通把標(biāo)準(zhǔn)壓差計與壓差傳感器并聯(lián)，在中央站上讀出傳感器的測量值與標(biāo)準(zhǔn)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(jiān)測，通常在安裝壓力傳感器的附近同時安裝有現(xiàn)場壓力表，可對照中央站讀出的數(shù)值與現(xiàn)場壓力表的數(shù)值，數(shù)據(jù)一致為正常。

4.1.2 驅(qū)動器調(diào)試

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

4.1.3 DDC調(diào)試

第一類：現(xiàn)場控制器調(diào)試。

開始調(diào)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(xiàn)場控制器電源處于關(guān)閉狀態(tài)。

通電后，連接手提電腦登錄至全局控制器并設(shè)定其地址、設(shè)置日期和時間。

第二類：全局控制器調(diào)試。

開始調(diào)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(guān)閉狀態(tài)。

通電后，連接手提電腦登錄至全局控制器并設(shè)定其地址、設(shè)置日期和時間。

4.2 系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)調(diào)試

在單體調(diào)試的完成的基礎(chǔ)上，把手提電腦接入現(xiàn)場控制器后，現(xiàn)場控制器本身直接控制的未端設(shè)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(wǎng)就算正常運行。

在自控中心里，接上網(wǎng)絡(luò)控制器和計算機，在單機調(diào)試和支網(wǎng)調(diào)試的基礎(chǔ)上，整個BA系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)調(diào)試成功。

4.3 系統(tǒng)檢查與測試

BA系統(tǒng)的調(diào)試將先后進行兩大部分測試：單點測試和系統(tǒng)功能測試[3]。

4.3.1 單點測試

數(shù)字量輸入點（DI）測試：閥門開關(guān)狀態(tài)、空調(diào)機組狀態(tài)、報警狀態(tài)等；

數(shù)字量輸出點（DO）測試：閥門開關(guān)控制、空調(diào)機組控制、設(shè)備恢復(fù)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(yīng)的測量值；

模擬量輸出點（AO）測試：調(diào)節(jié)閥開度控制、閥門開度調(diào)節(jié)。

4.3.2 系統(tǒng)功能測試

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求以及各設(shè)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(shù)調(diào)整，確保滿足系統(tǒng)要求。對于數(shù)據(jù)中心BA制冷控制系統(tǒng)不同于一般BA制冷控制系統(tǒng)有以下需要重點檢測與驗證的內(nèi)容：

（1）儲冷系統(tǒng)儲冷與應(yīng)急放冷的檢測與驗證。

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

（3）中央控制系統(tǒng)故障離線，中央控制系統(tǒng)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(jié)語

數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)由于對制冷連續(xù)性有不同于一般民用建筑物應(yīng)用的要求，不但制冷系統(tǒng)的配置有很多不同以外，數(shù)據(jù)中心BA制冷控制系統(tǒng)也有一些不同于一般BA制冷控制系統(tǒng)的考慮，數(shù)據(jù)中心BA制冷控制系統(tǒng)要求在各種情況下保持數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)盡量維持連續(xù)運行。

本文僅從維持制冷連續(xù)性的角度討論了數(shù)據(jù)中心BA制冷控制系統(tǒng)應(yīng)考慮的要點，為了達到這個目的，可以采用的實現(xiàn)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(shù)據(jù)中心集中冷源空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計綜述[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2014.10，P15 - P26.

[2]楊世忠，邢麗娟.智能建筑中空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能方法[J].智能建筑電氣技術(shù)2009.02，P32- P34.

[3]中國電子工程設(shè)計院主編.GB50174《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》，2008.