孫海峰

中國移動上海公司

0 前言

本文探討高效安全節(jié)能數(shù)據(jù)中心的冷凍水系統(tǒng)設(shè)計與控制一體化的概念，一流的全變頻冷凍水系統(tǒng)的節(jié)能效果進(jìn)一步提高40%～60%。系統(tǒng)通過采用特殊的設(shè)計方法和更直接的基于功率的控制方式，使系統(tǒng)內(nèi)的變速設(shè)備有序運行，不僅可減少冷凍水系統(tǒng)的能耗，而且可改善冷凍水系統(tǒng)的性能、可靠性、冗余度、擴(kuò)展性和降低維護(hù)需求，并大幅度延長冷凍水系統(tǒng)使用壽命。

1 系統(tǒng)設(shè)計與選型

數(shù)據(jù)中心冷凍水系統(tǒng)設(shè)計可以采用模塊式選型方法，以便通過階梯式增大容量的方法使其始終匹配數(shù)據(jù)中心不同階段的制冷容量需求；或采用另一種方法，即首先按預(yù)測數(shù)據(jù)中心在未來滿負(fù)荷工作條件下可能出現(xiàn)的最大制冷容量需求來設(shè)計。無論采用何種方法，設(shè)計中必須考慮冷凍水系統(tǒng)具有富余容量以滿足未來需求，同時考慮到可以提高數(shù)據(jù)中心設(shè)備熱負(fù)荷密度的快速發(fā)展。熱負(fù)荷密度的不斷提高導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心處理與存儲設(shè)備的換代周期縮短，每隔3～5年就不得不更新這些設(shè)備。設(shè)備的更新?lián)Q代不僅不能在現(xiàn)有設(shè)備占地面積的基礎(chǔ)上新增占地空間，相反還要增大數(shù)據(jù)中心的處理能力和存儲容量。不過，制冷系統(tǒng)的使用壽命在20年以上，因此在設(shè)計時必須考慮使用壽命期內(nèi)上述設(shè)備的更新?lián)Q代。在正確控制數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)，正確選擇系統(tǒng)部件，使組件彼此之間的工作如同單一系統(tǒng)一樣協(xié)調(diào)一致，則系統(tǒng)級電氣和機(jī)械子系統(tǒng)的使用壽命將進(jìn)一步提高20%～30%。

鑒于數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)在變負(fù)載條件下具有較大的工況設(shè)計范圍的需求，因此對其在部分負(fù)荷工作條件下的可靠性和效率有極高的要求。需要滿足數(shù)據(jù)中心不斷變化的、苛刻的制冷容量需求，最有效的方法是使用變速部件（冷凍機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)）并采用與這些變速設(shè)備具體特定工作特性相適應(yīng)的控制策略。

冷凍主機(jī)及其他子系統(tǒng)（包括管路和CRAC機(jī)組）的選型必須滿足當(dāng)前及未來的制冷需求。由于數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)大部分時間都是非滿負(fù)荷工作，因此設(shè)備選型就應(yīng)基于非滿負(fù)荷條件下的效率來考慮。變速冷凍機(jī)可以提高部分負(fù)荷條件下的能效。因為定速冷凍機(jī)只有在滿負(fù)荷運行時才能達(dá)到最高能效，而在非滿負(fù)荷（100%以下任何負(fù)載率）工作條件下，其能效都會不同程度地降低。因此，為數(shù)據(jù)中心制冷需求選擇定速冷凍主機(jī)時總是以其滿負(fù)荷工作條件下的能效為依據(jù)，雖然它大部分時間并非在滿負(fù)荷的狀態(tài)下工作。針對定速冷凍機(jī)的任何控制策略，即讓所有關(guān)聯(lián)設(shè)備（包括按冷凍主機(jī)進(jìn)行時序控制的冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)）始終滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)。這意味著對于具有多臺冷凍主機(jī)的制冷系統(tǒng)來說，“基于容量的時序控制”無疑會成為最常采用的控制策略。此慣用策略（多冷凍主機(jī)加載時序控制策略）通過“啟/停循環(huán)”來確保部分冷凍機(jī)首先以其滿負(fù)荷容量（及其最佳能效點）運行，而當(dāng)負(fù)荷增加時繼續(xù)加載隊列中的下一臺冷凍主機(jī)。這種基于容量的冷凍主機(jī)加載/卸載時序控制策略具有諸多缺點——設(shè)備壽命短、能效低就是其中的兩個方面。

設(shè)備壽命縮短是因為通過“啟/停循環(huán)”加載/卸載設(shè)備使制冷系統(tǒng)輸出容量匹配數(shù)據(jù)中心的制冷需求。在“啟/停循環(huán)”模式下每啟動一次電機(jī)，電機(jī)繞組將經(jīng)歷一次較大的啟動電流，并讓電機(jī)承受較大的應(yīng)力，從而縮短電機(jī)壽命。由于電機(jī)從怠速、加速至全速需要加大轉(zhuǎn)矩，因此電機(jī)的啟動電流可能高達(dá)電機(jī)滿載電流的10倍。相反，變頻器可以具有“軟啟動功能”，可以讓電機(jī)緩緩加速至需要的工作速度。它可減小施加到電機(jī)上的機(jī)械和電氣應(yīng)力，降低維護(hù)和維修成本，同時延長電機(jī)使用壽命。

數(shù)據(jù)中心大部分時間都處于部分負(fù)荷條件，定速設(shè)備在非滿負(fù)荷工作條件下全速運轉(zhuǎn)就無法確保高能效。在使用定速設(shè)備而非變速設(shè)備的情況下，通常采用機(jī)械節(jié)流措施來限制流量，卸載部分設(shè)備，降低輸出容量，使其匹配非滿負(fù)荷條件下的制冷需求。機(jī)械節(jié)流措施包括：

·調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)葉開度，以顯示進(jìn)入壓縮機(jī)的流量

·調(diào)節(jié)泵閥門開度

·調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)節(jié)氣閥

·設(shè)定靜壓和壓差

目前廣泛應(yīng)用的上述解決方案（在部分負(fù)荷工作條件下卸載全速工作的定速設(shè)備）是一種低效的控制策略。

2 一體化控制策略

“一體化控制法”替代基于容量的啟/停循環(huán)（加載/卸載時序控制）。變速提供了更高效、更可靠的節(jié)能解決方案，它能在較寬的工作設(shè)計范圍內(nèi)隨著數(shù)據(jù)中心熱負(fù)荷的不斷變化而高效地響應(yīng)運行。同時，需要采用一種適用于變速設(shè)備工作特性的控制策略，使其能重新發(fā)揮所有變速設(shè)備的優(yōu)勢。在變速制冷系統(tǒng)中，所有電動設(shè)備的轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷的增減而增減（此方案完全不同于在非全負(fù)荷條件下讓定速設(shè)備全速運轉(zhuǎn)同時采用機(jī)械限流的措施來控制流量）。壓縮機(jī)一旦使用了變頻器（VFD），泵和風(fēng)機(jī)在非滿負(fù)荷條件下的效率都會得到提高。由于泵和風(fēng)機(jī)的運行遵循“功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比（P∝N3）”的定律，因此，節(jié)能的潛力是非常巨大的。

如果允許電動設(shè)備按其“自然曲線”靈活運行，當(dāng)流量每減小50%，則相當(dāng)于額定功率減少12.5%（0.53）。工作效率將提高400%（=50%/12.5%）。實現(xiàn)該效率提升的條件是讓泵和風(fēng)機(jī)的壓力-轉(zhuǎn)速關(guān)系始終按“自然曲線”維持在較低轉(zhuǎn)速的條件下。流量減小50%就相當(dāng)于壓力減小25%（0.52）。

為讓上述設(shè)備在其最高效的狀態(tài)下運行，需使其在任何負(fù)荷條件下都能靈活地維持流量-壓力關(guān)系，并按各自的理想工作曲線（圖1）運行。傳統(tǒng)的控制策略要求水泵在機(jī)房總供水管和總回水管之間的壓差維持在某一固定值或最小值。這樣，泵將按圖1所示的“固定壓差曲線”運行。這意味著為維持這個既定的壓差值，泵實際耗能遠(yuǎn)高于本身需要，而且泵根本不能按其“自然曲線”或“最佳效率點”運行。理想條件下，如果系統(tǒng)對壓力的要求更為苛刻，則壓差傳感器應(yīng)最好放在CRAC機(jī)組的位置，以便泵能在轉(zhuǎn)速/流量以及揚程不斷變化的情況下，按理想的流量-壓力關(guān)系運行并維持這種理想流量-壓力關(guān)系。

圖1 泵運行自然曲線

按“自然曲線時序控制”策略，在所有負(fù)荷條件下，所有變速冷凍機(jī)將按時序加載并按各自的自然曲線運行。在每一臺冷凍主機(jī)的加載曲線上都有特定冷水供給溫度和冷凝器進(jìn)水溫度的理想點，在此理想點上，冷凍主機(jī)能達(dá)到其最佳能效。通過找到特定冷水供給溫度對應(yīng)的4個冷凝器進(jìn)水溫度理想點，可畫出每一臺冷凍主機(jī)的自然曲線。每個理想點都分別是4條冷凝器水溫曲線中的最低點（kW/ton最小值點）。沿四個點畫線就可以得到自然曲線，如圖2所示。在所有運行條件下，冷凍機(jī)將只按其自然曲線運行，確保在所有負(fù)荷條件下達(dá)到最佳的能效。

圖2 冷凍機(jī)運行自然曲線

基于冷凍水的數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)在以下條件下可以達(dá)到能效峰值：（1）采用變速設(shè)備；（2）根據(jù)制冷系統(tǒng)所服務(wù)的數(shù)據(jù)中心的熱負(fù)荷對所有子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制。當(dāng)變速冷凍主機(jī)、泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)的運行與采用EC風(fēng)機(jī)（電子控制自動啟/停切換風(fēng)機(jī)）技術(shù)的冷凍水制冷CRAC機(jī)組的運行相互協(xié)同時，冷卻系統(tǒng)的效率將大大提高。目前的數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)是基于以下子系統(tǒng)運行的，每個子系統(tǒng)具有自己獨立的PID（比例微積分）反饋回路。

1.CRAC機(jī)組（計算機(jī)房空調(diào)機(jī)組）

2.冷凍主機(jī)

3.冷卻水系統(tǒng)

3 冷卻塔風(fēng)機(jī)

在這4個子系統(tǒng)中，每個子系統(tǒng)都能獨立高效運行。然而，由于子系統(tǒng)間的獨立性，它們之間無法完美地協(xié)調(diào)工作，整個機(jī)房/系統(tǒng)并不能達(dá)到效率峰值。將這4個子系統(tǒng)與基于網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系控制器結(jié)合，則可對所有部件實施優(yōu)化，使它們的協(xié)調(diào)程度達(dá)到單個機(jī)組的效果。

PID（比例微積分）控制器的應(yīng)用已有幾十年，是一種非常簡單的線性過程通用的控制器。PID反饋控制回路能高效控制單臺設(shè)備，控制單個控制回路上的單個變量/參數(shù)，比如壓力或溫度。任何存在狀態(tài)變化的過程對于PID控制器來說都是非常復(fù)雜的。作為控制網(wǎng)絡(luò)（與若干不同裝置通信并實施控制的網(wǎng)絡(luò)）的一部分，PID控制器固有的靈活性根本無法適應(yīng)HVAC應(yīng)用中可能碰到的各種變負(fù)荷情況。因此，需要其他控制方法來提升冷凍機(jī)房的性能。

數(shù)據(jù)中心冷凍水制冷系統(tǒng)采用“基于功率的轉(zhuǎn)速控制”和“基于功率時序控制”來實現(xiàn)高效安全節(jié)能優(yōu)化?！盎诠β实霓D(zhuǎn)速控制”采用一種被稱作“等邊際原則”的控制方法來計算和確定冷凍機(jī)、冷卻泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)之間的最佳功率關(guān)系。此控制方法在三個子系統(tǒng)之間進(jìn)行負(fù)載與效率的平衡，從而獲得最佳的系統(tǒng)凈效率。另外，“基于功率的時序控制”替代了傳統(tǒng)低效的控制方法，即“基于容量的電動設(shè)備時序控制方法”，控制方法為滿足數(shù)據(jù)中心不斷變化的負(fù)荷，使工作中的設(shè)備全速運轉(zhuǎn)，直至按時序加載或卸載一臺設(shè)備。而按“基于功率的時序控制”方法，在非滿負(fù)荷條件下，組成設(shè)備將始終按其自然曲線在效率峰值狀態(tài)下工作。通過確定系統(tǒng)最佳效率并在所有系統(tǒng)組成設(shè)備之間進(jìn)行功率-效率的平衡，讓所有工作負(fù)載的制冷需求得到滿足。這種平衡可以在許多低速運轉(zhuǎn)的設(shè)備之間實現(xiàn)，充分利用前述“相似定律”的好處。可聯(lián)控由兩臺各以50%轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)的設(shè)備或三臺各以33%轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)的設(shè)備從而達(dá)到節(jié)能效果呈幾何級（三次方）增長，并有更大的傳熱區(qū)域可供使用。完全有別于傳統(tǒng)“基于容量的時序控制”依靠一臺設(shè)備全速運轉(zhuǎn)來滿足負(fù)載的制冷需求，避免因而造成過多不必要的能耗。）

4 案例分析

某數(shù)據(jù)中心項目，業(yè)主為世界范圍內(nèi)具有影響力的線上商場，全球超5億的在線用戶，超500個城市的買家和賣家進(jìn)行線上交易，對于交易安全性十分重視，同時也希望制冷能效有所提升。數(shù)據(jù)中心的冷凍水系統(tǒng)配置6臺600噸的變頻冷凍機(jī)，4用2備運行，前期能效提升小組收集有關(guān)制冷系統(tǒng)設(shè)備、管路輸出、控制等方面的信息后，定制了冷凍機(jī)房自動控制系統(tǒng)（圖3），并利用冗余設(shè)備，將6臺冷凍機(jī)都投入了運行，不僅解決了制冷系統(tǒng)能效提升，而且在線制冷系統(tǒng)并網(wǎng)亦提高了系統(tǒng)安全性和可用性。項目小組解決方案使原始的制冷系統(tǒng)效率從0.83kW/t提高到了0.52 kW/t，年運行成本也從$804K降低到了$493K，已投入運行1 000天以上。

圖3 冷凍機(jī)房自動控制系統(tǒng)

5 結(jié)論

現(xiàn)有的自動控制技術(shù)可以極大地提高數(shù)據(jù)中心冷凍水系統(tǒng)的能效，降低了總碳排放量，同時改善了冷凍水系統(tǒng)的性能、可靠性、冗余度、擴(kuò)展性，降低維護(hù)需求，并大幅度延長冷凍水系統(tǒng)使用壽命。通過采用全新的控制方法和變頻驅(qū)動技術(shù)，并將此技術(shù)與系統(tǒng)整體控制策略相結(jié)合，充分利用變速設(shè)備的獨特優(yōu)勢，對這些設(shè)備進(jìn)行時序控制，與子系統(tǒng)協(xié)同工作，在挖掘數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的節(jié)能效果的同時，使系統(tǒng)具備優(yōu)良的整體性能和可靠性。對于此新技術(shù)的運用，有待于被用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心冷凍水制冷系統(tǒng)效率的最大化，使其達(dá)到“節(jié)能60%”的目標(biāo)。