周康樂

（中元國際（上海）工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200137）

1 空調(diào)系統(tǒng)簡介

某數(shù)據(jù)機(jī)房坐落于南京，該地區(qū)四季分明，夏季高溫、高濕，氣溫近40℃，冬季寒冷、潮濕，氣溫接近-10℃?？照{(diào)系統(tǒng)采用冷機(jī)與冷卻水聯(lián)合供冷系統(tǒng)，主冷源為水冷離心機(jī)組4臺（3+1冗余，單臺功率為4500kW），輸配系統(tǒng)泵組4套（3+1冗余），冷卻塔各4臺（3+1冗余）；輔助冷源為冷卻水，利用冷卻塔蒸發(fā)冷卻降溫；應(yīng)急冷源為蓄冷罐4臺，其充冷量為系統(tǒng)計(jì)算工況下的15min冷負(fù)荷。每組獨(dú)立并聯(lián)，如圖1所示。

圖1 單個(gè)制冷模塊流程簡圖

機(jī)房內(nèi)空調(diào)配置為水冷機(jī)房專用空調(diào)。系統(tǒng)配置一套主控制器，位于調(diào)度大廳，分控制器位于各樓面及冷凍機(jī)房，需要控制的設(shè)備有水冷離心機(jī)組、輸配系統(tǒng)泵組、冷卻塔、板式換熱器、機(jī)房專用空調(diào)、蓄冷罐以及管路上配置各類電動(dòng)閥。

2 機(jī)房空調(diào)設(shè)備節(jié)能運(yùn)行分析

根據(jù)一年四季的溫度變化，為了達(dá)到節(jié)能的目的，水冷離心機(jī)組開啟的時(shí)間占比越低越好，故派生出了三種運(yùn)行模式：電驅(qū)動(dòng)冷機(jī)供冷模式、非電冷卻水循環(huán)供冷模式以及介于兩者之間的冷機(jī)冷卻水聯(lián)合供冷模式。在每一種模式中，冷機(jī)開機(jī)負(fù)荷占比越低也就越節(jié)能，下面梳理三種模式中降低冷機(jī)開啟比例的控制策略。

2.1 電驅(qū)動(dòng)冷機(jī)供冷模式下的加減機(jī)策略

當(dāng)溫度傳感器收到冷凍水回水溫度低于設(shè)定值0.5℃，并持續(xù)10min，冷凍機(jī)組根據(jù)自身出廠設(shè)置進(jìn)行減載，當(dāng)單臺設(shè)備負(fù)載低于25%時(shí)，主控制器即發(fā)出間減機(jī)命令：停止制冷機(jī)組→停止冷卻塔風(fēng)扇運(yùn)行→延時(shí)輸配系統(tǒng)水泵→延時(shí)關(guān)閉制冷機(jī)組冷凍水側(cè)的進(jìn)水蝶閥→關(guān)閉制冷機(jī)組冷卻水側(cè)的進(jìn)水蝶閥→控制制冷機(jī)組冷卻水側(cè)的旁通蝶閥至全開→關(guān)閉板換冷卻側(cè)的進(jìn)水蝶閥→控制板換冷卻側(cè)的旁通蝶閥至全開。反之，當(dāng)溫度傳感器收到冷凍水回水溫度高于設(shè)定值0.5℃，并持續(xù)10min，冷凍機(jī)組先進(jìn)行加載，當(dāng)單臺負(fù)載高于90%時(shí)，主控制器發(fā)出加機(jī)命令：打開冷卻塔進(jìn)出水蝶閥→啟動(dòng)冷卻塔風(fēng)扇→打開板換冷卻水側(cè)的進(jìn)水蝶閥→關(guān)閉板式換熱器冷卻水側(cè)的旁通蝶閥→關(guān)閉制冷機(jī)組冷卻水側(cè)的進(jìn)水蝶閥→控制制冷機(jī)組冷卻水側(cè)的旁通蝶閥至全開→開啟輸配系統(tǒng)水泵。

2.2 冷機(jī)冷卻水聯(lián)合供冷模式下的加減機(jī)策略

當(dāng)溫度傳感器收到回水溫度低于設(shè)定值0.5℃，并持續(xù)10min，冷凍機(jī)組根據(jù)自身出廠設(shè)置進(jìn)行減載，當(dāng)單臺設(shè)備負(fù)載低于25%時(shí)，主控制器即發(fā)出減機(jī)命令：關(guān)閉進(jìn)入冷機(jī)冷凝器的旁通閥→停止制冷機(jī)組→停止運(yùn)行冷卻塔風(fēng)扇→延時(shí)輸配系統(tǒng)水泵→延時(shí)關(guān)閉制冷機(jī)組冷凍水側(cè)的進(jìn)水蝶閥→關(guān)閉制冷機(jī)組冷卻水側(cè)的進(jìn)水蝶閥→控制制冷機(jī)組冷卻水側(cè)的旁通蝶閥至全開→關(guān)閉板換冷卻側(cè)的進(jìn)水蝶閥→控制板換冷卻側(cè)的旁通蝶閥至全開。反之，當(dāng)溫度傳感器收到回水溫度高于設(shè)定值0.5℃，并持續(xù)10min，冷凍機(jī)組先經(jīng)行加載，當(dāng)單臺負(fù)載高于90%時(shí)，主控制器發(fā)出加機(jī)命令：打開冷卻塔進(jìn)出水蝶閥→啟動(dòng)冷卻塔風(fēng)扇→打開板換冷卻水側(cè)的進(jìn)水蝶閥→關(guān)閉板換冷卻水側(cè)的旁通蝶閥→控制制冷機(jī)組冷卻水側(cè)的進(jìn)水蝶閥至全開→控制制冷機(jī)組冷卻水側(cè)的旁通蝶閥至全關(guān)→打開制冷機(jī)組冷凍水側(cè)的進(jìn)水蝶閥→開啟輸配系統(tǒng)水泵→啟動(dòng)制冷機(jī)組→啟用冷凝器旁通閥比例調(diào)節(jié)。

2.3 非電冷卻水循環(huán)供冷模式下的加減機(jī)策略

當(dāng)系統(tǒng)冷凍水回水溫度低于設(shè)定值0.5℃，并持續(xù)10min，系統(tǒng)將調(diào)整冷卻塔風(fēng)扇的運(yùn)行頻率，當(dāng)其頻率低于40Hz時(shí)，主控制器發(fā)出減機(jī)命令：停止冷卻塔風(fēng)扇運(yùn)行→延時(shí)輸配系統(tǒng)水泵→延時(shí)后關(guān)閉制冷機(jī)組冷凍水側(cè)的進(jìn)水蝶閥→關(guān)閉制冷機(jī)組冷卻水側(cè)的進(jìn)水蝶閥→控制制冷機(jī)組冷卻水側(cè)的旁通蝶閥至全開→關(guān)閉板換冷卻側(cè)的進(jìn)水蝶閥→控制板換冷卻側(cè)的旁通蝶閥至全開。反之，當(dāng)系統(tǒng)冷凍水回水溫度高于設(shè)定值0.5℃，并持續(xù)10min，系統(tǒng)將調(diào)整冷卻塔風(fēng)扇的運(yùn)行頻率，當(dāng)其頻率恢復(fù)到50Hz后，主控制器發(fā)出加機(jī)命令：打開冷卻塔進(jìn)出水蝶閥→啟動(dòng)冷卻塔風(fēng)扇→打開板換冷卻水側(cè)的進(jìn)水蝶閥→關(guān)閉板換冷卻水側(cè)的旁通蝶閥→關(guān)閉制冷機(jī)組冷卻水側(cè)的進(jìn)水蝶閥→控制制冷機(jī)組冷卻水側(cè)的旁通蝶閥至全開→開啟輸配系統(tǒng)水泵。

很明顯，在正常運(yùn)行中，只使用冷卻塔換熱，不開制冷機(jī)組或少開制冷機(jī)組是最節(jié)能的。在系統(tǒng)處于電驅(qū)動(dòng)冷機(jī)供冷模式下，采集冷卻塔周邊的空氣濕球溫度，當(dāng)其低于11℃，對應(yīng)冷塔出口水溫為15.5℃，且冷卻塔運(yùn)轉(zhuǎn)頻率低于40Hz，此狀況持續(xù)運(yùn)行20min系統(tǒng)將切換進(jìn)入冷機(jī)冷卻水聯(lián)合供冷模式。此時(shí)，打開板式換熱器冷卻水側(cè)旁通，系統(tǒng)冷凍水回水18度先與冷卻水15.5℃進(jìn)行換熱后，再進(jìn)入冷機(jī)，隨之而來的進(jìn)入冷機(jī)的水溫將低于18度，并進(jìn)入冷機(jī)的減載減機(jī)模式。當(dāng)室冷卻塔周邊的空氣濕球溫度繼續(xù)降低，空氣濕球溫度低于4℃，對應(yīng)冷塔出口水溫為10.5℃，且冷卻塔運(yùn)轉(zhuǎn)頻率低于40Hz，此狀況持續(xù)運(yùn)行20min，進(jìn)入非電冷卻水循環(huán)供冷模式，此時(shí)將板式換熱器冷卻水側(cè)旁通全開，系統(tǒng)冷凍水回水18℃先與冷卻水10.5℃進(jìn)行換熱后，已降低至冷凍水供水溫度12℃，完全可以提供系統(tǒng)需要，同時(shí)，逐步卸載直至關(guān)閉冷機(jī)。

反之，在系統(tǒng)處于完全冷卻水間接供冷模式時(shí)，當(dāng)板換冷凍水入口水溫高于設(shè)定值0.5℃，且長達(dá)20min時(shí)，說明僅靠冷卻水循環(huán)供冷是不足以滿足空調(diào)末端全部需求的。此時(shí)，應(yīng)開啟制冷機(jī)組，系統(tǒng)進(jìn)入冷機(jī)冷卻水聯(lián)合供冷模式。當(dāng)冷卻塔周邊的空氣濕球溫度高于12℃，對應(yīng)冷塔出口水溫為17℃，且冷卻塔運(yùn)轉(zhuǎn)頻率高于40Hz（可調(diào)），此狀況持續(xù)運(yùn)行20min。此時(shí)，冷卻水17℃與冷凍水回水18℃間溫差已很小，系統(tǒng)關(guān)閉通往板式換熱器的旁通蝶閥，全部的負(fù)荷均由制冷機(jī)組提供，即進(jìn)入電驅(qū)動(dòng)冷機(jī)供冷模式。關(guān)閉通向板式換熱器的冷卻水旁通閥，系統(tǒng)進(jìn)入完全冷機(jī)供冷模式，并按溫度設(shè)定逐步加機(jī)。

3 系統(tǒng)安全性復(fù)核

對于數(shù)據(jù)機(jī)房的空調(diào)系統(tǒng)而言，一套成熟完備的系統(tǒng)不僅僅是節(jié)能的，也需是安全的、可靠的。將剛才所建立的多工況切換系統(tǒng)進(jìn)行安全性復(fù)核，并增加其他保障措施，使之更加完善。

3.1 電網(wǎng)斷電

當(dāng)市政電網(wǎng)斷電時(shí)，系統(tǒng)的蓄冷罐將發(fā)揮作用。主控制器接收到斷電信號，并人工復(fù)驗(yàn)斷電屬實(shí)后，發(fā)出蓄冷罐放冷指令。此時(shí)，保持原有系統(tǒng)開關(guān)閥門、輸配系統(tǒng)水泵的原有狀態(tài)；冷凍水泵運(yùn)轉(zhuǎn)頻率轉(zhuǎn)為固定值；關(guān)閉制冷站相應(yīng)電動(dòng)閥門，開啟蓄冷罐相應(yīng)電動(dòng)閥，冷凍水泵保持運(yùn)行，將蓄冷罐冷水輸送至末端空調(diào)系統(tǒng)。同時(shí)，監(jiān)測蓄冷罐溫度，當(dāng)蓄冷罐出水傳感器高于14℃，系統(tǒng)發(fā)出警告；當(dāng)其中一個(gè)傳感器溫度高于15℃時(shí)，發(fā)出更高級別警告。

3.2 電網(wǎng)恢復(fù)

當(dāng)市政電網(wǎng)恢復(fù)時(shí)，且人工復(fù)驗(yàn)恢復(fù)屬實(shí)后，系統(tǒng)將恢復(fù)原有工作模式。按加機(jī)策略逐步加機(jī)至原有狀態(tài)，并維持2h以上，經(jīng)人工判定，系統(tǒng)已恢復(fù)正常；接著對蓄冷罐進(jìn)行補(bǔ)冷，使其恢復(fù)原有儲(chǔ)備；逐步對制冷機(jī)組進(jìn)行加載，當(dāng)系統(tǒng)水量富余，蓄冷罐旁路的壓差閥自動(dòng)開啟，將系統(tǒng)多余冷凍水通過壓差閥流向蓄冷罐。此時(shí)，蓄冷罐偏高溫度的罐內(nèi)水回流至冷機(jī)進(jìn)行降溫，當(dāng)蓄冷罐溫度恢復(fù)至12℃后，關(guān)閉蓄冷罐充冷旁路，冷機(jī)根據(jù)其回水溫度進(jìn)行減機(jī)，恢復(fù)原有正常供冷模式。

3.3 斷電前

斷電前，系統(tǒng)的工作模式為非電冷卻水循環(huán)供冷模式時(shí)，當(dāng)恢復(fù)供冷后，系統(tǒng)將先切回冷機(jī)冷卻水聯(lián)合供冷模式。只有當(dāng)蓄冷罐的儲(chǔ)備恢復(fù)原狀后，再按照氣候條件重新判斷是否需要進(jìn)入其他工作模式。

為了實(shí)現(xiàn)以上控制策略，首先，應(yīng)在設(shè)備及管路上布置信號點(diǎn)。系統(tǒng)采集冷凍水回路供回水總管溫度、主機(jī)冷凍水供回水的壓差，每一個(gè)子系統(tǒng)的工作水溫，根據(jù)監(jiān)測到的參數(shù)計(jì)算進(jìn)行運(yùn)算，進(jìn)行設(shè)備變頻、設(shè)備加減載和三種供冷模式間的切換；同時(shí)，通過調(diào)取制冷機(jī)組自身的模塊參數(shù)，監(jiān)測制冷機(jī)組的工作狀態(tài)及負(fù)載率。其次，系統(tǒng)配置聲光報(bào)警，多級響應(yīng)，顯示每個(gè)傳感器的參數(shù)，保留參數(shù)，生成圖表，進(jìn)行24h模擬，為下一周期調(diào)整系統(tǒng)水流量，以達(dá)到最佳的運(yùn)行工況。最后，根據(jù)時(shí)間累積，將3+1冗余的設(shè)備充分利用起來，沒有閑置設(shè)備，各機(jī)組運(yùn)行時(shí)間接近，以延長機(jī)組使用壽命。

4 結(jié)束語

文章詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)機(jī)房的空調(diào)設(shè)備節(jié)能運(yùn)行系統(tǒng)，關(guān)于設(shè)備的輪詢控制、冷卻塔風(fēng)扇的變頻控制與臺數(shù)控制、各類變頻設(shè)備的變頻控制、末端精密空調(diào)的臺數(shù)控制、出風(fēng)溫度控制、系統(tǒng)補(bǔ)水的控制等，這些與普通的中央空調(diào)系統(tǒng)并無多大差異，在此不一一贅述。希望暖通空調(diào)業(yè)界一起為致力于發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)研發(fā)更多安全節(jié)能的新系統(tǒng)。