楊 超

中國(guó)電信股份有限公司徐州分公司

0 引言

為保障通信機(jī)房環(huán)境溫度安全，機(jī)房空調(diào)的配置需滿足N+1冗余備份，N一般選擇3～5臺(tái)，但由于冗余備份空調(diào)的存在，機(jī)房空調(diào)的電能利用效率不高，特別是在機(jī)房投運(yùn)初期負(fù)荷較小時(shí)，電能浪費(fèi)更為嚴(yán)重。隨著節(jié)能減排工作的深入開展，傳統(tǒng)機(jī)房空調(diào)的運(yùn)行方式已不能滿足節(jié)能工作的要求，機(jī)房空調(diào)運(yùn)行需要向既安全又高效的方向發(fā)展，運(yùn)行時(shí)需要同步考慮如何安全高效地控制冗余備份空調(diào)運(yùn)行。傳統(tǒng)的空調(diào)控制方法通過(guò)人工現(xiàn)場(chǎng)定期巡檢觀察機(jī)房溫度變化，由人工判斷后決定是否開啟或關(guān)閉空調(diào)，其效率低、實(shí)時(shí)性差、安全性低。當(dāng)前的通信機(jī)房基本已實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，傳統(tǒng)方法已不能滿足要求，需要自動(dòng)化程度更高和更加高效安全的控制手段。

1 機(jī)房空調(diào)運(yùn)行方式對(duì)能耗的影響

影響機(jī)房空調(diào)運(yùn)行能耗的原因主要包括室外氣溫、室外機(jī)運(yùn)行環(huán)境、空調(diào)設(shè)置溫度、制冷量匹配、運(yùn)行時(shí)間等。在室外氣溫、室內(nèi)濕度和運(yùn)行環(huán)境不變時(shí)，空調(diào)制冷量冗余過(guò)多、溫度控制粗放、無(wú)效制冷等因素是引起空調(diào)能耗增加的主要原因。

1.1 回風(fēng)溫度控制方式對(duì)機(jī)房空調(diào)能耗的影響

回風(fēng)溫度控制方式是指以風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)回風(fēng)口處的溫度為基準(zhǔn)，空調(diào)設(shè)置溫度與回風(fēng)溫度進(jìn)行比較，判斷是否滿足壓縮機(jī)啟動(dòng)條件，從而控制工作狀態(tài)。回風(fēng)溫度控制實(shí)際控制的是空調(diào)近端溫度，絕大部分空調(diào)均采用回風(fēng)溫度控制方式，在理想狀態(tài)下，回風(fēng)溫度控制能夠滿足機(jī)房環(huán)境溫度要求，但實(shí)際應(yīng)用中存在以下問(wèn)題：

1)回風(fēng)溫度控制粗放引起的電能浪費(fèi)

風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)的送風(fēng)方式主要有風(fēng)帽送風(fēng)、風(fēng)管定點(diǎn)送風(fēng)、地板下送風(fēng)、精確送風(fēng)等，由于風(fēng)管送風(fēng)、地板送風(fēng)等方式會(huì)將冷風(fēng)送往較遠(yuǎn)處的位置，致使空調(diào)回風(fēng)口溫度與機(jī)房遠(yuǎn)端位置的溫度存在較大差異。當(dāng)回風(fēng)不順暢時(shí)，可能引起機(jī)房遠(yuǎn)端局部高溫，從而必須將空調(diào)設(shè)置溫度降低到較低水平才能滿足機(jī)房要求；另一方面，也存在機(jī)架入口溫度已滿足要求，但機(jī)房空調(diào)仍在制冷的情況，比如當(dāng)空調(diào)部署在機(jī)架熱通道兩端時(shí)，由于回風(fēng)溫度高導(dǎo)致空調(diào)長(zhǎng)期處于制冷狀態(tài)而引起電能浪費(fèi)。

2)機(jī)房空調(diào)無(wú)效制冷引起的電能浪費(fèi)

當(dāng)機(jī)房氣流組織采用冷通道封閉方式時(shí)，機(jī)房空調(diào)一般部署在冷通道之外，空調(diào)回風(fēng)溫度實(shí)際監(jiān)測(cè)的是熱通道溫度，由于無(wú)法監(jiān)測(cè)冷通道溫度，當(dāng)空調(diào)按照正?；仫L(fēng)溫度設(shè)置時(shí)，冷通道內(nèi)的溫度則處于過(guò)低狀態(tài)，引起電能浪費(fèi)。

3)熱備份的冗余空調(diào)引起電能浪費(fèi)

為了保障機(jī)房環(huán)境溫度處于安全可控的狀態(tài)，機(jī)房空調(diào)制冷量通常按照N+1配置，因此一般情況下機(jī)房空調(diào)制冷量是有部分冗余的，同時(shí)冗余空調(diào)一般處于熱備份狀態(tài)。因此冗余空調(diào)的運(yùn)行一定會(huì)引起電能的浪費(fèi)，并且機(jī)房熱負(fù)荷與空調(diào)制冷量差值越大，電能浪費(fèi)越嚴(yán)重，特別是機(jī)房投運(yùn)初期熱負(fù)荷較小時(shí)。

綜上，機(jī)房空調(diào)運(yùn)行過(guò)程中受溫度控制方式、氣流組織以及運(yùn)行安全要求等因素影響，存在冷量浪費(fèi)和電能利用率不高的問(wèn)題，需要采用空調(diào)節(jié)能控制技術(shù)解決上述問(wèn)題。

2 機(jī)房空調(diào)節(jié)能控制方式比較

為了降低冗余空調(diào)耗電量，可以采取人工開關(guān)空調(diào)或自動(dòng)控制空調(diào)兩種方式，其中人工開關(guān)空調(diào)存在操作不及時(shí)問(wèn)題，其機(jī)房環(huán)境溫度保障能力較差，易引起高溫告警。自動(dòng)控制方式包括監(jiān)控平臺(tái)控制、底端采集器控制、AI算法控制、底端控制器控制等。

監(jiān)控平臺(tái)控制方式是由動(dòng)環(huán)監(jiān)控平臺(tái)的控制軟件分析機(jī)房?jī)?nèi)各區(qū)域溫度數(shù)值，當(dāng)滿足開關(guān)機(jī)條件時(shí)，通過(guò)動(dòng)環(huán)監(jiān)控平臺(tái)發(fā)出對(duì)應(yīng)控制命令，自動(dòng)控制空調(diào)的開啟或關(guān)閉。該方式要求機(jī)房空調(diào)和環(huán)境溫度監(jiān)控覆蓋全面，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)依賴度高，投資較大，調(diào)測(cè)復(fù)雜。另外，由于通過(guò)平臺(tái)進(jìn)行控制，易受到網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等因素的影響，控制成功率不可控。

底端采集器控制由機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)環(huán)監(jiān)控采集器進(jìn)行判斷和控制空調(diào)開關(guān)，該方式控制成功率和準(zhǔn)確度較高，但是要求被控制空調(diào)和對(duì)應(yīng)溫度傳感器必須接在同一個(gè)采集器，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)可靠性和接入要求較高，靈活性較差，維護(hù)和使用比較復(fù)雜。

AI算法控制需要在完善動(dòng)環(huán)監(jiān)控的基礎(chǔ)上通過(guò)學(xué)習(xí)和模擬人工操作，實(shí)現(xiàn)機(jī)房空調(diào)的自動(dòng)參數(shù)調(diào)整和開關(guān)機(jī)控制。該方式智能化程度較高，但是投資較大，控制復(fù)雜，對(duì)配套溫度傳感器和監(jiān)控接入要求較高，需要避免動(dòng)環(huán)系統(tǒng)和AI系統(tǒng)的互相干擾。

底端控制器方式通過(guò)控制器內(nèi)部集成的溫度傳感器判斷環(huán)境溫度，當(dāng)滿足條件時(shí)通過(guò)控制空調(diào)的交流輸入電源或二次控制電源實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)控制，該種方式易造成空調(diào)器件損壞，不適合大型機(jī)房和專用機(jī)房空調(diào)的控制。

機(jī)房空調(diào)的節(jié)能控制應(yīng)滿足高安全性和高可靠性要求，控制環(huán)節(jié)應(yīng)盡可能少，不應(yīng)對(duì)現(xiàn)有動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)造成影響，其次性價(jià)比要高，維護(hù)和使用應(yīng)該簡(jiǎn)單方便。上述各種控制方式均存在比較明顯的缺陷，難以滿足機(jī)房空調(diào)控制要求，基于多點(diǎn)溫度判斷的空調(diào)節(jié)能控制方案能夠較好地滿足上述機(jī)房節(jié)能控制需求。

3 基于多點(diǎn)溫度判斷的空調(diào)節(jié)能控制技術(shù)方案和原理

3.1 方案概述

基于多點(diǎn)溫度判斷的節(jié)能控制方案需要在每列機(jī)柜的進(jìn)出風(fēng)口布置多個(gè)溫度傳感器，對(duì)各區(qū)域機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)行精準(zhǔn)采集，防止僅以空調(diào)回風(fēng)口的溫度為基準(zhǔn)而帶來(lái)的弊端。由節(jié)能控制器采集上述溫度數(shù)值并進(jìn)行邏輯運(yùn)算，當(dāng)滿足啟動(dòng)或停機(jī)條件時(shí)發(fā)出控制信號(hào)至機(jī)房空調(diào)遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)端子，實(shí)現(xiàn)機(jī)房空調(diào)的自動(dòng)開關(guān)機(jī)控制。該控制方案可使機(jī)房溫度均勻，解決過(guò)度制冷和局部高溫問(wèn)題，在滿足機(jī)柜進(jìn)風(fēng)符合溫度要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)房空調(diào)的節(jié)能降耗，同時(shí)具有安全、可靠、性價(jià)比高、控制簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的特點(diǎn)。

3.2 系統(tǒng)組成

機(jī)房空調(diào)為實(shí)現(xiàn)監(jiān)控或遠(yuǎn)程控制的目的，均配置有遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)控制接口。該接口為一對(duì)干接點(diǎn)輸入信號(hào)，機(jī)房空調(diào)通過(guò)判斷干接點(diǎn)的通、斷執(zhí)行空調(diào)開啟或關(guān)閉操作。基于多點(diǎn)溫度判斷的節(jié)能控制方案即通過(guò)該接口實(shí)現(xiàn)機(jī)房空調(diào)的自動(dòng)開關(guān)控制。

圖1為系統(tǒng)組成示意圖。首先在各列機(jī)柜或重點(diǎn)設(shè)備區(qū)域增裝溫度傳感器，溫度傳感器將采集的數(shù)據(jù)送至節(jié)能管理控制器，節(jié)能管理控制器是該系統(tǒng)的核心，其對(duì)采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和邏輯判斷，當(dāng)滿足設(shè)定條件時(shí)節(jié)能管理控制器輸出控制信號(hào)至機(jī)房空調(diào)的遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)端口，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)機(jī)控制。

節(jié)能管理控制器可通過(guò)有線或手機(jī)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等方式實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的通信，同時(shí)可以通過(guò)手機(jī)短信將溫度告警通知到維護(hù)人員，管理平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢、機(jī)房空調(diào)運(yùn)行狀況查詢、高溫報(bào)警查詢、空調(diào)開關(guān)機(jī)運(yùn)行時(shí)間查詢等功能。

3.3 控制邏輯

節(jié)能管理控制器原理示意圖見圖2。該控制器可接入多個(gè)溫度傳感器，根據(jù)溫度變化情況控制機(jī)房空調(diào)開關(guān)機(jī)。

圖2 控制原理示意圖

節(jié)能管理控制器需要采集機(jī)房各區(qū)域正常運(yùn)行的歷史溫度數(shù)據(jù)，以及溫度傳感器與機(jī)房空調(diào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)對(duì)歷史溫度數(shù)據(jù)的分析，分別找出高溫和低溫區(qū)域并確定安全的機(jī)柜入口溫度，然后分別設(shè)置各溫度傳感器閾值，節(jié)能管理控制器通過(guò)計(jì)算和判斷開啟或關(guān)閉機(jī)房空調(diào)。

節(jié)能管理控制器對(duì)溫度數(shù)值的判斷邏輯如下：當(dāng)采集的多個(gè)溫度傳感器中任何一個(gè)超過(guò)設(shè)定的溫度閾值則觸發(fā)空調(diào)開機(jī)；當(dāng)所有溫度傳感器的溫度都低于設(shè)定的閾值則觸發(fā)空調(diào)關(guān)機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)房空調(diào)的自動(dòng)啟停，保障機(jī)房環(huán)境溫度符合要求，達(dá)到既節(jié)能又安全的目的。

控制過(guò)程舉例如下：

首先對(duì)部署的多個(gè)溫感器進(jìn)行持續(xù)一周的連續(xù)溫度數(shù)據(jù)采集，測(cè)算各個(gè)溫度取樣點(diǎn)的平均值作為參考值，分別確定各個(gè)溫感器的溫度閾值，如果各個(gè)溫感器的探測(cè)溫度值都低于其設(shè)置的溫度閾值并超過(guò)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間，則節(jié)能管理控制器控制機(jī)房空調(diào)關(guān)機(jī)。如果各個(gè)溫感器探測(cè)值中的任何一個(gè)高于其設(shè)置的溫度閾值，節(jié)能管理控制器將對(duì)超過(guò)閾值的溫度值進(jìn)行2℃的自動(dòng)累加并控制機(jī)房空調(diào)開機(jī)，從而避免頻繁開關(guān)機(jī)情況發(fā)生。

4 基于多點(diǎn)溫度判斷的節(jié)能控制技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

4.1 機(jī)房一節(jié)電率測(cè)試

某數(shù)據(jù)中心機(jī)房共安裝6臺(tái)風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)，送風(fēng)方式采用地板下送風(fēng)、上回風(fēng)方式，機(jī)柜前面板封閉、底部進(jìn)風(fēng)，進(jìn)風(fēng)口開度可調(diào)，機(jī)柜面對(duì)面、背對(duì)背安裝。該機(jī)房面積408 m2，機(jī)房空調(diào)總制冷量520 kW，機(jī)房設(shè)備功率約100 kW。

節(jié)電率測(cè)試方法：機(jī)房空調(diào)溫度設(shè)置25℃，濕度50%，節(jié)能控制裝置連續(xù)開啟2天后連續(xù)關(guān)閉2天，分別記錄開、關(guān)狀態(tài)下的空調(diào)電能、室外溫度數(shù)據(jù)，共實(shí)施2輪測(cè)試（共8天），再取2輪數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行開啟和關(guān)閉狀態(tài)下的數(shù)據(jù)比對(duì)，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 節(jié)電率測(cè)試數(shù)據(jù)

該機(jī)房節(jié)電率=（控制器關(guān)閉的平均空調(diào)電量–控制器開啟的平均空調(diào)電量）/控制器關(guān)閉的平均空調(diào)電量=（1 748-1 497）/1 748=14.36%

按照測(cè)試數(shù)據(jù)，該機(jī)房每天可節(jié)電251 kWh，全年可節(jié)省9.1萬(wàn)kWh，按照電費(fèi)單價(jià)0.6元計(jì)算，每年可以節(jié)省電費(fèi)5.5萬(wàn)元，約1年可收回投資。

4.2 機(jī)房二節(jié)電率測(cè)試

某數(shù)據(jù)中心機(jī)房共安裝5臺(tái)風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)，送風(fēng)方式采用地板下送風(fēng)、上回風(fēng)方式，機(jī)柜面對(duì)面、背對(duì)背安裝，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)側(cè)采用開孔地板并封閉冷通道，機(jī)柜采用高開孔率面板。該機(jī)房面積400 m2，機(jī)房空調(diào)總制冷量500 kW，機(jī)房設(shè)備功率約154 kW。

節(jié)電率測(cè)試方法：機(jī)房空調(diào)溫度設(shè)置25℃，濕度50%，節(jié)能控制裝置連續(xù)開啟2天后連續(xù)關(guān)閉2天，分別記錄開、關(guān)狀態(tài)下的空調(diào)電能、室外溫度數(shù)據(jù)，共實(shí)施2輪測(cè)試（共8天），再取2輪數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行開啟和關(guān)閉狀態(tài)下的數(shù)據(jù)比對(duì)，測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

表2 節(jié)電率測(cè)試數(shù)據(jù)

該機(jī)房節(jié)電率=（控制器關(guān)閉的平均空調(diào)電量–控制器開啟的平均空調(diào)電量）/控制器關(guān)閉的平均空調(diào)電量=（1 609-1 417）/1 609=11.93%

按照測(cè)試數(shù)據(jù)，該機(jī)房每天可節(jié)電192 kWh，全年可節(jié)省7萬(wàn)kWh，按照電費(fèi)單價(jià)0.6元計(jì)算，每年可以節(jié)省費(fèi)用4.2萬(wàn)元，大約1年可收回投資。

4.3 機(jī)房三節(jié)電率測(cè)試

某數(shù)據(jù)中心機(jī)房共安裝5臺(tái)風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)，送風(fēng)方式采用地板下送風(fēng)、上回風(fēng)方式，機(jī)柜前面板封閉、底部進(jìn)風(fēng)，進(jìn)風(fēng)口開度可調(diào)，機(jī)柜面對(duì)面、背對(duì)背安裝。該機(jī)房面積400 m2，機(jī)房空調(diào)總制冷量500 kW，機(jī)房設(shè)備功率約192 kW。

節(jié)電率測(cè)試方法：機(jī)房空調(diào)溫度設(shè)置25℃，濕度50%，節(jié)能控制裝置連續(xù)開啟2天后再連續(xù)關(guān)閉2天，分別記錄開、關(guān)狀態(tài)下的空調(diào)電能、室外溫度數(shù)據(jù)，共實(shí)施2輪測(cè)試（共8天），再取2輪數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行開啟和關(guān)閉狀態(tài)下的數(shù)據(jù)比對(duì)，測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

表3 節(jié)電率測(cè)試數(shù)據(jù)

該機(jī)房節(jié)電率=（控制器關(guān)閉的平均空調(diào)電量-控制器開啟的平均空調(diào)電量）/控制器關(guān)閉的平均空調(diào)電=（1 744-1 663）/1 744=4.64%

按照測(cè)試數(shù)據(jù)，該機(jī)房每天可節(jié)電81 kWh，全年可節(jié)省2.95萬(wàn)kWh，按照電費(fèi)單價(jià)0.6元計(jì)算，每年可以節(jié)省費(fèi)用1.77萬(wàn)元，大約3年可收回投資。

4.4 節(jié)電率測(cè)試結(jié)論

三個(gè)機(jī)房的節(jié)能測(cè)試結(jié)果比較見表4。由表4可見，該控制系統(tǒng)在三個(gè)機(jī)房均取得了一定節(jié)電率，其節(jié)電率的高低與機(jī)房空調(diào)冗余制冷量的大小有直接關(guān)系，機(jī)房空調(diào)冗余制冷量越大則節(jié)電率越高，機(jī)房空調(diào)冗余制冷量越小則節(jié)電率越低。如果機(jī)房原始PUE已經(jīng)處于較低水平，則節(jié)能空間非常有限，應(yīng)優(yōu)選PUE較高的機(jī)房實(shí)施。

表4 測(cè)試結(jié)果比較

另外，為了保障機(jī)房供冷安全，在節(jié)能管理控制器運(yùn)行期間，運(yùn)維人員采用任意人工關(guān)閉1～2臺(tái)正在運(yùn)行的空調(diào)模擬空調(diào)故障停機(jī)，節(jié)能管理控制器能夠在機(jī)房高溫告警（27℃）前及時(shí)自動(dòng)開啟備用空調(diào)，將機(jī)房溫度控制在合理范圍，能夠保障機(jī)房環(huán)境安全和空調(diào)高效運(yùn)行。

4.5 基于多點(diǎn)溫度判斷的機(jī)房空調(diào)節(jié)能控制技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

基于多點(diǎn)溫度判斷的機(jī)房空調(diào)節(jié)能控制方案解決了因近端單點(diǎn)回風(fēng)溫度判斷帶來(lái)的機(jī)房溫度場(chǎng)分布不均，局部過(guò)熱，電能浪費(fèi)等問(wèn)題，使機(jī)房溫度控制精準(zhǔn)度提升，能夠智能動(dòng)態(tài)監(jiān)控機(jī)柜進(jìn)風(fēng)口的實(shí)時(shí)溫度，將空調(diào)運(yùn)行數(shù)量與機(jī)房負(fù)載高效匹配，提升空調(diào)運(yùn)行效率。該控制技術(shù)能夠適用于帶有遠(yuǎn)程控制接口的所有機(jī)房空調(diào)產(chǎn)品，安裝簡(jiǎn)便，無(wú)需改造空調(diào)控制電路，不破壞空調(diào)結(jié)構(gòu)，控制方法靈活，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，成本低廉。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于多點(diǎn)溫度判斷的機(jī)房空調(diào)節(jié)能控制技術(shù)通過(guò)自動(dòng)手段合理控制機(jī)房空調(diào)冗余量的投入，有效提升機(jī)房空調(diào)運(yùn)行效率、降低能耗。其節(jié)電率與機(jī)房空調(diào)現(xiàn)有冗余量有密切關(guān)系，在機(jī)房負(fù)荷較小或空調(diào)配置較多時(shí)，可通過(guò)該技術(shù)實(shí)現(xiàn)空調(diào)電能利用效率的提升，并且不降低機(jī)房環(huán)境保障等級(jí)。該控制技術(shù)原理清晰，可靠性高，節(jié)能效果良好，可以適用于大多數(shù)風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)的節(jié)能控制。