上?;ヂ?lián)網(wǎng)應(yīng)急中心 高福義 姚欽鋒 鄢 然 王 慧 吳瀟婷南京佳力圖機(jī)房環(huán)境技術(shù)有限公司 李遠(yuǎn)見 吳亭柯 朱 帥
風(fēng)冷直膨型精密空調(diào)是目前數(shù)據(jù)中心機(jī)房應(yīng)用最成熟也最廣泛的制冷方式,具有系統(tǒng)簡單、運(yùn)維方便、故障率低、靈活配置等多種優(yōu)勢。
現(xiàn)行數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)計(jì)之初都有冗余配置,在使用過程中IT負(fù)載卻遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),加之運(yùn)維管理水平不高,機(jī)房過量制冷、氣流旁通、氣流再循環(huán)等情況十分常見。氣流旁通是指從IT設(shè)備旁通的冷氣流直接返回空調(diào),造成散熱氣流浪費(fèi),空調(diào)進(jìn)出口溫差降低,制冷效率變差;氣流再循環(huán)是指被加熱的空氣沒有返回空調(diào)回風(fēng)口,而是重新進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)部形成再循環(huán)氣流,導(dǎo)致設(shè)備入口溫度升高,設(shè)備可用性降低。此外,一般機(jī)房內(nèi)的風(fēng)冷直膨型精密空調(diào)多采用獨(dú)立制冷的模式,不同區(qū)域由不同空調(diào)制冷,彼此之間互為獨(dú)立且缺乏通信,常出現(xiàn)一部分空調(diào)在冷卻除濕、另一部分空調(diào)卻在加熱加濕的情況。粗放的管理方式、不合理的運(yùn)行機(jī)制,這些都嚴(yán)重影響了空調(diào)的制冷效率,造成資源的大量浪費(fèi)。
本文以一個(gè)獨(dú)立機(jī)房區(qū)域?yàn)檠芯繉ο螅瑥臋C(jī)房制冷系統(tǒng)性整體出發(fā),借助CFD仿真手段,以空調(diào)集群控制為突破口,通過優(yōu)化氣流組織,降低風(fēng)機(jī)工作時(shí)長,降低壓縮機(jī)啟停頻率,探索出了一種適用于傳統(tǒng)風(fēng)冷直膨型精密空調(diào)機(jī)房的高效運(yùn)行方法。
M區(qū)機(jī)房為屏蔽機(jī)房,面積約320 m2,高架地板至天花板3 m、至底部0.4 m。機(jī)房內(nèi)設(shè)有4條隔離冷通道,內(nèi)裝100套單臺(tái)設(shè)計(jì)功率7 kW的機(jī)柜,配置10臺(tái)額定制冷量為90 kW的風(fēng)冷精密空調(diào),采用格柵地板風(fēng)口地下送風(fēng)方式,開孔率大于40%,機(jī)房上部是無組織回風(fēng),機(jī)房布置如圖1所示。
圖1 M區(qū)機(jī)房平面圖
M區(qū)共計(jì)10臺(tái)ME系列空調(diào)(K01~K10),每臺(tái)空調(diào)額定制冷量90 kW,送風(fēng)量23 200 m3/h,7列機(jī)柜(A、B、C、D、E、F、G)和4個(gè)冷通道(A列、BC列、DE列和FG列)。如圖2所示,每臺(tái)空調(diào)只有1個(gè)回風(fēng)溫度傳感器,位于空調(diào)上部回風(fēng)口處。
圖2 M區(qū)機(jī)房立體圖
為了方便測算空調(diào)實(shí)際負(fù)載,以及最終冷量的區(qū)域控制,根據(jù)空調(diào)位置和送風(fēng)情況,將機(jī)房熱源分為10個(gè)區(qū)域,表1列出了各區(qū)域機(jī)柜功率情況。從表1可以看出,雖然IT設(shè)施設(shè)計(jì)功率為700 kW,但實(shí)際功率只有328.9 kW,負(fù)載率只有47.0%。總體來看,存在制冷量過量的情況。
表1 M區(qū)機(jī)柜功率分布情況
除去配電柜、無源機(jī)柜和低功率機(jī)柜,每個(gè)機(jī)柜熱回風(fēng)頂部布設(shè)1個(gè)溫度探頭,按照空調(diào)送風(fēng)路徑,大致劃分為10個(gè)區(qū)域,區(qū)域劃分參考表1。每個(gè)分區(qū)內(nèi)有溫度采集模塊,每個(gè)模塊下連8個(gè)溫度探頭、上連PLC控制器,PLC控制器輸出端與10臺(tái)空調(diào)控制主板通過繼電器相連。每個(gè)模塊向上輸出8個(gè)探頭溫度數(shù)據(jù)及其平均值,共計(jì)9個(gè)數(shù)據(jù)。集群控制探測器布設(shè)如圖3所示。
圖3 集群控制探測器布設(shè)
PLC控制器以溫度采集模塊的平均值為主要參考依據(jù),工作模式如下:首先進(jìn)行一次判定,當(dāng)采集到的平均值高于設(shè)定值時(shí),控制器會(huì)向?qū)?yīng)區(qū)域的空調(diào)發(fā)送供電信號(hào),否則發(fā)送斷電或不供電信號(hào)。被供電的空調(diào)機(jī)組通電后,風(fēng)機(jī)自動(dòng)開啟,加速該區(qū)域空氣流動(dòng),同時(shí)進(jìn)行二次判定,若回風(fēng)側(cè)溫度高于設(shè)定值,則開啟壓縮機(jī)進(jìn)行制冷,若回風(fēng)側(cè)溫度低于或等于設(shè)定值,則只開啟風(fēng)機(jī)。集群控制判定機(jī)制如圖4所示。
圖4 集群控制判定機(jī)制
由于一次判定主要參考數(shù)據(jù)是溫度模塊平均值,為避免出現(xiàn)熱區(qū)奇點(diǎn)的安全隱患,還設(shè)置了安全機(jī)制,即當(dāng)某奇點(diǎn)(8個(gè)點(diǎn)中的1個(gè))溫度值高于平均值一定范圍(安全區(qū)間)后,即便平均值沒有達(dá)到設(shè)定值,控制器依然會(huì)向?qū)?yīng)區(qū)域空調(diào)發(fā)送供電信號(hào),隨后由空調(diào)機(jī)組進(jìn)行送風(fēng)和二次判定。
調(diào)試實(shí)施前,借助CFD仿真軟件對現(xiàn)行機(jī)房氣流組織進(jìn)行了模擬,針對模擬發(fā)現(xiàn)的問題,對冷通道存在的氣流旁通、泄漏情況進(jìn)行了封堵優(yōu)化。對10臺(tái)空調(diào)的風(fēng)量進(jìn)行了測試,經(jīng)測算風(fēng)量供給遠(yuǎn)大于需求。對此過程不做重點(diǎn)描述。
為了保證集群控制系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行,對群控運(yùn)行安全性及穩(wěn)定性做如下測試。
1) 模擬PLC控制器斷電產(chǎn)生的影響。經(jīng)過多次反復(fù)驗(yàn)證,PLC控制器斷電后,原本開機(jī)的空調(diào)并未受到任何影響,其他空調(diào)全部自動(dòng)開啟。
2) 模擬機(jī)房切電、消防斷電產(chǎn)生的影響。經(jīng)過消防測試驗(yàn)證,在接收到消防斷電信號(hào)后,空調(diào)機(jī)組和PLC控制器均會(huì)斷電。在恢復(fù)送電后,PLC控制器重啟,由于設(shè)有延遲等待時(shí)間,在等待時(shí)間內(nèi),PLC控制器不下發(fā)任何控制指令,空調(diào)機(jī)組將按照通電自啟設(shè)置全部打開,延遲等待時(shí)間結(jié)束后,PLC控制器將根據(jù)現(xiàn)場狀況進(jìn)行控制。
3) 集群控制溫度穩(wěn)定性測試。在熱源側(cè)溫度下降后,集群控制系統(tǒng)空調(diào)壓縮機(jī)停機(jī)正常;在平均溫度上升后,空調(diào)開啟正常。整體測試期間,機(jī)房環(huán)境沒有溫度躍變情況,機(jī)房環(huán)境溫度變化穩(wěn)定。
3.2.1測試前準(zhǔn)備
1) 調(diào)整風(fēng)量。
為避免空調(diào)停機(jī)后機(jī)房風(fēng)量不足的情況發(fā)生,將10臺(tái)空調(diào)額定風(fēng)量調(diào)整為100%,保證機(jī)房整體風(fēng)量充足。
2) 空調(diào)回風(fēng)溫度設(shè)定。
對各空調(diào)的回風(fēng)溫度設(shè)定值進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)整,將工作溫度設(shè)置為22 ℃,加減載溫度回差設(shè)置為2 ℃,即空調(diào)工作溫度區(qū)間為20~24 ℃。
3) 安全限值。
本文所有測試均以熱通道溫度30 ℃為溫度上限,通過超限啟動(dòng)溫差值變化來確保熱通道溫度在安全限值內(nèi)。在此基礎(chǔ)上開展了如圖5所示的3輪測試。
圖5 集群控制邊界限值測試
3.2.2第1輪測試
集群控制溫度設(shè)定為24 ℃。空調(diào)本身工作設(shè)定值是22 ℃,加減載溫度回差設(shè)置為2 ℃,超限啟動(dòng)溫差為6 ℃。觀測結(jié)果:空調(diào)全部開啟,控制器沒有發(fā)出控制指令。
將加減載溫度回差調(diào)整為1 ℃,其他參數(shù)不變。觀測結(jié)果:空調(diào)停機(jī)數(shù)為1~2臺(tái),但壓縮機(jī)啟停頻繁;溫度采集模塊平均溫度在23~26 ℃區(qū)間波動(dòng)。
2.2.3第2輪測試
集群控制溫度設(shè)定為25 ℃,加減載溫度回差設(shè)置為2 ℃,超限啟動(dòng)溫差為5 ℃。觀測結(jié)果:空調(diào)停機(jī)數(shù)穩(wěn)定在2臺(tái),溫度采集模塊平均溫度在24~27 ℃區(qū)間波動(dòng)。
將加減載溫度回差調(diào)整為1 ℃,其他參數(shù)不變。觀測結(jié)果:空調(diào)停機(jī)數(shù)為2~3臺(tái),溫度采集模塊平均溫度在25~28 ℃間波動(dòng)。
3.2.4第3輪測試
集群控制溫度設(shè)定為26 ℃,加減載溫度回差設(shè)置為2 ℃,超限啟動(dòng)溫差為4 ℃。觀測結(jié)果:空調(diào)停機(jī)數(shù)穩(wěn)定在3臺(tái),溫度采集模塊平均溫度在26~28 ℃區(qū)間波動(dòng)。
將加減載溫度回差調(diào)整為1 ℃,其他參數(shù)不變。觀測結(jié)果:空調(diào)停機(jī)數(shù)穩(wěn)定在4臺(tái),溫度采集模塊平均溫度在27~30 ℃區(qū)間波動(dòng)。
該輪測試,熱通道溫度已接近安全限值,故不再繼續(xù)進(jìn)行下探測試。
3.2.5奇點(diǎn)的處理
雖然將安全限值設(shè)置為30 ℃,但經(jīng)過前幾輪測試,發(fā)現(xiàn)部分位置存在奇點(diǎn)情況,通過采取以下3類措施緩解這個(gè)情況。
1) 優(yōu)化氣流組織。
調(diào)整送風(fēng)地板開孔率,避免出現(xiàn)過量送風(fēng)或送風(fēng)不足情況;合理設(shè)置氣流組織路徑,采用新型封堵盲板[2]對機(jī)柜側(cè)邊布線及封堵進(jìn)行了優(yōu)化,減少或避免氣流旁通。
2) 加強(qiáng)供冷。
將奇點(diǎn)所在位置對應(yīng)的空調(diào)設(shè)定溫度調(diào)低,適當(dāng)降低奇點(diǎn)區(qū)域的空調(diào)送風(fēng)溫度來加強(qiáng)冷量供應(yīng)。
3) 舍棄。
部分奇點(diǎn)溫度雖然高于30 ℃,但跟蹤觀察沒有持續(xù)升高的現(xiàn)象,允許該情況出現(xiàn)。
表2為第3輪測試條件下14 d的空調(diào)能耗數(shù)據(jù),在此期間IT設(shè)施能耗基本不變。第6日起,將空調(diào)全部打開,第12日起開始恢復(fù)集群控制。
取前5日(即第1~5日)和后2日(即第13、14日)數(shù)據(jù)作為開啟空調(diào)集群控制時(shí)的每日能耗,其平均值為3 346.1 kW·h。取中間5日(即第7~11日)數(shù)據(jù)作為關(guān)閉空調(diào)集群控制時(shí)的每日能耗,集群控制平均值為3 877.8 kW·h。集群控制節(jié)能率為(3 877.8-3 346.1) kW·h÷3 346.1 kW·h×100%=15.9%。
表2 M區(qū)14 d空調(diào)耗電量 kW·h
第4.1節(jié)分析了第3輪條件下14 d中M區(qū)能耗曲線,為更充分論證M區(qū)實(shí)際節(jié)能情況,選擇了N區(qū)與M區(qū)能耗進(jìn)行類比。N區(qū)與M區(qū)情況較為相似,均采用相同空調(diào)制冷機(jī)組,IT負(fù)載也較接近。圖6為M區(qū)和N區(qū)1月1日至7月25日的能耗曲線圖,可以明顯看出兩區(qū)能耗趨勢非常相似。根據(jù)M區(qū)調(diào)試情況,將曲線分為3個(gè)階段(1月1日至3月28日,3月29日至5月1日,5月2日至7月25日)。其中第1階段為M區(qū)采用傳統(tǒng)控制方式運(yùn)行階段,第2階段為M區(qū)開啟集群控制調(diào)試階段,第3階段為M區(qū)開啟集群控制的穩(wěn)定階段,N區(qū)整個(gè)過程均采用傳統(tǒng)的機(jī)組全開模式運(yùn)行。使用MATLAB對M區(qū)節(jié)能效果進(jìn)行分析。
圖6 M區(qū)和N區(qū)能耗曲線
從圖6可以看出,3月28日M區(qū)能耗為階段頂峰,3月29日開始進(jìn)行群控測試后能耗出現(xiàn)明顯下滑。
1) 第1階段。
對第1階段(1月1日至3月28日)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較擬合,如圖7所示。發(fā)現(xiàn)在N區(qū)上移863 kW·h(平均值差)后,M區(qū)和N區(qū)在該階段能耗基本相同。圖8顯示了N區(qū)能耗曲線上移863 kW·h(平均值差)后與M區(qū)的能耗曲線對比。上移后N區(qū)能耗超過了M區(qū)。
圖7 N區(qū)能耗上移863 kW·h(平均值差)第1階段曲線
圖8 N區(qū)能耗上移863 kW·h(平均值差)曲線
2) 第2階段。
第2階段3月29日開始,至5月1日,為群控調(diào)試階段。圖9為此階段M區(qū)和N區(qū)能耗曲線圖。4.1節(jié)表2中的第1日即為4月11日,4月11—15日開啟群控,4月16日開始退出群控,4月22日開始重啟群控??梢悦黠@看出,退出群控期間,M區(qū)能耗有大幅回升。
圖9 M區(qū)和N區(qū)第2階段空調(diào)能耗曲線
3) 第3階段。
圖10為第3階段(5月2日至7月25日)能耗曲線圖,可以發(fā)現(xiàn)兩區(qū)域能耗曲線高度相似,此部分M區(qū)能耗高于N區(qū),平均差值為167 kW·h。圖11為N區(qū)能耗上移167 kW·h(平均值差)曲線圖。
圖10 M區(qū)和N區(qū)空調(diào)能耗第3階段曲線
圖11 N區(qū)空調(diào)能耗上移167 kW·h(平均值差)第3階段曲線
按第3階段M區(qū)能耗平均值(3 607 kW·h)估算,其節(jié)能率約為:(863-167) kW·h÷[3 607+(863-167)] kW·h×100%=16.2%。據(jù)此估算,M區(qū)空調(diào)年可節(jié)約超過25萬kW·h的電能。
實(shí)際上,由于M區(qū)能耗整體高于N區(qū)(約為N區(qū)的1.2倍),按照比例來看,M區(qū)實(shí)際節(jié)能效果可能要更好。
本測試對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了測試。在第12日10:00開啟集群控制后,對集群控制情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在經(jīng)歷了5 h調(diào)整穩(wěn)定后,集群控制開關(guān)機(jī)臺(tái)數(shù)穩(wěn)定在關(guān)閉4臺(tái)的狀態(tài)。待穩(wěn)定后,又持續(xù)觀察了7天,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。
本文所述的方法,在采用風(fēng)冷直膨型精密空調(diào)的機(jī)房中具有普遍適用性,它改善了原有機(jī)房空調(diào)獨(dú)立制冷所帶來的各種低效的狀況,采用系統(tǒng)性集群控制的方式,實(shí)現(xiàn)了機(jī)房節(jié)能高效運(yùn)行。
表3 集群控制自動(dòng)調(diào)節(jié)情況
1) 通過數(shù)據(jù)分析表明,在本文測試環(huán)境下,開啟空調(diào)集群控制至少可實(shí)現(xiàn)節(jié)能16.2%的效果。
2) 本文所述的集群控制系統(tǒng)穩(wěn)定性較高,5 h就可以實(shí)現(xiàn)集群控制環(huán)境的穩(wěn)定,并且可以保持長期穩(wěn)定運(yùn)行。
3) 本文所進(jìn)行的測試,對環(huán)境的安全邊界作了明確規(guī)定,隨著信息系統(tǒng)設(shè)備性能的提升,機(jī)房允許的熱濕環(huán)境空間變大,節(jié)能效率將會(huì)進(jìn)一步提高。