文_王清江 福建省數(shù)字福建云計(jì)算運(yùn)營有限公司

當(dāng)前大型數(shù)據(jù)中心暖通空調(diào)的能耗問題已經(jīng)得到社會的廣泛關(guān)注，作為長期以來電能消耗的“大戶”，我國相關(guān)規(guī)定中針對數(shù)據(jù)中心電能利用效率提出了更嚴(yán)格的要求，促使相關(guān)單位能夠選擇更加節(jié)能的暖通空調(diào)控制系統(tǒng)。例如在2019年，上海市的相關(guān)規(guī)定中明確提出所有新建數(shù)據(jù)中心的電能利用效率應(yīng)小于1.3，因此面對政府部門相關(guān)能源政策緊縮的背景，則需要尋找一種更加科學(xué)有效的暖通空調(diào)水冷系統(tǒng)節(jié)能控制方案，這也是本次研究的主要目的。

1 數(shù)據(jù)中心暖通空調(diào)水冷系統(tǒng)節(jié)能改造中面臨的問題

根據(jù)當(dāng)前部分?jǐn)?shù)據(jù)中心在空調(diào)水冷系統(tǒng)節(jié)能改造中的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前工作中還存在以下幾方面的問題：①能源浪費(fèi)一直是暖通空調(diào)存在的問題，再加之部分暖通空調(diào)系統(tǒng)的建成時(shí)間長，因此系統(tǒng)改造的難度高、工程量大。②暖通空調(diào)系統(tǒng)圖紙存在一圖多用的問題，在系統(tǒng)建設(shè)過程中忽視了數(shù)據(jù)中心的實(shí)際需求，最終導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行冷量明顯超出實(shí)際冷量，這一現(xiàn)象會造成冷量冗余區(qū)間偏大，這也是加劇能源浪費(fèi)問題的主要時(shí)間，而部分設(shè)備因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)間長，因此會出現(xiàn)嚴(yán)重的零部件磨損問題，不利于保證系統(tǒng)功能穩(wěn)定性。

2 工程項(xiàng)目簡介

某數(shù)據(jù)中心共有4層，包括機(jī)柜4540臺，在該數(shù)據(jù)中心中共有列間空調(diào)598臺，其中冷水供/回水設(shè)計(jì)溫度為13℃/19℃。該數(shù)據(jù)中心暖通空調(diào)系統(tǒng)主要依托送風(fēng)溫度控制水閥開度水平；在微模塊設(shè)計(jì)中使用了冷通道封閉的模式，其夏季冷風(fēng)通道送風(fēng)濕度超過80%。

根據(jù)案例數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行現(xiàn)狀可知，其暖通空調(diào)水冷系統(tǒng)在運(yùn)行期間存在參數(shù)設(shè)置不合理的問題，根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，機(jī)房冷通道濕度報(bào)警每周超過1000次，而送風(fēng)溫度報(bào)警次數(shù)每周更是高達(dá)2000條。這一現(xiàn)象不僅造成了嚴(yán)重的能源消耗，也增加工作人員的工作難度，并造成能源浪費(fèi)等問題。

3 數(shù)據(jù)中心暖通空調(diào)水冷系統(tǒng)節(jié)能控制方案研究

3.1 冷源系統(tǒng)節(jié)能控制技術(shù)

3.1.1 控制邏輯

在數(shù)據(jù)中心運(yùn)行過程中，暖通系統(tǒng)需要通過冷量達(dá)到快速降溫的效果，因此為了滿足節(jié)能控制優(yōu)化的效果。本次研究研究中將配合傳感器來觀察數(shù)據(jù)以及輸配系統(tǒng)的狀態(tài)變化情況，借助感測信號、控制決定以及狀態(tài)辨識等多種控制邏輯指令，將信號傳遞給執(zhí)行器，最終達(dá)到調(diào)整蒸發(fā)器運(yùn)行工況的效果。同時(shí)，蒸發(fā)器運(yùn)行工況的變化則會帶動(dòng)輸配系統(tǒng)狀態(tài)變化，當(dāng)傳感器再次識別其狀態(tài)變化信息后，即可調(diào)整設(shè)備進(jìn)入到下一個(gè)循環(huán)中。根據(jù)上述過程，本文介紹了冷源系統(tǒng)節(jié)能控制系統(tǒng)的控制邏輯，詳細(xì)資料如圖1所示。

圖1 冷凝系統(tǒng)節(jié)能控制技術(shù)的控制邏輯

3.1.2 節(jié)能技術(shù)分析

根據(jù)介紹的案例數(shù)據(jù)中心可知，該數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量多，導(dǎo)致暖通空調(diào)水冷系統(tǒng)控制難度較高，此時(shí)假設(shè)單臺冷源主機(jī)的最大制冷量達(dá)到了，暖通空調(diào)的數(shù)量為N，當(dāng)冷源主機(jī)的制冷量達(dá)到了N的95%時(shí)，證明冷凝主機(jī)所提供的冷量低于需求冷量，需要增加冷源主機(jī)數(shù)量。而當(dāng)末端系統(tǒng)負(fù)荷下降，冷源主機(jī)可通過調(diào)整自身負(fù)荷的方法達(dá)到維持系統(tǒng)負(fù)荷的目的，這樣可以維持冷源主機(jī)的出水溫度相對恒定。若探測裝置發(fā)現(xiàn)冷源主機(jī)的制冷量≤（N-1）時(shí)，則證明冷源主機(jī)所產(chǎn)生的冷量高于數(shù)據(jù)中心的冷需求量，需要關(guān)閉若干臺主機(jī)。

同時(shí)當(dāng)需要加開一臺冷源主機(jī)時(shí)可以降低冷源主機(jī)出水溫度來達(dá)到控制負(fù)荷的效果，相比之下較低的出水溫度有助于擴(kuò)大末端設(shè)備傳熱溫差，最終達(dá)到提升傳熱量的效果。而假設(shè)數(shù)據(jù)中心冷源主機(jī)的出水溫度允許范圍為而當(dāng)設(shè)備的制冷量達(dá)到N的95%，并且出水溫度高于時(shí)，可考慮降低出水溫度設(shè)定值約0.5℃；而當(dāng)出水溫度設(shè)定值下降至甚至低于該數(shù)值時(shí)，出水溫度在一定時(shí)間內(nèi)大于該設(shè)定值，之后系統(tǒng)控制另一臺冷源主機(jī)啟動(dòng)。通過這種方法，可以有效解決傳統(tǒng)暖空通空調(diào)水冷系統(tǒng)長時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行的問題，對于減少能耗的意義重大。

最后結(jié)合案例數(shù)據(jù)中心的實(shí)際情況可發(fā)現(xiàn)，該數(shù)據(jù)中心共有3臺冷卻塔，并且每個(gè)冷卻塔上分別配置了一個(gè)風(fēng)機(jī)，假設(shè)每臺風(fēng)機(jī)的功率用表示，其風(fēng)量用表示，在部分負(fù)荷時(shí)需要的風(fēng)量達(dá)到了2，此時(shí)風(fēng)機(jī)的耗電量達(dá)到了。而相比之下，若3臺風(fēng)機(jī)均采用均勻布水并且同時(shí)變速的運(yùn)行方法來維持2的風(fēng)量時(shí)，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)變速的影響，可以認(rèn)為風(fēng)機(jī)功率與轉(zhuǎn)速之間存在相關(guān)性，此時(shí)風(fēng)機(jī)的總耗電量為：根據(jù)這組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，3臺風(fēng)機(jī)變速的耗電量僅為0.89，與兩臺風(fēng)機(jī)全功率運(yùn)行相比顯然具有更強(qiáng)的節(jié)能效果。

3.2 新風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能控制技術(shù)

在傳統(tǒng)思維下新風(fēng)系統(tǒng)的功能是稀釋室內(nèi)有害氣體的濃度，而本文根據(jù)數(shù)據(jù)中心的高能耗問題，認(rèn)為可以借助新風(fēng)系統(tǒng)控制室內(nèi)溫度，在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行期間，當(dāng)新風(fēng)被送至室內(nèi)房間后，涼爽的新風(fēng)可以承擔(dān)部分顯熱冷負(fù)荷，進(jìn)而減少冷負(fù)荷的耗冷量，對于降低水冷系統(tǒng)能耗的意義重大。

3.2.1 控制邏輯

在新風(fēng)系統(tǒng)的架構(gòu)下增設(shè)室內(nèi)外溫濕度傳感器，可以將室內(nèi)外溫度信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺x取信號上傳至調(diào)節(jié)器中，調(diào)節(jié)器采集信號后對比數(shù)據(jù)中心室內(nèi)外信息，根據(jù)數(shù)據(jù)對比結(jié)果可以判斷是否進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，或者做出如何調(diào)節(jié)的指令；之后系統(tǒng)發(fā)出調(diào)控指令，執(zhí)行器按照調(diào)控指令控制送新風(fēng)的過程，完成一個(gè)循環(huán)。在循環(huán)一段時(shí)間后傳感器再次比較數(shù)據(jù)中心室內(nèi)外的環(huán)境信息，根據(jù)參數(shù)變化判斷是否需要進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。按照上文介紹的方法，新風(fēng)系統(tǒng)的控制邏輯如圖2所示。

圖2 新風(fēng)系統(tǒng)的控制邏輯結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 節(jié)能控制技術(shù)

假設(shè)案例數(shù)據(jù)中心的室外平均環(huán)境溫度達(dá)到了30℃，處理值送風(fēng)狀態(tài)14℃時(shí)每100m3/h的需要消耗的冷量達(dá)到了1.15kW；而相比之下，空調(diào)環(huán)境下每100m3/h的需要消耗的冷量達(dá)到了2.5kW，相比之下新風(fēng)系統(tǒng)與空調(diào)相比具有節(jié)能的優(yōu)勢。

（1）承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷的新風(fēng)系統(tǒng)

在數(shù)據(jù)中心運(yùn)行過程中，維持室內(nèi)溫度恒定是暖通空調(diào)水冷系統(tǒng)必須要解決的問題，因此新風(fēng)系統(tǒng)可以在確保滿足室內(nèi)溫度標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷新風(fēng)系統(tǒng)需承擔(dān)的冷負(fù)荷，其中包含了部分室內(nèi)顯熱負(fù)荷以及全部潛熱負(fù)荷。同時(shí)考慮到室外新風(fēng)溫度并非恒定的，所以當(dāng)室外新風(fēng)溫度偏低時(shí)需要引入更大的風(fēng)量，相反引入的新風(fēng)量較小。且風(fēng)機(jī)變速調(diào)節(jié)時(shí)，風(fēng)機(jī)的功率與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比關(guān)系，而風(fēng)機(jī)變速控制裝置的投資成本可在較短時(shí)間內(nèi)全部回收。由此可知，對于承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷的新風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量需要采用風(fēng)量連續(xù)調(diào)節(jié)方式。

同時(shí)在本次節(jié)能設(shè)計(jì)中需要注意的是，因?yàn)樾枰袚?dān)室內(nèi)冷負(fù)荷，所以在新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中控制水量能夠滿足送風(fēng)濕度以及送風(fēng)溫度的要求，并且考慮到外部環(huán)境下的濕度是動(dòng)態(tài)變化的過程，因此為滿足這一要求，決定該系統(tǒng)中的水量采用連續(xù)調(diào)節(jié)控制的方式。

根據(jù)這一研究結(jié)果可以認(rèn)為，為滿足節(jié)能要求，當(dāng)新風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷的情況下應(yīng)采用風(fēng)量與水量連續(xù)控制的模式。

（2）不承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷的新風(fēng)系統(tǒng)

由于不需要承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷，該新風(fēng)系統(tǒng)只需要將新風(fēng)輸送至指定房間即可，通過送風(fēng)快速降低室內(nèi)溫度。此時(shí)若采用連續(xù)調(diào)節(jié)控制的方法，當(dāng)室內(nèi)溫度下降至標(biāo)準(zhǔn)條件以下時(shí)，系統(tǒng)依然維持運(yùn)行狀態(tài)，這一情況將會加劇能源消耗，不滿足本次設(shè)計(jì)的要求。所以為避免此類問題發(fā)生，最終決定采用風(fēng)量通斷控制的方法，即數(shù)據(jù)中心內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定值后才會開啟新風(fēng)系統(tǒng)，將新鮮的室外空氣輸送至室內(nèi)。

3.3 末端系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

末端系統(tǒng)直接接觸數(shù)據(jù)中心環(huán)境，是維持室內(nèi)溫度的重要組成部分，目前常見的末端系統(tǒng)主要分為對流式以及輻射式兩種類型。

3.3.1 控制邏輯分析

根據(jù)數(shù)據(jù)中心的特殊性，空調(diào)末端系統(tǒng)借助傳感器采集室內(nèi)環(huán)境后，即可將室內(nèi)溫度環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘柊l(fā)送至調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)傳輸?shù)男盘柵c給定值比較，當(dāng)判斷輸出數(shù)據(jù)中心的室內(nèi)溫度超過設(shè)定值后制定調(diào)節(jié)策略；系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，采集裝置第二次記錄室內(nèi)溫度信息，根據(jù)實(shí)時(shí)溫度調(diào)節(jié)器改變工況運(yùn)行，完成一個(gè)循環(huán)。

3.3.2 節(jié)能控制技術(shù)

在本次研究中采用了“空調(diào)處理機(jī)組＋風(fēng)口末端”的節(jié)能技術(shù)，其中空調(diào)處理機(jī)組的功能是調(diào)整水量與風(fēng)量變化，此時(shí)由于空氣處理機(jī)具有制冷量大的特征，因此只需要較少的空氣處理機(jī)組即可承擔(dān)數(shù)據(jù)中心降溫的要求。但如果采用了風(fēng)量通斷控制的方法，在關(guān)閉后會造成氣流停滯，此時(shí)無論如何調(diào)節(jié)水量都不利于室內(nèi)溫度下降。因此在數(shù)據(jù)中心暖通空調(diào)水冷系統(tǒng)運(yùn)行過程中只存在3種控制模式，詳細(xì)資料如表1所示。

表1 3種控制模式

根據(jù)表1中介紹的三種控制模式，本文結(jié)合案例數(shù)據(jù)中心的實(shí)際情況展開判斷，結(jié)果顯示：①在對比編號1方案與編號2方案后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)其他條件相同的情況下，水量不變、風(fēng)量減半情況下所減少的冷量比水量減半、風(fēng)量不變時(shí)更多，根據(jù)這一結(jié)果可以認(rèn)為，風(fēng)量變化對空氣的影響更大。②在比較編號2與編號3的方案后可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用水量與風(fēng)量均連續(xù)調(diào)節(jié)的技術(shù)方案時(shí)，換熱量變換幅度更大、范圍更廣。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)空氣處理機(jī)組中的送風(fēng)量普遍為回風(fēng)與新風(fēng)相互混合的方法，假設(shè)所引入的新風(fēng)量達(dá)到最小時(shí)，隨著數(shù)據(jù)中心室內(nèi)負(fù)荷的上升，通過先調(diào)整風(fēng)量則會造成更嚴(yán)重的能耗，所以可選擇先調(diào)整水量；而相比之下，因?yàn)榫幪?方案中不調(diào)節(jié)水量，單純依托調(diào)節(jié)風(fēng)量的方法控制室內(nèi)負(fù)荷，會造成更大的能源消耗。

3.4 節(jié)能改造效果評價(jià)

根據(jù)案例數(shù)據(jù)中心暖通空調(diào)水冷系統(tǒng)的優(yōu)化方案后，結(jié)果顯示該技術(shù)方案在節(jié)能改造中發(fā)揮著重要作用，主要表現(xiàn)為：①通過使用節(jié)能控制技術(shù)，每周送風(fēng)溫度過高的報(bào)警數(shù)量顯著下降，最低為每周57條；送風(fēng)濕度過高的報(bào)警數(shù)量下降至每周81條。與改造前相比，可以通過相關(guān)節(jié)能改造技術(shù)方案有效解決報(bào)警數(shù)量偏多的問題。②有效降低了暖通空調(diào)系統(tǒng)的功率問題，達(dá)到了節(jié)能效果。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，末端空調(diào)運(yùn)行功率在改造前為190kW左右，能耗較高；而在改造之后，其功率下降至140kW左右，數(shù)據(jù)比較，可以發(fā)現(xiàn)改造后空調(diào)的功率顯著下降，證明該項(xiàng)目在系統(tǒng)節(jié)能中的效果滿意。從長遠(yuǎn)角度來看，本文所介紹的節(jié)能控制優(yōu)化方法可以為暖通空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)化控制提供支持，滿足工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)中心溫度變化以及調(diào)控暖通空調(diào)水冷系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的工作需求，具有技術(shù)先進(jìn)性。

4 結(jié)語

未來數(shù)據(jù)中心數(shù)量明顯增多，本文通過實(shí)現(xiàn)暖通空調(diào)水冷系統(tǒng)節(jié)能控制優(yōu)化具有一定的生態(tài)效益以及經(jīng)濟(jì)效益，并且實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也證明，本文所采取的技術(shù)應(yīng)對手段取得了成功，具有可行性。而根據(jù)本次研究經(jīng)驗(yàn)本文認(rèn)為，在數(shù)據(jù)中心暖通空調(diào)系統(tǒng)改造過程中，還需要充分考慮數(shù)據(jù)中心實(shí)際情況，能夠根據(jù)氣候環(huán)境等因素合理選擇節(jié)能工藝，這樣才能有效降低能耗，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。