數(shù)據(jù)中心的冷源系統(tǒng)全年不間斷運(yùn)行，盡管在全部投入運(yùn)行后，其負(fù)荷側(cè)的需求相對(duì)恒定，但制冷機(jī)機(jī)組的效率及能耗，同時(shí)與冷卻側(cè)條件休戚相關(guān)。因此，如何令制冷機(jī)組在很寬的工況范圍下保持高效，以及如何利用室外自然冷源減輕或免除制冷主機(jī)的電耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，便是冷源自控系統(tǒng)的重要工作目標(biāo)。

 

1、自控系統(tǒng)節(jié)能考量

 

自控系統(tǒng)的架構(gòu)要求源于對(duì)安全性的考慮，本章節(jié)是以冷源系統(tǒng)節(jié)能為主題，故對(duì)此部分只做概括性的描述，而將重點(diǎn)放在自控系統(tǒng)于節(jié)能控制功能上的要求。

 

BA系統(tǒng)應(yīng)為分布式智能系統(tǒng)。所謂分布式，即要求根據(jù)設(shè)備的功能劃分盡量使系統(tǒng)做到模塊化，避免過(guò)于集中的控制設(shè)備和邏輯程序，從而提高可用性。首先從軟件邏輯上，應(yīng)將整體控制流程分解為數(shù)個(gè)可獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的子流程，再?gòu)挠布吓浜细鱾€(gè)子流程而布置可獨(dú)立運(yùn)行的控制器。以便在任意一套控制器失效時(shí)、工作站失效時(shí)，或網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，其它控制器均能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)自身所負(fù)責(zé)的子流程，而不受影響或影響程度最低。同時(shí)允許在日后運(yùn)維過(guò)程中，可以禁用局部功能，而卸載設(shè)備，實(shí)現(xiàn)不間斷整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的情況下對(duì)機(jī)電設(shè)備設(shè)施進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)或升級(jí)改造。

 

整體控制邏輯也包括子流程之間的關(guān)聯(lián)，在編寫(xiě)時(shí)應(yīng)盡量減少相互之間的調(diào)用和交疊。必不可少的重要交互信息，應(yīng)考慮通訊傳輸上的備份。

 

2、控制制冷機(jī)組運(yùn)行于高效區(qū)

 

正如前述，數(shù)據(jù)中心長(zhǎng)期運(yùn)行制冷機(jī)組，全年內(nèi)可經(jīng)歷很寬的室外環(huán)境的變化。而這些變化對(duì)制冷主機(jī)的供冷能力以及運(yùn)轉(zhuǎn)效率有很大的關(guān)系，因此自控系統(tǒng)須偵測(cè)這些變化，而動(dòng)態(tài)地選擇臺(tái)數(shù)組合，使多臺(tái)機(jī)組的綜合效率最優(yōu)。

 

以普遍應(yīng)用的變頻離心水冷機(jī)為例，在冷凍水供水溫度不變的情況下，降低進(jìn)入蒸發(fā)器的冷卻水溫度，將減輕壓縮機(jī)負(fù)擔(dān)，帶來(lái)較高能效。如下圖所示，隨著冷卻水溫度從32ºC降至20ºC，其最大制冷量發(fā)生了較大的提升，且最佳能效區(qū)間也更加趨向較低的負(fù)荷百分比。這意味著制冷機(jī)組的臺(tái)數(shù)控制，不能依靠一個(gè)靜態(tài)的冷量值或機(jī)組電流百分比限值進(jìn)行增減，而須根據(jù)冷卻水的變化動(dòng)態(tài)地考慮制冷機(jī)組的最大制冷量，并動(dòng)態(tài)地選擇加減機(jī)的時(shí)機(jī)，使多臺(tái)組合的綜合效率最高。

 

普通商用建筑的負(fù)荷側(cè)變化明顯，在夜間及過(guò)渡季制冷需求很低，甚至可停用制冷機(jī)組。故其效率曲線只在很小的范圍內(nèi)變化，不具備上述節(jié)能空間。因此，上述特性和對(duì)控制系統(tǒng)的要求，是數(shù)據(jù)中心與眾不同之處。

 

 

機(jī)組制冷量與冷卻水溫度的關(guān)聯(lián)示意圖

 

3、在部分自然冷卻模式下合理分配主機(jī)與板換的輸出

 

在板換與制冷主機(jī)并聯(lián)的系統(tǒng)中，不存在兩者混用的部分自然冷卻模式，因此本節(jié)主要針對(duì)板換位于主機(jī)上游的串聯(lián)模式作考慮。而在此模式下，進(jìn)入制冷主機(jī)蒸發(fā)器的水溫將低于所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)回水溫度。

 

隨著室外冷卻資源的增加，BA系統(tǒng)可以進(jìn)一步降低冷卻水溫度，這意味著板換供冷量愈增，而制冷主機(jī)制冷量遞減。此時(shí)若簡(jiǎn)單地按照主機(jī)電流百分比作為增減臺(tái)數(shù)的依據(jù)，則可能錯(cuò)誤地忽略板換的冷量輸出，發(fā)生減機(jī)操作。BA系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)兩者總體的制冷量，考慮匹配整個(gè)制冷需求。

 

室外濕球溫度持續(xù)降低，將迫使位于上游的板換承擔(dān)更多的負(fù)荷，換言之制冷機(jī)組可能進(jìn)入小負(fù)荷喘震區(qū)。為避免這類(lèi)現(xiàn)象，BA系統(tǒng)應(yīng)通過(guò)限制板換冷凍側(cè)的出水溫度來(lái)控制板換與主機(jī)的供冷量分配。具體則需根據(jù)所采用的制冷機(jī)組特性，控制冷卻塔風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及臺(tái)數(shù)，進(jìn)而控制板換二級(jí)測(cè)的出水溫度，以限定制冷機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)出水溫差。避免主機(jī)喘震的同時(shí)降低冷卻塔功耗。

 

4、在部分自然冷卻模式下對(duì)制冷主機(jī)的保護(hù)

 

在進(jìn)入完全自然冷卻模式之前，部分自然冷卻模式過(guò)程中，隨著室外溫度的降低，即便冷卻塔風(fēng)扇也隨之逐漸減少至停止，但依然會(huì)有較長(zhǎng)的一段時(shí)間，進(jìn)入制冷主機(jī)冷凝器的冷卻水溫度是低于主機(jī)正常工況下所能接受的冷卻水溫度的。而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)冷凍水供水溫度越低，這種工況所持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，且程度越厲。

 

如果置這種情況而不理，則會(huì)影響制冷主機(jī)建立蒸發(fā)器和冷凝器間的壓差，而造成停機(jī)保護(hù)。為此，除了在選擇制冷主機(jī)時(shí)需要考慮它所能接受的最低冷凝器進(jìn)水溫度外，從控制邏輯上采用變流量的冷凝器進(jìn)水，也是一種手段。具體則首先需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蒸發(fā)器冷凝器間的壓差，在冷卻水溫較低的情況下，通過(guò)控制進(jìn)出冷凝器之間的旁通閥開(kāi)度，減少進(jìn)入冷凝器的水流量，使冷凝器處于低溫低流量狀態(tài)，以維持壓差能夠達(dá)到其設(shè)定值。最終使制冷主機(jī)持續(xù)工作，直至達(dá)到進(jìn)入完全自然冷卻的標(biāo)準(zhǔn)。

 

5、避免制冷主機(jī)頻繁啟停

 

在控制制冷機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)時(shí)，以及在部分自然冷卻和完全自然冷卻模式直接切換時(shí)，都涉及到這一問(wèn)題，即應(yīng)該避免過(guò)于敏感的控制條件，減少主機(jī)頻繁啟停的可能，從而起到延長(zhǎng)機(jī)電設(shè)施壽命的作用。

 

BA系統(tǒng)臺(tái)數(shù)控制的邏輯中，當(dāng)負(fù)荷側(cè)需求超越加減機(jī)切換點(diǎn)時(shí)，不應(yīng)立即執(zhí)行臺(tái)數(shù)增減的命令，而應(yīng)在設(shè)定的時(shí)間周期內(nèi)觀察這一超越現(xiàn)象的趨勢(shì)，在確定負(fù)荷的增長(zhǎng)趨勢(shì)后再進(jìn)行控制輸出。同理，當(dāng)室外濕球溫度超越完全自然冷卻模式的切換點(diǎn)后，亦不可直接轉(zhuǎn)換模式，而應(yīng)考慮溫度趨勢(shì)甚至近期的天氣特征后方才執(zhí)行，而從保證啟用或停用制冷主機(jī)后數(shù)個(gè)小時(shí)內(nèi)不會(huì)再度改變。

 

6、變頻冷凍泵的節(jié)能空間

 

無(wú)論采用二級(jí)泵或是一級(jí)泵變頻的系統(tǒng)，BA系統(tǒng)將控制水泵轉(zhuǎn)速及臺(tái)數(shù)，以維持穩(wěn)定的系統(tǒng)壓差。但是該壓差設(shè)定值的大小是否合理，卻影響著系統(tǒng)的節(jié)能表現(xiàn)，但又經(jīng)常被忽略。

 

從數(shù)據(jù)中心運(yùn)行初期的少數(shù)機(jī)房，至全部機(jī)房被啟用，在其過(guò)程中系統(tǒng)阻力不斷變化。維持系統(tǒng)總管路的壓差值（壓差變送器通常被安裝于總管路供回水），并不能代表末端水閥前后壓差保持不變。若設(shè)定的壓差值偏小，則可能無(wú)法滿足部分負(fù)荷較大的機(jī)房或冷熱通道；若設(shè)定值偏大，雖然各處不再出現(xiàn)熱點(diǎn)，但也犧牲了能耗。

 

這部分節(jié)能空間，可以通過(guò)對(duì)壓差設(shè)定值進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化來(lái)挖掘。其前提是令BA系統(tǒng)獲得所有末端閥門(mén)的開(kāi)度信息。若監(jiān)測(cè)到大部分閥門(mén)處于較低開(kāi)度，則說(shuō)明壓差值偏大，有機(jī)會(huì)將該設(shè)定值減小。反之若大部分閥門(mén)處于高開(kāi)度，甚至有部分閥門(mén)常置于100%開(kāi)度，則可判斷壓差值設(shè)定偏低，應(yīng)增大之。BA系統(tǒng)可考慮上述動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，對(duì)變頻泵進(jìn)一步節(jié)能做出貢獻(xiàn)。

 

另一方面，監(jiān)測(cè)所有末端閥門(mén)的開(kāi)度，也提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，觀察系統(tǒng)是否存在不平衡問(wèn)題。若總有個(gè)別末端處于較高或較低開(kāi)度，而與其它末端狀態(tài)差異較大，運(yùn)維人員可以將之視為潛在的問(wèn)題，重點(diǎn)進(jìn)行排查工作。

 

7、低負(fù)荷時(shí)期借用蓄冷罐

 

數(shù)據(jù)中心運(yùn)維初期，往往存在負(fù)荷暫時(shí)較小，即使采用冷備的臺(tái)數(shù)控制方式，以單臺(tái)制冷主機(jī)供冷，都可能進(jìn)入喘震區(qū)。這段期間，通過(guò)控制邏輯，間歇性的對(duì)蓄冷罐進(jìn)行充冷/放冷，可幫助避免主機(jī)小負(fù)荷運(yùn)行。

 

實(shí)現(xiàn)這一功能需要做好兩個(gè)準(zhǔn)備，一是令BA系統(tǒng)先了解當(dāng)前啟用了幾個(gè)模塊機(jī)房（初期運(yùn)行可能只啟用了一到兩個(gè)機(jī)房），從而判斷這些模塊機(jī)房滿負(fù)荷情況下的制冷需求。這個(gè)需求量將作為安全庫(kù)存，而在借用蓄冷罐放冷時(shí)，確保不會(huì)被使用，即蓄冷罐儲(chǔ)能狀態(tài)在達(dá)到安全庫(kù)存之前應(yīng)結(jié)束放冷模式。其次，讓自控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)蓄冷罐躍溫層之溫度分布，再根據(jù)蓄冷罐特性估算當(dāng)前的儲(chǔ)能狀態(tài)。

 

具備上述條件后，BA系統(tǒng)可以制定邏輯，令制冷主機(jī)在小負(fù)荷時(shí)，將未充滿的蓄冷罐作為負(fù)荷側(cè)的一部分進(jìn)行充冷。這時(shí)制冷主機(jī)將視末端負(fù)荷與蓄冷罐負(fù)荷的總和為目標(biāo)，以較高的效率運(yùn)行在較大負(fù)荷下。當(dāng)程序判斷蓄冷罐儲(chǔ)能狀態(tài)較滿，或總體負(fù)荷再次令一臺(tái)主機(jī)進(jìn)入較低負(fù)荷后，可選擇關(guān)閉主機(jī)，改為由蓄冷罐放冷維持IT模塊機(jī)房的需求，直至蓄冷罐儲(chǔ)能狀態(tài)接近之前所設(shè)定的安全庫(kù)存。

 

為了避免上述兩個(gè)狀態(tài)過(guò)于頻繁的交替，在充冷期間，若總負(fù)荷超過(guò)一臺(tái)主機(jī)的制冷量，程序也不應(yīng)采用常規(guī)的臺(tái)數(shù)控制邏輯，即不應(yīng)加載第二臺(tái)主機(jī)。否則蓄冷罐將被迅速充滿，制冷主機(jī)運(yùn)行不久便需停止，對(duì)保護(hù)機(jī)組無(wú)益。

 

文章來(lái)源：數(shù)據(jù)中心冷源技術(shù)白皮書(shū)

 

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